一份非常实用的电机振动监测故障分析方案
随着生产形势的日益严峻，连续生产、不间断作业、提高产量、保证效益成为各单位追求的首要目标。电机作为电器或各种机械的动力源，其故障带来的影响也越来越大。电机故障原因较复杂，往往机械故障和电气故障交缠混杂。可靠的电机监测和维护可有效降低电机故障率，其中振动监测是简便而又比较成熟的电机故障监测和诊断方法之一。一、基本情况简介某炼油厂三催化循环油浆泵P210/2电机于1997年3月投用。该泵为双支撑单级双吸泵，泵两端采用机械密封，两端轴承采用油雾润滑方式，电机轴承使用润滑脂润滑。
泵型号为12×14-26A×L，轴功率为278～323kW，设计流量为900m3/h，设计压力为1.5MPa，设计温度为350℃，操作流量为800m3/h，操作压力为1.2MPa，操作温度为335℃，介质为油浆，泵联轴器端（前）轴承型号为6318，泵非联轴器端（后）轴承型号为7318B（2个背靠背）。
电机型号为YB-450S2-4W，功率为355kW，额定电流为41A，转速为1470r/min，膜片联轴器，电机轴伸端（前）轴承型号为NU322，电机非轴伸端（后）轴承型号为6322。
二、故障情况及分析1. 故障情况
在检测点（如图1所示）检测电机轴承，发现电机非轴伸端轴承振动加速度包络gE值呈加速上升趋势，轴承振动速度在允许范围内，为1.7mm/s，轴承温度及声音未见异常，测试数据见表1。检测知电机非轴伸端轴承振动加速度包络gE值最高为40，冲击脉冲值LR/HR为55/44，已严重超标，分析认为非轴伸端轴承运行状况欠佳。
图1 设备监测点示意图
表1 机泵测试数据注：电机工作转速为1490r/min，电机功率为355kW，测试仪器为SKF测振仪。
2. 频谱分析
电机非轴伸端轴承加速度包络gE值升至50，轴承声音异常，振动速度为2.4mm/s。A点垂直振动频谱图、水平冲击脉动频谱图、水平振动加速度包络频谱图如图2～4所示。
图2 A点垂直振动频谱图图3 A点水平冲击脉冲频谱图图4 A点水平振动加速度包络频谱图
根据频谱图可知，主要振动频率除工频外还存在电源频率2倍频，并伴有非整数倍频，推断轴承出现松动和缺陷。在振动频谱中，76.7Hz左右频率尤其异常突出，该频率与轴承外圈故障频率接近，同时振动加速度包络频谱中有高频突出，表明轴承已进入故障加速损坏期。
电机后轴承随运行时间的增长，其冲击脉冲值和加速度包络值先呈缓慢上升趋势，且出现异常声音，说明轴承已出现早期磨损故障特征。继续运行，振动烈度呈缓慢上升趋势，轴承温度呈上升趋势，但变化都不明显，而冲击脉冲值和加速度包络值加速上升，呈不稳定上升、下降来回波动趋势，说明轴承已进入中期磨损。此时，电机后轴承振动频谱与运行初期相比已有明显变化，如图5所示，冲击脉冲值LR/HR最高也已升到55/44，加速度包络gE值最高已升到50。
（a）运行初期（b）运行15天后图5后轴承振动频谱图
3. 轴承故障频率计算
为了确定故障部位，对轴承故障频率进行计算。滚动轴承特征频率一般包括内圈通过频率 (Fi)、外圈通过频率 (Fo)、保持架频率 (Fc)、滚动体通过频率 (Fb)，其计算式分别为：
式中，f 为滚动轴承内圈回转频率，Hz；d 为滚动体直径，mm；D 为轴承节径，mm；Z 为滚动体个数；α 为压力角。
深沟球滚动轴承6322SKF的d 为20mm，D 为175mm，Z 为8，α 为0°，则Fi 为110.5Hz，Fo 为为87.9Hz，Fc 为11Hz，Fb 为107Hz。
与频谱图对照，在振动频谱图中并没有出现轴承故障频率，但在冲击脉冲频谱图中存在89、109、107Hz频率，它们分别与轴承故障频率外圈通过频率 (Fo)、内圈通过频率 (Fi)、滚动体通过频率 (Fb)相对应，表明轴承内外圈及滚动体存在缺陷。
三、解体检查试验2012年8月23日下午，对油浆泵P201/2电机非轴伸端轴承进行检查，发现轴承内、外圈滚道有条纹状损伤（如图6所示），局部触摸有凹凸感。造成该损伤的原因有两种：微振动和电蚀或放电。
图6 电机非轴伸端轴承内、外圈滚道磨损图
电蚀是指电流在旋转中的轴承的滚道轮和滚动体的接触部分流动时，通过薄薄的润滑油膜产生火花，从而导致接触表面因发生局部熔化而变得凹凸不平。电蚀程度较大时，会引起表面剥落或促使旋转表面的硬度降低而加快磨损进度。产生电蚀的原因是内外圈间存在电位差。电蚀较严重时，在轴承内外圈滚道和滚柱表面可能会产生条纹状电蚀。
微振动是指两个接触面间相对地反复微小滑动，主要发生在滚道面与滚动体的接触部分上，微振动的结果是产生微振磨损。产生微振动的原因有：润滑不良，小振幅摇摆运动，过盈量不足。
为了查明轴承故障原因，首先对电机进行绝缘检测。绝缘试验146ms时，发生单相接地故障，C相电压降为零，A、B相相电压升至线电压；绝缘试验195ms时，电机A、B相绝缘击穿，发生三相对称接地短路，母线电压降至41V左右。事后检查发现，电机三相对地绝缘电阻为零，电机引线绝缘状况良好，电机线圈内有焦味，电机引线、接线盒内有焦黑碳粉，接线盒边缘及固定引线金属横梁共有3处对地放电点，如图7所示。
图7 对地放电点图
解体电机检查定子线圈，未发现明显故障点。测量定子线圈直流电阻：AB相为1.70Ω，AC相为1.74Ω，BC相为1.71Ω，直流电阻超差2.35%，不合格（规范要求线间电阻相互差别不超过1%）。对定子线圈进行直流耐压泄漏试验，加压至5000V时，泄漏电流为60μA；加压至6000V时，泄漏电流为20mA，30s后电机轴伸端线圈端部两线圈连接部位绝缘击穿。
拆卸轴承后，测得其过盈量超过20μm，且润滑脂充盈，因此排除润滑不良及安装过盈量不足导致条纹状损伤的情况。现在只剩下小振幅摇摆运动一个因素，而产生此因素的条件是存在轴向力，且该轴向力方向不固定。
该泵为双支撑单级双吸泵，本身具有平衡轴向力的功能。但是，油浆含催化剂，泵体及密封环长期被冲刷，先是后轴承侧口环间隙变大，轴向力冲向泵后轴承，随着冲刷力越来越大，叶轮前口环间隙也变大，最终导致两侧口环间隙越来越大，此时转子受到额外的交变轴向力作用。轴向力一部分由泵后轴承背靠背安装的角接触球轴承7318承受，当轴承承载力小于轴向力时，转子向轴自由端移动，轴向力通过联轴节传到电机，最终导致泵密封泄漏、电机轴承磨损。
总结可靠的电机监测和维护可有效降低电机的故障率。振动监测虽然不是电机监测的最好方法，但是与其它监测方法配合使用，运用得当，可以为故障诊断打开突破口。对于深沟球轴承，利用冲击脉冲值和加速度包络gE值进行综合监测，判断轴承早中期故障状态是有效的。结合频谱分析，可对轴承中后期故障进行诊断，对故障部位进行确定。但是需要注意的是，对于不同的轴承类型，利用冲击脉冲值和加速度包络gE值综合监测、判断轴承故障状态，判别标准是有区别（与轴承游隙、轴承结构形式等有关）的。
来源：易维通订阅号（ID：Industry-care），原文来自网络。
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