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    振動電機:從原理到故障診斷


    摘要:振動電機的工作原理、運行方式及結構與振動電機故障診斷技術密切相關,電機內部能量轉換可分為:電氣環節、磁耦合環節、機械環節三個原理,這三個環節的能量形式不同,所應用的故障診斷技術相應地有所差異。

    電氣環節的故障主要通過對電壓、電流的各種測量和分析來診斷,如絕緣材料的老化,通過測量漏地電流來判定等等。


      電機類型特點與測定標準

      電機的主要部件

      定子:是輸入電功率,產生磁場的靜止部件。對于交流電機,通常定子磁場是旋轉的。對于直流電機,定子磁場是靜止的;

      轉子:是產生一個與定子磁場相對運動的磁場,并輸出機械功率的重要部件。所承受的電磁力轉為輸出的扭矩,因此往往要承受較大的機械應力;

      集電環和換向器:是構成旋轉部分導電,建立相對運動磁場的滑動接觸機構;

      軸承裝置:是支撐轉子旋轉,保持定子、轉子相對位置的機械結構。


      電機的類型與工作原理的區別

      電機的兩個磁場均由直流勵磁產生,則為直流電機;

      電機的一個磁場由直流勵磁產生,另一個由交流電流產生。為使這兩個磁場相對靜止,直流勵磁磁場相對交流電產生的旋轉磁場必須嚴格同步,這就是同步電機;

      電機的兩個磁場分別由不同頻率的交流電流產生,則為異步電機。


      電機振動的測量與判定標準

      電機振動測定是指電機在制造廠出廠試驗或試驗室內的振動研究試驗、檢修后現場試驗時的電機振動水平的準確測量,因此,對于電機的安裝條件、測試儀器、測點裝置、測量要求等都作了規定;

    為了確定電機振動初始狀態時的振動水平,判定這臺電機出廠時或投入運行時振動值是否符合有關標準的規定;為以后電機異常振動的診斷提供初始的參照數據。因此電機振動的測定,其目的和方法均與電機異常振動診斷有所區別。



      電機振動標準

      GBl0068—88《旋轉電機振動測定方法及限值》;

      IEC34—14(1986)《中心高為56mm及以上旋轉電機的振動——振動烈度的測量、評定及限值》;

      ISO2372(1974)《轉速從10r/s機器的機械振動——評定標準的基礎》(國際標準化組織頒布);

      ISO3945(1985)《轉速10r/s機器的機械振動——在運行地點對振動烈度的測量和評定》;

      VDI2056《機器的機械振動評價標準》。


      電機振動的測定方法

      測量值的表示方法:不同轉速范圍的電機,其測量值的表示方法是不同的。國家標準規定,對轉速為600~3600r/min的電機,穩態運行時采用振動速度有效值表示,其單位mm/s。對轉速低于600r/min的電機,則采用位移振幅值(峰—峰值)表示,其單位為mm;

      對測量儀器的要求:儀器的頻率響應范圍應為10~1000Hz,在此頻率范圍內的相對靈敏度以80Hz的相對靈敏度為基準,其他頻率的相對靈敏度應在基準靈敏度+10%~-20%的范圍以內,測量誤差不超過±10%;測量轉速低于600r/min電機的振動時,應采用低頻傳感器和低頻測振儀,測量誤差應不超過±10%。


      電機的安裝要求

      彈性安裝:軸中心高為400mm及以下的電機,測振時應采用彈性安裝;

      剛性安裝:對軸中心高超過400mm的電機,測時應剛性安裝;

      電機在測定時的狀態:電機的測振應在電機空載狀態下進行。



      電機振動的限值

      根據國家標準GBl0068.2-88《旋轉電機振動測定方法及振動限值》的規定,對不同軸中心高和轉速的單臺電機,在按GBl0068.1規定的方式測定時,其振動速度有效值應不超過以下規定。


    安裝方式
    彈性懸置
    剛性安裝
    軸中心高(mm) 45≤H≤132
    132<H≤225
    225H≤400
    H>400
    標準轉速 600≤n≤1800 1.8 1.8 2.8 2.8
    r/min 1800<n≤3600 1.8 2.8 4.5 2.8

    電機振動速度有效值的極限標準(mm/s)



      電磁耦合系統的振動原理

      基頻磁通的電磁振動

      在電機氣隙中磁通密度是沿著轉子的圓周的空間而隨著時間按正弦波分布這一振動,在轉子受橢圓形電磁力的兩極電機中特別明顯地表現出來;

      二倍電源頻率的振動,它是電機中的主要振動分量之一,尤其是在大型電機中,由于定子的固有頻率較低,這種頻率的振動分析和研究顯得特別重要;

      基波電磁力不僅作用于轉子,也同時作用于定子。是造成定子槽內線包松動等故障的原因之一。


      電機的故障特征

      定子異常產生的電磁振動:電機運行時,轉子在定子內腔旋轉,由于定、轉子磁場的相互作用,定子機座將受到一個旋轉力波的作用,而發生周期性的變形并產生振動;

      由于定子三相繞組產生的是一個旋轉磁場,它在定、轉子氣隙中以同步速度n0旋轉。若電網頻率為f0,則同步速度n0=60 f0/P。因此,作用在機座上的磁拉力不是靜止的,而是一個旋轉力,隨轉子旋轉而轉動,機座上受力部位是隨磁場的旋轉而在不斷改變位置 。


      定子電磁振動異常的主要原因

      定子三相磁場不對稱。如電網三相電壓不平衡,因接觸不良造成單相運行,定子繞組三相不對稱等原因,都會導致定子磁場的不對稱,而產生異常振動;

      電機座底腳螺釘松動,其結果相當于機座剛度降低,使電機在接近2f0的頻率的范圍發生共振,因而使定子振動增大,結果產生異常振動。


      定子電磁振動的特征

      振動頻率為電源頻率的2倍;

      切斷電源,電磁振動立即消失;

      振動可以在定子機座和軸承上測得;

      振動幅值與機座剛度和電機的負載有關。


      氣隙不均勻引起的電磁振動

      氣隙不均勻(或稱氣隙偏心)有兩種情況:一種是由于定子、轉子不同心產生的靜態不均勻,另一種是由于軸彎曲或轉子與軸不同心所產生的動態不均勻。它們都會引起電磁振動,但是振動的特征并不完全相同

      (1)氣隙靜態不均引起電磁振電機定子中心與轉子軸心不重合時,定、轉子之間氣隙將出現偏心現象,這種氣隙偏心往往固定在某一位置,它不隨轉子旋轉而改變位置。
     
      靜態氣隙偏心產生的電磁振動特征是:電磁振動頻率是電源頻率f0的2倍,即f=2f0;


      振動隨偏心值的增大而增加,與電機負荷關系也是如此,氣隙偏心產生的電磁振動與定子異常產生的電磁振動較難區別。


      (2)氣隙動態偏心電磁振動

      電機氣隙的動態偏心是由轉軸撓曲、轉子鐵心不圓或轉子與軸不同心等造成的,偏心的位置對定子是不固定的,對轉子是固定的,因此,偏心位置隨轉子的旋轉而同步的移動,氣隙動態偏心產生電磁振動的特征是:轉子旋轉頻率和旋轉磁場同步轉速頻率的電磁振動都可能出現。電磁振動以1/(2sf0)周期在脈動,因此,在電機負載增加,s加大時,其脈動節拍加快。電機往往發生與脈動節拍相一致的電磁噪聲。


      轉子導體異常引起的電磁振動

      籠型異步電機因籠條斷裂,繞線型異步電機由于轉子回路電氣不平衡,都將產生不平衡電磁力,這不平衡電磁力F在轉子旋轉時是隨轉子一起轉動的,其性質和轉子動態偏心的情況相同 

      (1) 發生振動的機理;

      (2) 電磁振動波形.

      轉子繞組異常引起的電磁振動的特征:轉子繞組異常引起電磁振動與轉子動態偏心所產生的電磁振動的電磁力和振動波形相似,現象相似,較難判別。雖然拍頻都是2sf0,但電磁振動的高頻部分不同,轉子動態偏心的高頻為2f0/P,轉子繞組異常的高頻為2(1-s)f0/P。

      電機負載增加時,這種振動隨之增加,當負載超過50%以上時較為顯著。

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