第２８卷第２期 ２０１６年５月 宁德师范学院学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｉｎｇｄｅ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） Ｖｏ１．２８№．２ Ｍａｖ ２０１６ 基于振动频谱分析的电机故障诊断 宋莉莉，谢月霞，张文光 （宁德职业技术学院机电工程系，福建福安３５５０００） 摘要：阐述了频谱分析的特点及故障频谱、电机振动测量与诊断的流程．结合电机故障振动实例，证明了 该方法的适用性和有效性，提高了对电机状态诊断的可靠性． 关键词：频谱分析；电机；故障诊断；可靠性 中图分类号：ＴＭ ３０７ 文献标识码：Ａ 文章编号：２０９５．２４８１（２０１６）０２—０１９３—０６ 随着科技发展，电机被广泛地应用于生产生活，电机长期运行会发生故障，正确的诊断和及时的处 理可以避免故障扩大，减少经济损失．振动是设备在运行时的普遍现象，对不同类型和规格的电机而言， 在稳定运行时，振动有一种典型特性和一个允许限值，而当电机内部出现故障时，振动的振幅值、振动形 式及频谱成分均会发生变化，不同的缺陷和故障引起的振动方式及频谱也不同．因此，振动能客观地反 映电动机的运行状态，对电机的振动进行监测和诊断是掌握其运行状态和发现故障的重要技术手段． １频谱分析的特点 频谱分析的目的是将信号中的简谐振动分量和随机噪声都分解，变成各种振幅、频率和相位的简谐 振动，用幅值谱表示对应于各频率的简谐振动分量所具有的振幅．根据电机转子振动谱图，通过了解振 动信号中包含的频率分量寻找引起振动的原因，进而找到解决故障的方法．因此，幅值谱分析是对电机 故障进行诊断的必要条件【ｌＩ２】． ２典型故障频谱 引起电机振动的原因很多，产生振动的部位和振动的特征又各有不同，对其振动特征、主导频谱进 行分析有助于对电机振动异常的识别和诊断－ｆ段设电源频率为 ，电机的工作频率为 ，其常见的异常振 动故障、故障频谱及其特征见表１【３．４１． ３电机振动值测量及诊断 ３．１电机振动值的测量 为了真实、准确地反映电机的振动情况，获取有价值的振动信息，电机的测试仪器、测点位置及评价 标准应按以下规定． ３．１．１测量仪器测量仪器应该具有测量振动宽频带有效值的能力．根据文献［５】的要求，测量仪器的通 频响应范围为１０～１ ０００Ｈｚ，但对原转速接近或低于６００ｒ／ｍｉｎ的机器，其通频响应范围下限应不大于２Ｈｚ， 并保证测量系统不受环境因素的影响，如温度变化、磁场、声场、传感器电缆长度及传感器方向等． 收稿日期：２０１６—０４—０６ 作者简介：宋莉莉（１９８４一），女，讲师．Ｅ－ｍａｉｌ：９９７０９２２７＠ｑｑ．ｔｏｍ 一１９４一 宁德师范学院学报（自然科学版） ２０１６年５月 ３．１．２测量位置为了准确获得电机的振动数值，振动测量的位置与方向必须要有足够的灵敏度，尽量 在每个轴承盖或轴承座二个相互正交的径向位置进行测量．水平安装的电机通常放在垂直和水平方向 如图１；对垂直或倾斜的机器，能得到最大的振动测量值作为传感器位置的一个方向，如图２． ，／／／ｆｆ／／／／／／／／．／／ｆ／／ｆ／／／／／／白一 图１ 电机水平安装的测点示意图 第２期 宋莉莉等：基于振动频谱分析的电机故障诊断 一１９５－ 广广 目＝ ＝‘『¨ ＿ ……亡＝ …… ｌ ｊ ｌ ｌ ：：！ 一一 ‘ 图２电机竖直安装的测点示意图 ３．１．３振动标准现有的振动评价标准常采用以下两项准则：（１）振动幅值．按照轴承允许承受的动载 荷及振动通过支撑结构与基础传至周围环境的允许值确定振动幅值限值．在任一轴承或基座上测量到 的最大振动幅值，与规定的限值相比进行评价．（２）振动幅值变化．相比以前运行所建立的基准值的振动 幅值变化的评价．通常当振动值变化超过振动幅值限值的２５％时．变化显著时，特别是当它突然发生时， 应进行诊断研究，从而查明变化的原因． ３．２电机振动的诊断程序和内容 ３．２．１诊断流程诊断． 电机产生的振动原因较复杂．振动诊断分两个层次：一次的简易诊断和二次的精密诊 断以确定产生故障的部位和振动产生的原因．电机振动出现异常时，通常采用图３的流程图进行分析和 图３ 电机振动异常诊断流程 ３．２．２一次诊断（１）目的：测量运行中电机的振动水平及其变化，及早发现电机一次振动的征兆．（２） 测量方法：电机振动的一次诊断的测量方法有两种：一是定时、定点巡回监测，使用的仪器通常是手持式 测振仪或数据采集器；二是远距离集中监测，使用固定安装的传感器和固定的测振仪，能连续记录信号， 并输出振动超限的报警信号．（３）数据整理和诊断结论：测量得到的数据与振动初始值和判定标准进行 比较．看电机振动值是否在允许值之内．如在允许范围内，一次诊断就算完成，其测量数据可存在数据 库，作为趋势分析之用；如果超出允许范围，或发现异常振动，则需要二次诊断． ３．２．３二次诊断（１）二次诊断的目的：查清电机异常振动和振动值超限的原因，确定故障部位，并作出 处理决策．（２）二次诊断的调查项目：振动发生情况的调查，如调查电机及负载机械运行条件的变化，振 动发生前后电机状态变化等；振动信号的记录、测量和各种分析．（３）追加调查：经过二次诊断后，如果 —．１９６－ 宁德师范学院学报（自然科学版） ２０１６年５月 对电机异常振动发生的原因不能作出诊断结论时，此时必须进行追加调查，追加调查的项目有：增加测 量项目；增加振动分析项目；改变电机运行条件再作测量． ４故障诊断实例分析与治理 某台泵组的电机，转速２ ９８１ｒ／ｍｉｎ，功率８５０ｋＷ，刚性支撑．电机单转时，测得振动速度有效值，见表 一 ／Ⅲｍ）＼ ２．由表２可以看出两端水平方向振动速度有效值，处于《在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动》 ８ ７ ６ ５ ４（ＧＢ／Ｔ６０７５．３—２００１）“第３部分：额定功率大于１５ｋＷ额定转速在１２０ｒ／ｍｉｎ至１５０００ｒ／ａｒｉｎ之间的在现场 测量的工业机器”嘲评定的区域ｃ，而根据标准要求新交付的机器通常应该属于区域Ａ．经一次诊断，该 电机振动异常，需要进一步诊断分析． 表２电机各测点振动速度有效值 从表２振动速度有效值来看，电机两端水平向振动远大于垂直向．现对该电机的振动频谱分析，从 图４和图５频谱图来看，两端水平向的故障频率以电源２倍频占主导；松开电机一侧的两个螺栓，水平 向的振动值立即降低到合格范围，频谱成分以工作频率和电源２倍频为主；断电瞬间，电机水平向的振 动值立刻降低到合格范围．频谱特征，以及松紧螺栓和断电试验引起的现象都与电机外壳变形引起的气 隙偏心故障相吻合，据此可以判断，造成该电机振动超标的根本原因为机壳变形，可能是基础底板地脚 不平引起的．现场停机后，检查基础水平度，发现底板地脚不平，经调整地脚垫片后，振动明显降低，数值 见表３，水平振动值降低了约６０％．治理后电机两端的水平向频谱图见图６和７，对比治理前的频谱图， 可以看出主导频谱电源２倍频的幅值明显降低，电源１倍频消失，工作频谱出现，并伴随部分高倍频率． 通过治理前后的频谱分析，可以判断，电机振动超标的根本原因已得到解决． 表３治理后的电机各测点振动速度有效值 一 ：６０００，６．７１１） 一 一 一 ｆ３０Ｉ ｔ０，０．３８７） １ ｔｎ０Ｉｎ０．ｎ０ｌｎ０ｌｎ０ｔｎ０ｌｎ０ 卜 ｑ－）Ｉｎ寸寸Ｉｎ卜 ＿一 一ｔ＂－Ｉ ｎｎ ｌｎ卜 ＇ｔｑ ｔ＂４ ｎｎｍ０００ ００００００００００００００００００００００００００００００ 。。ｏｏ卜ｎ ００ Ｉｎｔ＂－ ０ ｎｎ 寸寸０Ｉｎ０．ｎ０ ｏ。∞卜卜 Ｉｎ 寸 ｏ。０ｔ＇－，ｌ寸 ｏｏ 寸寸寸ｔｇ５ＩｎｌｎＩｎ．ｎ ０ｌｎ０Ｉｎ０ 频率／ＣＰＭ 图４电机非驱动端水平向频谱图（治理前） 第２期 宋莉莉等：基于振动频谱分析的电机故障诊断 一１９７－ （６０００，５．６９９） 一 ／一、 ｛ 一 曼 趋 一 馨 一 ６ ５ ４ ３ 鞲 ２ １ Ｏ 一 （３（ ｏ０．０．７１６） ｆ 。 ８ ８ ８ ８ ８曷８ 宕 ｇ ８星８ ｇ ８ ８宾８ ８ ０．ｎ０ 嗣 鬲 ８ 雩器 ０ｒ．－－ ＿一 （－４ ｃ－，Ｉ ｃ－，ｉ ｎｍｎｎ∽寸寸寸寸寸ＩｎｌｎｌｎＩｎｌｎ 频率，ＣＰＭ 图５电机驱动端水平向频谱图（治理前） ２．５ （６０００，２．３７２） ２ 一 ，—、１．５ ＿ 道 粤Ｉ 帽 ０．５ 一（２９８ ｌ，０．３９２） ０ Ｉ Ｉ ＩＩ １ ０ 卜０Ｉｎ ｌｎ００ ｒ、Ｉ．ｎ０ｎ ｌｎ００ ｒ．．ｎ－．－Ｉ０ｔ－） ｌｎ００ｌ卜ｎ０．ｎ ｌｎ００Ｉｎ０卜 Ｉｎ００ｔｎ０ 卜ｎ ｅ，－，ｉ０ ０ｔｔｒ）０Ｉｎ０ｔ－－，ｌ０．卜ｎ０Ｉｎ Ｉｎ０ ０ 。。卜 ｎＩｎ ｒ．ｌｎｎ －，－ Ｈｎ０ ｏ。卜 ” ∞０ Ｉｎｎ 寸 ｏｏ０ ０∞卜 ｎＩｎ卜 Ｉｎｎ Ｈｎ０Ｉｎ ∞卜 ｏ。０ ｌｎｎ 寸 Ｈ。。０ ０ ＿＿ ∽ｎｍｎｎ∽寸寸寸寸寸 Ｉｎ ｌｎ 频率／ＣＰＭ 图６电机非驱动端水平向频谱图（治理后） ，、 道 馨 帽 频 ＣＰＭ 图７电机驱动端水平向频谱图（治理后） ５小结 利用频谱分析的方法分析解决电机的振动故障，可以提高对电机状态、劣化趋势的认知和控制能力， 可针对故障原因使维修做到有的放矢，有效避免重大故障的发生，提高电机的使用寿命，增加电机的可 靠性．降低电机全寿命管理费用． 一１９８－ 宁德师范学院学报（自然科学版） ２０１６年５月 参考文献： 【１】黄志坚．机械设备振动故障监测与诊断【Ｍ】．北京：化学工业出版社，２０１０． ［２】姜威威，耿森润，李【３］杨文，等．电机振动的频谱分析『Ｊ］．工业控制计算机，２０１１，２４（１１）：４８—４９． 瑞．交流感应异步电机振动故障诊断新技术【ＪＪ．中国设备工程，２００５（５）：４１—４３． ｆ４１杨．机械设备故障诊断使用技术［Ｍ］．北京：中国石化出版社，２００７． 【５】中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会．对振动烈度测量仪器的要求：ＧＢ／Ｔ１３８２４— １９９２【Ｓ】．北京：中国标准出版社，１９９２：６２１—６２５． 『６１中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会．在非旋转部件上测量和评价机器的机械振 动：ＧＢ／Ｔ６０７５．３—２００１『Ｓ１．北京：中国标准出版社，２００１：３－４． Ｍｏｔｏｒ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ＳＯＮＧ Ｌｉ—ｌｉ，ＸＩＥ Ｙｕｅ－ｘｉａ，ＺＨＡＮＧ Ｗｅｎ－ｇｕａｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｉｎｇｄｅ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｆｕ ａｎ，Ｆｕｊｉａｎ ３５５０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｓｐｅｃｔｒｕｍ，ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆａｕｌｔ ｈａｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ａｄａｐｔｉｖｅ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ，ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｔｏｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｍｏｔｏｒ；ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ
