機械故障診斷技術 第3版 課件 張鍵 8-齒輪箱故障診斷、9-電動機故障診斷

第八章齒輪箱故障診斷

8．1齒輪失效形式圖8－1齒根部的應力集中一．齒的斷裂

齒輪副在嚙合傳遞運動時，主動輪的作用力和從動輪的反作用力都通過接觸點分別作用在對方輪齒上，最危險的情況是接觸點某一瞬間位于輪齒的齒頂部，此時輪齒如同一個懸臂梁，受載后齒根處產(chǎn)生的彎曲應力為最大，若因突然過載或沖擊過載，很容易在齒根處產(chǎn)生過負荷斷裂。即使不存在沖擊過載的受力工況，當輪齒重復受載后，由于應力集中現(xiàn)象，也易產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐步擴展，致使輪齒在齒根處產(chǎn)生疲勞斷裂。輪齒的斷裂是齒輪的最嚴重的故障，常因此造成設備停機。二．齒面磨損或劃痕A）粘著磨損在低速、重載、高溫、齒面粗糙度差、供油不足或油粘度太低等情況下，油膜易被破壞而發(fā)生粘著磨損。潤滑油的粘度高，有利于防止粘著磨損的發(fā)生。B）磨粒磨損與劃痕

含有雜質顆粒以及在開式齒輪傳動中的外來砂粒或在摩擦過程中產(chǎn)生的金屬磨屑，都可以產(chǎn)生磨粒磨損與劃痕。C）腐蝕磨損

由于潤滑油中的一些化學物質如酸、堿或水等污染物與齒面發(fā)生化學反應造成金屬的腐蝕而導致齒面損傷。D）燒傷

燒傷是由于過載、超速或不充分的潤滑引起的過分摩擦所產(chǎn)生的局部區(qū)域過熱，這種溫度升高足以引起變色和過時效，會使鋼的幾微米厚表面層重新淬火，出現(xiàn)白層。損傷的表面容易產(chǎn)生疲勞裂紋。E）齒面膠合

大功率軟齒面或高速重載的齒輪傳動，當潤滑條件不良時易產(chǎn)生齒面膠合（咬焊）破壞，即一齒面上的部分材料膠合到另一齒面上而在此齒面上留下坑穴，在后續(xù)的嚙合傳動中，這部分膠合上的多余材料很容易造成其他齒面的擦傷溝痕，形成惡性循環(huán)。圖8－2齒面點蝕三．齒面疲勞(點蝕、剝落)

所謂齒面疲勞主要包括齒面點蝕與剝落。造成點蝕的原因，主要是由于工作表面的交變應力引起的微觀疲勞裂紋，潤滑油進入裂紋后，由于嚙合過程可能先封閉入口然后擠壓，微觀疲勞裂紋內的潤滑油在高壓下使裂紋擴展，結果小塊金屬從齒面上脫落，留下一個小坑，形成點蝕。如果表面的疲勞裂紋擴展得較深、較遠或一系列小坑由于坑間材料失效而連接起來，造成大面積或大塊金屬脫落，這種現(xiàn)象則稱為剝落。剝落與嚴重點蝕只有程度上的區(qū)別而無本質上的不同。實驗表明，在閉式齒輪傳動中，點蝕是最普遍的破壞形式。在開式齒輪傳動中，由于潤滑不夠充分以及進入污物的可能性增多，磨粒磨損總是先于點蝕破壞。四．齒面塑性變形軟齒面齒輪傳遞載荷過大（或在大沖擊載荷下）時，易產(chǎn)生齒面塑性變形。在齒面間過大的摩擦力作用下，齒面接觸應力會超過材料的抗剪屈服極限，齒面材料進入塑性狀態(tài)，造成齒面金屬的塑性流動，使主動輪節(jié)圓附近齒面形成凹溝，從動輪節(jié)圓附近齒面形成凸棱，從而破壞了正確的齒形。有時可在某些類型的齒輪的從動齒面上出現(xiàn)“飛邊”，嚴重時擠出的金屬充滿頂隙，引起劇烈振動，甚至發(fā)生斷裂。圖8－3齒輪副的運動學分析8．2齒輪的振動機理與信號特征齒輪傳動系統(tǒng)是一個彈性的機械系統(tǒng)，由于結構和運動關系的原因，存在著運動和力的非平穩(wěn)性。圖8－3是齒輪副的運動學分析示意圖。圖中O1是主動輪的軸心，O2是被動輪的軸心。假定主動輪以ω1作勻角速度運動，A、B分別為兩個嚙合點，則有O1A>O1B，即A點的線速度VA大于B點的線速度VB。而O2A<O2B，從理論上有

、

，則ω2<ω3。然而A、B又是被動輪的嚙合點，當齒輪副只有一個嚙合點時，隨著嚙合點沿嚙合線移動，被動輪的角速度存在波動；當有兩個嚙合點時，因為只能有一個角速度，因而在嚙合的輪齒上產(chǎn)生彈性變形，這個彈性變形力隨嚙合點的位置、輪齒的剛度以及嚙合的進入和脫開而變化，是一個隨時間變化的力FC（t）。齒輪嚙合的特征頻率——嚙合頻率從這個意義上說：齒輪傳動系統(tǒng)的嚙合振動是不可避免的。振動的頻率就是嚙合頻率。也就是齒輪的特征頻率，其計算公式如下：齒輪一階嚙合頻率

嚙合頻率的高次諧波

i=2、3、4、…n

其中：N——齒輪軸的轉速（r/min）

Z——齒輪的齒數(shù)齒輪嚙合的特征頻率——邊頻帶由于傳遞的扭矩也隨著嚙合而改變，它作用到轉軸上，使轉軸發(fā)生扭振。而轉軸上由于鍵槽等非均布結構的存在，軸的各向剛度不同，剛度變動的周期與軸的周轉時間一致，激發(fā)的扭振振幅也就按轉軸的轉頻變動。這個扭振對齒輪的嚙合振動產(chǎn)生了調制作用，從而在齒輪嚙合頻率的兩邊產(chǎn)生出以軸頻為間隔的邊頻帶。邊頻帶也是齒輪振動的特征頻率，嚙合的異常狀況反映到邊頻帶，造成邊頻帶的分布和形態(tài)都發(fā)生改變。可以說：邊頻帶包含了齒輪故障的豐富信息。此外齒輪制造時所具有的：偏心誤差、周節(jié)誤差、齒形誤差、裝配誤差等都能影響齒輪的振動。所以在監(jiān)測低精度齒輪的振動時，要考慮這些誤差的影響。站在故障診斷的實用立場上看，只要齒輪的振動異常超標，就是有故障，就需要處理或更換。所以大多數(shù)情況下，并不需要辨別是哪種誤差所引起，只需判定能否繼續(xù)使用。圖8－4某齒輪箱的功率譜8．3齒輪的故障分析方法一．功率譜分析法功率譜分析可確定齒輪振動信號的頻率構成和振動能量在各頻率成分上的分布，是一種重要的頻域分析方法。幅值譜也能進行類似的分析，但由于功率譜是幅值的平方關系，所以功率譜比幅值譜更能突出嚙合頻率及其諧波等線狀譜成分而減少了隨機振動信號引起的一些“毛刺”現(xiàn)象。圖8—4為某齒輪箱的功率譜，分別用兩種坐標繪出，無疑使用線性坐標效果要好得多。圖8－5工程實際應用的頻譜圖a)幅值譜b)細化后的邊頻帶二．邊頻帶分析法（1）

邊頻帶成分包含有豐富的齒輪故障信息，要提取邊頻帶信息，在頻譜分析時必須有足夠高的頻率分辨率。當邊頻帶譜線的間隔小于頻率分辨率時，或譜線間隔不均勻，都阻礙邊頻帶的分析，必要時應對感興趣的頻段進行頻率細化分析(ZOOM分析)，以準確測定邊頻帶間隔，見圖8—5。二．邊頻帶分析法（2）

一般從兩方面進行邊頻帶分析，一是利用邊頻帶的頻率對稱性，找出

（n=1、2、3…）的頻率關系，確定是否為一組邊頻帶。如果是邊頻帶，則可知道嚙合頻率?Z和調制信號頻率?r。二是比較各次測量中邊頻帶幅值的變化趨勢。根據(jù)邊頻帶呈現(xiàn)的形式和間隔，有可能得到以下信息：

1）當邊頻間隔為旋轉頻率?r時，可能為齒輪偏心、齒距的緩慢的周期變化及載荷的周期波動等缺陷存在，齒輪每旋轉一周，這些缺陷就重復作用一次，即這些缺陷的重復頻率與該齒輪的旋轉頻率相一致。旋轉頻率?r指示出問題齒輪所在的軸。

2）齒輪的點蝕等分布故障會在頻譜上形成類似1）的邊頻帶，但其邊頻階數(shù)少而集中在嚙合頻率及其諧頻的兩側(參見圖8—6)。3）齒輪的剝落、齒根裂紋及部分斷齒等局部故障會產(chǎn)生特有的瞬態(tài)調制，在嚙合頻率其及諧頻兩側產(chǎn)生一系列邊帶。其特點是邊帶階數(shù)多而譜線分散，由于高階邊頻的互相疊加而使邊頻族形狀各異。(參見圖8—7)。嚴重的局部故障還會使旋轉頻率?r及其諧波成分增高。

需要指出的是，由于邊頻帶成分具有不穩(wěn)定性，在實際工作環(huán)境中，尤其是幾種故障并存時，邊頻族錯綜復雜，其變化規(guī)律難以用上述的典型情況表述，而且還存在兩個軸的旋轉頻率?r混合情況。但邊頻的總體水平是隨著故障的出現(xiàn)而上升的。圖8－7圖8－6圖8－8用倒頻譜分析齒輪箱振動信號中的邊頻帶三．倒頻譜分析法對于同時有數(shù)對齒輪嚙合的齒輪箱振動頻譜圖，由于每對齒輪嚙合時都將產(chǎn)生邊頻帶，幾個邊頻帶交叉分布在一起，僅進行頻率細化分析識別邊頻特征是不夠的；由于倒頻譜將功率譜中的諧波族變換為倒頻譜圖中的單根譜線，其位置代表功率譜中相應諧波族(邊頻帶)的頻率間隔時間(倒頻譜的橫坐標表示的是時間間隔，即周期時間)，因此可解決上述問題。圖8—8是某齒輪箱振動信號的頻譜，圖8—8a的頻率范圍為0~20kHz，頻率間隔為50Hz，能觀察到嚙合頻率為4.3kHz及其二次三次諧波，但很難分辨出邊頻帶。圖8—8b的頻率范圍為3.5～13.5kHz，頻率間隔為5Hz，能觀察到很多邊頻帶，但仍很難分辨出邊頻帶。圖8—8c的頻率范圍進一步細化為7.5～9.5kHz，頻率間隔不變，可分辨出邊頻帶，但還有點亂。若進行倒頻譜分析，如圖8－8d所示，能很清楚地表明對應于兩個齒輪副的旋轉頻率（85Hz和50Hz）的兩個倒頻分量（Ai和Bi）。倒頻譜的另一個主要優(yōu)點是對于傳感器的測點位置或信號傳輸途徑不敏感以及對于幅值和頻率調制的相位關系不敏感。這種不敏感，反而有利于監(jiān)測故障信號的有無，而不看重某測點振幅的大?。赡苡捎趥鬏斖緩蕉贿^分放大）。圖8－9齒面磨損導致幅值上升趨勢四．齒輪故障信號的頻域特征

①均勻性磨損、齒輪徑向間隙過大、不適當?shù)凝X輪游隙以及齒輪負荷過大等原因，將增加嚙合頻率和它的諧波成分幅值，對邊頻的影響很小。齒輪磨損的特征是，頻譜上嚙合頻率及其諧波幅值都會上升，而高階諧波的幅值增加較多，如圖8-9所示。②不均勻的分布故障（例如齒輪偏心、齒距周期性變化及載荷波動等）將產(chǎn)生幅值調制和頻率調制，從而在嚙合頻率及其諧波兩側形成幅值較高的邊頻帶，邊帶的間隔頻率是齒輪轉速頻率，該間隔頻率是與有缺陷的齒輪相對應的。值得注意的是，對于齒輪偏心所產(chǎn)生的邊帶，一般出現(xiàn)的是下邊帶成分，即

（n=1，2，3，…），上邊帶出現(xiàn)的很少。③齒面剝落、裂紋以及齒的斷裂等局部性故障，將產(chǎn)生周期性沖擊脈沖，嚙合頻率為脈沖頻率所調制，在嚙合頻率及其諧波兩側形成一系列邊帶，其特點是邊帶的階數(shù)多而分散，見圖8—7所示。而點蝕等分布性故障形成的邊帶，在嚙合頻率及其諧波兩側分布的邊帶階數(shù)少而集中，見圖8—6所示。這些邊帶隨著故障的發(fā)展，其頻譜圖形也將發(fā)生變化。⑤齒的斷裂或裂紋，每當輪齒進入嚙合時就產(chǎn)生一個沖擊信號，這種沖擊可激起齒輪系統(tǒng)的一階或幾階自振頻率。但是，齒輪固有頻率一般都為高頻（約在1～10kHz范圍內），這種高頻成分傳遞到齒輪箱時已被大幅度衰減，多數(shù)情況下只能在齒輪箱上測到嚙合頻率和調制的邊頻。⑥軸承故障的影響，僅有齒輪嚙合頻率的振幅迅速升高，而邊頻的分布和幅值并無變化，甚至邊頻沒有發(fā)育，則表明是軸承故障。8．4齒輪故障診斷案例實例一：宣龍高速線材公司2006年9月，發(fā)現(xiàn)精軋22#軋機輥箱振動增大。圖8－10是傳動系統(tǒng)圖。圖8－10高線精軋機傳動系統(tǒng)圖9月14日的頻譜圖

調出這一期間的在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的趨勢圖和頻譜圖。在9月14日的頻譜圖上明顯看到Z5/Z6的嚙合頻率譜線。見圖8－11。圖8－119月14日的振動頻譜圖特征頻率表特征頻率表8－1（22#軋機轉速為1047r/min，譜圖數(shù)據(jù)）由特征頻率表可見，22架輥箱的Z5/Z6嚙合頻率（1072.6Hz）幅值在9月14日為1.71m/s2，其兩側有較寬的邊頻帶，間隔為35.085Hz，與錐箱II軸的轉頻（34.603Hz）基本一致。序號故障信號頻率(Hz)計算特征頻率(Hz)振幅絕對誤差（Hz）相對誤差%可信度%故障部位及性質分析11037.5981037.5931.2810.0050100Z5/Z6嚙合頻率－錐箱II軸轉頻21072.6831071.7731.7110.910.085100Z5/Z6嚙合頻率31105.9571105.9530.9460.0040100Z5/Z6嚙合頻率＋錐箱II軸轉頻42143.5552143.5461.9620.00901002倍Z5/Z6嚙合頻率診斷結論：從圖8－11的頻譜圖上可看出，22#輥箱Z5/Z6嚙合頻率幅值比較突出且有上升趨勢，在其兩側有邊頻出現(xiàn)，邊頻間隔分別為35.085Hz，與錐箱II軸的轉頻（34.603Hz）基本一致，說明22錐箱

II軸上的齒輪存在故障隱患。從圖8－11的時域波形中可以看出有輕微的周期性沖擊信號，沖擊周期為0.028S，相應頻率為(1/0.028=35.71Hz)，正好為22架錐箱II軸的轉頻(36.85Hz)一致，這表明問題就出在22架錐箱II軸的齒輪上。建議廠方立即對22架錐箱II軸上的齒輪Z5（31齒）進行檢查。事后復核

廠方于2006年11月份對拆卸下的精軋22架進行檢查，發(fā)現(xiàn)錐箱II軸上Z5(31齒)齒輪打齒（見圖8-12和圖8-13），與診斷分析結論相符。當時廠方曾進一步問過：估計是什么性質的故障，能否繼續(xù)生產(chǎn)？因為除了初期（9月14日及以后幾天）邊頻帶較寬，后期邊頻帶有所收窄，加上振幅并不很高。所以判定為出現(xiàn)較嚴重的斑剝。在工程上，齒輪出現(xiàn)點蝕、斑剝，廠方都會選擇繼續(xù)使用。整個10月都看著振幅緩慢上升，直到11月份，換軋鋼品種，才停產(chǎn)打開。因為是斜齒輪的緣故，所以振幅沒有像直齒輪那樣強烈。圖8－12圖8－13實例2：

2006年4月，宣化鋼鐵公司棒材廠10#軋機齒輪箱的振動有點異常。查看在線監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)的4月23日的頻譜圖（圖8－14）和特征頻率表。圖8－1410#軋機200604231200輸出端頻域圖形特征頻率表

特征頻率表8－2

分析：時域圖形有沖擊現(xiàn)象，但是圖8－14的頻域圖形中軸頻并不高，Z3/Z4齒輪的嚙合頻率出現(xiàn)了多次諧波，其3倍頻達到了7.80m/s2。邊頻窄，判斷為齒輪點蝕。序號故障信號頻率（Hz）計算特征頻率（Hz）振幅絕對誤差(Hz)相對誤差%可信度%故障部位及性質分析1236.3233.51.722.81.2090Z3/Z4嚙合頻率2472.74670.465.71.2290Z3/Z4嚙合頻率2倍頻3707.0700.57.806.50.93100Z3/Z4嚙合頻率3倍頻4943.49340.669.41.0090Z3/Z4嚙合頻率4倍頻51179.71167.51.1512.21.0490Z3/Z4嚙合頻率5倍頻61416.014010.40151.0790Z3/Z4嚙合頻率6倍頻實例3：

2006年4月，宣化鋼鐵公司棒材廠16#軋機齒輪箱的振動出現(xiàn)異常。查看在線監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)的頻譜圖（圖8－15、圖8－16）和特征頻率表8－3特征頻率表8－4。

圖8－1616#軋機2006004230300細化后的頻域圖形特征頻率表

特征頻率表8－3

特征頻率表8－4

由圖8－15可以看到Z3/Z4齒輪的嚙合頻率出現(xiàn)了3倍頻，并有多次諧波，最大振幅達到了12.95m/s2，基頻邊上出現(xiàn)了許多邊頻，為II軸軸承頻率，II軸軸頻14.3Hz在振動幅值0.24m/s2。在齒輪嚙合頻率（基頻和倍頻）邊上出現(xiàn)邊頻（II軸軸頻），這意味這齒輪有隱患。序號故障信號頻率（Hz）計算特征頻率（Hz）振幅絕對誤差（Hz）相對誤差%可信度%故障部位及性質分析1658.2657.812.950.40.06100Z3/Z4嚙合頻率21318.41315.610.552.80.21100Z3/Z4嚙合頻率2倍頻31976.61973.43.743.20.16100Z3/Z4嚙合頻率3倍頻中心頻率Hz邊頻Hz差值Hz特征頻率Hz性質分析658.2644.513.714.3（II軸軸頻）一次邊頻673.815.6一次邊頻628.929.3二次邊頻687.529.3二次邊頻617.241三次邊頻701.243三次邊頻診斷小結當齒輪嚙合頻率處及兩邊邊頻的振幅突現(xiàn)升高的情況下，有兩種可能的故障：齒輪故障、軸承故障。要區(qū)別這兩種故障，需看軸轉頻的振幅是否有升高，軸轉頻的振幅升高，意味著軸承故障。齒輪軸轉頻的振幅升高是由于軸承出現(xiàn)故障，軸芯空間位置不穩(wěn)定所造成當軸轉頻的振幅先升后降，降低時意味著軸承可能已經(jīng)出現(xiàn)解體。16#的II軸Z3/Z4齒輪可能存在嚴重磨損。第九章

電動機故障診斷電機的故障和診斷技術與電機的工作原理、運行方式、具體結構密切相關。無論是何種電機，其內部按能量轉換的原理分為三個環(huán)節(jié)（或稱系統(tǒng)）：電氣環(huán)節(jié)、磁耦合環(huán)節(jié)、機械環(huán)節(jié)。因為這三個環(huán)節(jié)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(huán)節(jié)的故障主要通過對電壓、電流的各種測量和分析來診斷，例如絕緣材料的老化，通過測量漏地電流來判定等等。9．1電動機類型特點與測定標準9．1．1電機的主要部件與電機類型一、電機的主要部件：

定子。是輸入電功率，產(chǎn)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(chǎn)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(huán)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。二、電機的類型與工作原理的區(qū)別電動機的兩個磁場均由直流勵磁產(chǎn)生，則為直流電動機；電動機的一個磁場由直流勵磁產(chǎn)生，另一個由交流電流產(chǎn)生。為使這兩個磁場相對靜止，直流勵磁磁場相對交流電產(chǎn)生的旋轉磁場必須嚴格同步，這就是同步電動機。電動機的兩個磁場分別由不同頻率的交流電流產(chǎn)生，則為異步電動機。9．1．2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(xiàn)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(guī)定。這種測定的目的：一是為了確定電機振動初始狀態(tài)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(guī)定；二是為以后電機異常振動的診斷提供初始的參照數(shù)據(jù)。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(qū)別。一．電機振動有關標準

GBl0068—88《旋轉電機振動測定方法及限值》（國家標準）

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》（國際電工協(xié)會頒布）

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》（國際標準化組織頒布）

VDI2056《機器的機械振動評價標準》(德國標準)二．電機振動的測定方法1．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(guī)定，對轉速為600～3600r／min的電機，穩(wěn)態(tài)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。2．對測量儀器的要求

(1)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％。

(2)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％。3．電機的安裝要求

(1)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。

(2)剛性安裝。對軸中心高超過400mm的電機，測時應剛性安裝。4．電機在測定時的狀態(tài)

電機的測振應在電動機空載狀態(tài)下進行。……圖9—1小型電機測點布置圖9—2端蓋軸承電機的測點布置圖9—3機座式軸承電機的測點布置三．電機振動的限值根據(jù)國家標準GBl0068．2-88《旋轉電機振動測定方法及振動限值》的規(guī)定，對不同軸中心高和轉速的單臺電機，在按GBl0068．1規(guī)定的方式測定時，其振動速度有效值應不超過表9-1的規(guī)定。表9—1電動機振動速度有效值的極限標準（mm／s）安裝方式彈性懸置剛性安裝軸中心高（mm）45≤H≤132132<H≤225225<H≤400H>400標準轉速r／min600≤n≤18001.81.82.82.81800<n≤36001.82.84.52.89．2電磁耦合系統(tǒng)的振動原理9．2．1交流感應電動機的電磁振動一、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，可以用下式表示：

（9—2）

由于磁通密度的作用力與磁通密度B的平方成正比：

（9—3）

根據(jù)上式可知基波電磁力具有以下特點：①頻率為電源頻率的兩倍，即2f=100Hz；②以正弦波規(guī)律在圓周上分布；③隨時間以角速度ω回轉。圖9—4基波電磁力分布基波電磁振動①空氣隙長度和磁路不平衡時；②一次電壓不平衡時；③轉子繞組不平衡(斷條和接觸不良)時。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(xiàn)出來。圖9—4表示了基波電磁力F的圓周方向的分布情況。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?；姶帕Σ粌H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。二、高頻磁通的槽振動由于槽的磁導率變化等原因，產(chǎn)生高頻槽振動，在它引起的槽齒諧波中，特別要注意的頻率成分是fk：

（9—4）

（9—5）

根據(jù)K值，電磁力的各階模態(tài)呈如圖9—5所示的形狀。這種電磁力是一種徑向力波(又稱旋轉波)，并且是單位面積上的力，當這些力波頻率以及其階次與定子對應的固有頻率及其模態(tài)階次接近或一致時，將發(fā)生共振效應，此時，電機的振動和噪聲將特別大。

圖9—5電磁力的各階模態(tài)高頻磁通的槽振動的頻譜例如，一臺四極電機，P=2，轉子的槽數(shù)ZR=40，定子槽數(shù)ZS=48，先計算其模態(tài)階數(shù)K：

K0=|ZR－ZS|=|40－48|=8

K1=|ZR－ZS＋2P|=|40－48＋4|=4K2=|ZR－ZS－2P|=|40－48－4|=12圖9—6是對這臺電機在距其一米的位置，用電容式傳聲器測試的聲音信號的頻譜。其中，fk0=1000Hz，fk1=1100Hz的頻率成分能明確地看出來，此時，前述的fk1=1100Hz是占主要的，而fk2=900Hz則看不出來。圖9—6交流感應電機（P=2，ZR=40，ZS=48）的聲音頻譜圖圖9—7電磁力F(x,，t)在圓周上的分布——振型模態(tài)9．2．2直流及同步電動機的電磁振動直流電動機的主磁極和轉子繞組之間作用著半徑方向的電磁力F(x，t)——這是振動的原因，它可用下式表示：

（9—6）

（9—7）

圖9—7電磁力F(x,，t)在圓周上的分布——振型模態(tài)這個力F(x，t)在空間上以余弦波cos(μZRx)在圓周上分布，圓周上具有的余弦波數(shù)根據(jù)μ的值如圖9—7所示分布。并保持這種分布形狀以槽角速度(μZRωr)旋轉，形成激振力引起定子振動。

定子根據(jù)μ的值產(chǎn)生伸縮模態(tài)、彎曲模態(tài)、橢圓模態(tài)、三角形模態(tài)而變形。直流電機主要的激振力與槽頻率

這個振動電磁力F(x，t)在時間上從式9—6第二項看，是用cos(μZRωrt)表示的余弦波，因此，作為振動頻率體現(xiàn)出的成份是下式的槽頻率。

（9—8）

直流電機主要的激振力為這個和其高次諧波。當槽數(shù)ZR=75，極對數(shù)2P=6時，

N=300rpm時，=375Hz；

N=1200rpm時，=1500Hz同步電機的電磁噪聲和振動頻率的特點對于同步電機的電磁噪聲和振動頻率，它有一個大的特點，就是與電網(wǎng)頻率成整數(shù)倍的關系。在同步電機中，有二類徑向力波引起的振動必須注意。其一是二倍電網(wǎng)頻率的振動；其二是定、轉子諧波磁場相互作用，而產(chǎn)生的徑向力波引起的振動。對于直流電動機的故障特征可以歸納為以下幾條：如果轉頻fr的振動很明顯，則有不平衡、軸彎曲等機械異常。如果2xfr振動明顯，則有不對中等安裝方面的異常。槽頻率fz以及邊頻帶fz±fr的振動明顯，則有包括電路異常的電氣故障的可能。如fz和fn接近，則設計不合理。高頻fc成分明顯時，線圈絕緣磨損或楔松動。圖9—8電磁振動發(fā)生機理a)2極電機定、轉子和磁通b)定子所受電磁力和旋轉力波c)旋轉磁場波形d)磁拉力變化波形e)電磁振動的波形9．3電動機的故障特征9．3．1定子異常產(chǎn)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(fā)生周期性的變形并產(chǎn)生振動。由于定子三相繞組產(chǎn)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(wǎng)頻率為f0，則同步速度n0=60f0/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。從圖9—8c)至e)中可以看出，當旋轉磁場回轉一周，磁拉力和電磁振動卻變化兩次。

電機磁場是以同步速度n0在旋轉，則其磁場交變頻率與電網(wǎng)頻率相同，為f0。而其電磁力的頻率和機座振動頻率由圖9—8b中可以看出，由于旋轉磁場的磁極產(chǎn)生的電磁拉力是每轉動一圈，電磁力交變P次。因電磁振動在空間位置上和旋轉磁場是同步的，定子電磁振動頻率應為旋轉磁場頻率(f0／P)和電磁力極數(shù)(2P)之乘積2f0，也就是2倍的電源頻率。由此可知，電機在正常工作時，機座上受到一個頻率為電網(wǎng)頻率2倍的旋轉力波的作用，而可能產(chǎn)生振動，振動大小則和旋轉力波大小和機座剛度直接有關。定子電磁振動異常主要原因及特點定子電磁振動異常的主要原因（1）定子三相磁場不對稱。如電網(wǎng)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(chǎn)生異常振動。（2）定子鐵心和定子線圈松動，將使定子電磁振動和電磁噪聲加大，在這種情況下，振動頻譜圖中，電磁振動除了2f0的基本成份之外，還可以出現(xiàn)4f0、6f0、8f0的諧波成分。（3）電動機座底腳螺釘松動，其結果相當于機座剛度降低，使電動機在接近2f0的頻率的范圍發(fā)生共振，因而使定子振動增大，結果產(chǎn)生異常振動。定子電磁振動的特征：

1）振動頻率為電源頻率的2倍；

2）切斷電源，電磁振動立即消失；

3）振動可以在定子機座和軸承上測得；

4）振動幅值與機座剛度和電機的負載有關。9．3．2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(chǎn)生的靜態(tài)不均勻；另一種是由于軸彎曲或轉子與軸不同心所產(chǎn)生的動態(tài)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，分述于下。（一）氣隙靜態(tài)不均引起電磁振動電動機定子中心與轉子軸心不重合時，定、轉子之間氣隙將出現(xiàn)偏心現(xiàn)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。從圖9—10a)中可以看出，由于通過氣隙最小點A的旋轉磁場頻率為f0／P，這時不平衡磁拉力將變化2P次，因不平衡磁拉力和電磁振動頻率為

。圖9—10靜態(tài)、動態(tài)偏心的電磁振動a)靜態(tài)偏心b)動態(tài)偏心c)動態(tài)偏心電磁力的拍振靜態(tài)氣隙偏心產(chǎn)生的電磁振動特征是：

1）電磁振動頻率是電源頻率f0的2倍，即f=2f0；

2）振動隨偏心值的增大而增加，與電動機負荷關系也是如此；

3）氣隙偏心產(chǎn)生的電磁振動與定子異常產(chǎn)生的電磁振動

較難區(qū)別。（二）氣隙動態(tài)偏心電磁振動電動機氣隙的動態(tài)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，如圖9—10b)所示。氣隙動態(tài)偏心產(chǎn)生電磁振動的特征是：

1）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(xiàn)。

2）電磁振動以1／(2sf0)周期在脈動，因此，在電動機負載增加，s加大時，其脈動節(jié)拍加快。

3）電動機往往發(fā)生與脈動節(jié)拍相一致的電磁噪聲。9．3．3轉子導體異常引起的電磁振動

籠型異步電動機因籠條斷裂，繞線型異步電動機由于轉子回路電氣不平衡，都將產(chǎn)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(tài)偏心的情況相同，其發(fā)生的機理如圖9—11所示。圖9—11轉子繞組不平衡引起的電磁振動a)發(fā)生振動的機理b)電磁振動波形轉子繞組異常引起的電磁振動的特征

1）轉子繞組異常引起電磁振動與轉子動態(tài)偏心所產(chǎn)生的電磁振動的電磁力和振動波形相似，現(xiàn)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(tài)偏心的高頻為2f0／P，轉子繞組異常的高頻為2(1－s)f0／P。

2）電動機負載增加時，這種振動隨之增加，當負載超過50％以上時較為顯著。

3）若對電動機定子電流波形或振動波形作頻譜分析，在頻譜圖中，基頻兩邊出現(xiàn)±2sf0的邊頻，根據(jù)邊頻與基頻幅值之間的關系，可判斷故障的程度。圖9—12正常的電流頻譜圖圖9—13一根斷條時電流頻譜圖(滿載)9．4電動機故障診斷案例一．大電機燒損原因分析武鋼某廠ZR1軋機右卷2＃電機系日本原產(chǎn)，76年投產(chǎn)使用已服役27年，最后一次修理是2001年由某電機修理廠完成。2003年2月11日凌晨

3:24～3:30，該設備發(fā)生繞組燒壞的突發(fā)事故。電動機的調速控制系統(tǒng)本身具有過流、接地、失磁等保護裝置和記錄電流電壓波形的筆式記錄儀，事故發(fā)生時無報警、無跳閘動作，且電流記錄紙上也未見異常波形，而在試運行的振動在線監(jiān)測系統(tǒng)上卻有明顯的波形突變。1）振動數(shù)據(jù)分析故障發(fā)生前振動波形如圖9—14、圖9—15所示，從圖上可以看到：振動特性曲線劇烈跳動，表明電機的電動力矩產(chǎn)生了劇烈的波動，這是由轉子繞組局部短路所致。圖9—14右卷液力偶合器振動時域圖圖9—15右卷2＃電機振動時域圖2）電量狀況分析

根據(jù)直流電機監(jiān)測系統(tǒng)提供的電壓與勵磁電流監(jiān)測結果，可以得知：1)電機電壓幅值41.3V，平均值28V，工作電壓不高，過電壓擊穿的可能性不大。2)軋第三道時的線速度為每分鐘200米左右，不存在機械轉速超高，離心力過大造成的破壞。由圖9—19可知，激磁電流為35A，也不存在失磁超速的可能性。故障原因分析因此，初步判斷該電機故障與下列因素有關：電機使用年限較長（27年），絕緣材料老化。超過額定電流工作的情況時有發(fā)生，加上武漢地區(qū)夏季環(huán)境溫度高，致使電機處于較高溫升下工作，加速了絕緣的老化，雖然發(fā)生事故時不在夏天，但早已留下隱患。歷史上的檢修施工可能受到外力損傷。進風口有可能吸入細小的金屬物，損壞絕緣。該電機停機檢修后發(fā)現(xiàn)，故障點位于轉子的非整流子端。雖然電機的轉子、定子都受到不同程度的損壞，但轉子要嚴重得多，短路首先由轉子引起，燃起的電弧傷及了定子。從燒損的情況看，繞組元件的端部連接頭套并未燒熔，同時電樞槽口的絕緣楔條并未燒掉，因此短路點不應在線槽之內，而應在槽口與元件的焊接頭之間的無緯帶下面兩個迭繞元件上下層交迭處。二．電機轉子斷條故障診斷

圖9—20設備及測點布置

2003年，寶鋼原料皮帶輸送機的某臺電機出現(xiàn)異常聲響，危及寶鋼正常生產(chǎn)的原料供應。該電機為4極鼠籠式異步電動機，同步轉速為1500rpm，電機轉頻約25Hz。圖9—21電機振動頻譜圖9—22電機振動時域波形振動波形與頻譜分析現(xiàn)場檢查時發(fā)現(xiàn)電機振動在一定范圍內波動，最大振動是徑向方向，振幅為1.7mm/s～4.4mm/s。可聽見明顯呈周期性的嗡嗡聲，初步判定該電機可能存在電氣故障。在對記錄的頻譜進行分析的過程中首先看到的是在頻域信號中主要以電機轉頻為主振動能量及諧頻組成，這是有些類似回轉部件間隙不良的典型頻譜(如圖9—21所示)。但問題似乎沒有如此簡單，在時域信號中可發(fā)現(xiàn)有調制的成分存在，并可以看到明顯的“拍”波存在(如圖9—22所示)，如果只是單純的間隙不良在時域信號中應該不會存在這樣的波形。

在圖9—21電機振動頻譜圖中，可見轉頻f0（≈25Hz）及2×f0（50Hz）、3×f0（75Hz）、4×f0（100Hz）諧頻成分。細化頻譜圖

從f0、2f0、3f0、4f0為中心的細化頻譜圖中，看到在這些轉頻及諧頻的周圍存在邊頻帶。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)這些頻率的間隔均為0.18725Hz。a)以f0為中心的細化譜b)以2f0為中心的細化譜c)以3f0為中心的細化譜d)以4f0為中心的細化譜圖9—23細化頻譜圖現(xiàn)在我們解釋一下0.18725Hz頻率的來源。由于該電機為異步電機，所以在正常工作時應該存在轉差速度，即電機的實際轉速應略低于其同步轉速，當電機的負載越大其轉差速度越大。我們在現(xiàn)場實際測試轉速為1488rpm左右，與電機的同步轉速相差在12轉左右，其所差的頻率應該在0.2Hz左右，由于儀器分辨率的限制，我們分析得到的頻率即為該電機的轉差頻率。在圖9—23中為我們展示了一系列形狀很好的轉差頻率通過邊帶，并很明顯地出現(xiàn)在l倍、2倍、3倍和4倍轉頻周圍，這些頻譜都預示了轉子的導條裂縫、破碎、短路環(huán)故障或疊層短路。診斷結論及建議在這個案例中可以看到在1～4倍的轉頻中均出現(xiàn)較多的轉差頻率，而且電機的振動值波動范圍較大在1.7mm／s～4.4mm／s，上海電機廠給寶鋼監(jiān)測振動的速度標準值為2.8mm／s，上述情況說明該電機已經(jīng)出現(xiàn)了較為嚴重的導條故障——斷裂。

檢修結果將電機送至寶檢公司電修車間進行檢修時發(fā)現(xiàn)該電機轉子共有14根導條斷裂。證明了判斷的準確性。三．同步電動機振動診斷

某軋鋼廠一變流機組，同步電動機功率1250kW、8極、750r／min，電網(wǎng)頻率50Hz，其負荷為一直流發(fā)電機，功率為1050kW。該機組投產(chǎn)后，同步電動機軸承振動一直較大，幾次檢修沒有找到原因，未見效果，決定對其進行一次振動診斷。圖9—24同步電動機組振動診斷a)現(xiàn)場測試布置b)振動分析框圖現(xiàn)場檢測結果

現(xiàn)場檢測結果，發(fā)現(xiàn)振動值較大的部位是1#軸承水平徑向振動，2#軸承三個方向的振動。其余各測量點的振動值均較小，小于1.6mm／s。測得各點的振動速度如下：測點2：1#軸承水平徑向4.0mm／s。測點4：2#軸承垂直方向6.5mm／s。測點5：2#軸承水平徑向4.2mm／s。測點6：2#軸承軸向

11.5mm／s。(已超過允許標準11.2mm／s)

其余測點：<1.6mm／s三維轉速譜分析

圖9—25是測點6的轉速譜圖，從圖中第一條曲線可以看出，當轉速750r／min時，由于未切斷電源，有交變電磁場存在，50Hz（即4倍旋頻率4fr）處振動幅值最大，達8.93mm／s，斷電后，此分量幅值衰減很快，當轉速降至645r／min時(4fr=43Hz)，其幅度已降到了0.25mm／s，可以說明該頻率分量的振動是電磁原因引起的。圖9—25測點6（軸向）轉速譜診斷結論1）同步電動機振動主要是電氣原因引起的，其表現(xiàn)為軸向四倍頻率和水平徑向2倍頻振動較大，而在切斷電源后，

很快消失。應檢查定子繞組是否對稱，磁極繞組是否存在匝間短路，氣隙是否均勻。2）轉子存在較大的不平衡，具有較大的旋轉頻率成分，應

作一次動平衡校正。3）同步電動機的振動是由自身的機械不平衡和電磁原因激振引起的，與負載直流發(fā)電機沒有關系。四．立式電動機振動診斷

一臺驅動水泵用立式230kW、12極異步電動機、轉速585r／min，電網(wǎng)頻率50Hz。電動機與水泵采用延伸軸連接，中間用一個彈簧聯(lián)軸節(jié)，可以軸向伸縮，電動機與水泵的布置如圖9—27a)所示。圖9—27立式電動機的振動診斷a)電動機與水泵的布置b)振動規(guī)律c)水平方向三維譜圖振動分析1．振動的征狀和規(guī)律電動機在起動后，振動很小，但隨著運行時間的延長，電動機上部軸承的水平方向振動逐步增加，其幅值是不穩(wěn)