姚東紅，蘇俊博

（91370 部隊，福建福州 350014）

0 引言

軸承的游隙對軸承的動態(tài)性能（噪聲、振動和摩擦）和旋轉(zhuǎn)精度，使用壽命（磨損與疲勞）及承載能力都有很大影響。我國國家標準規(guī)定的軸承的游隙值分為小游隙組（C1、C2 組）、基本組（0 組）和大游隙組（C3、C4、C5 組）。大游隙組適用于軸承與軸和外殼采用過盈配合、軸承內(nèi)外圈溫差較大，深溝球軸承需要承受較大軸向負荷或需改善調(diào)心性能，以及要求提高極限轉(zhuǎn)速和降低軸承摩擦力矩等場合。大游隙軸承電機在船舶上具有一定的應用，如某型船舶舵機電機應用了一種大游隙軸承電機。在使用MCA（電機靜態(tài)監(jiān)測）技術(shù)對該電機進行技術(shù)狀態(tài)監(jiān)測時，監(jiān)測結(jié)果顯示多艘該型船舶舵機電機阻抗和電感均處于不平衡狀態(tài)，不平衡量達到了規(guī)定的預警值。通常同型電機同時發(fā)生相同故障的概率較小。除電機故障外，電機設(shè)計缺陷以及監(jiān)測方法的不適用均可能導致這樣的監(jiān)測結(jié)果，因此，研究該型電機阻抗和電感不平衡的原因以及適用的監(jiān)測方法，對該型電機的故障診斷具有重要意義。

1 MCA 監(jiān)測及分析

MCA 分析技術(shù)在20 世紀80 年代中期產(chǎn)生于西方工業(yè)發(fā)達國家，通過測量記錄電機繞組的電阻、阻抗、電感、相角、I/F 倍頻值以及絕緣阻值等參數(shù)并做進一步的處理分析，從而使維修管理人員能夠預測和判別電機的故障情況，以減小可能的危害損失。表1 是利用電機故障檢測儀對該型船舶舵機電機進行檢測得到的結(jié)果，表2 是在IEEE 標準中電機三相平衡評判標準。

從IEEE 電機三相平衡評判標準可知，標準沒有將電阻平衡量作為評判標準，是因為某些大電機繞組阻值非常低，初期匝間短路導致電阻值的變化較小，以至于使用電阻測量無法精確地檢測故障，但由此產(chǎn)生的電感失效可通過阻抗和電感測量真實地反映出來[1]。對比標準可知，阻抗的不平衡量＞5%，處于故障狀態(tài)，電感的不平衡量＞10%，處于缺陷狀態(tài)。綜合以上結(jié)果，可以判斷該電機處于故障狀態(tài)。而相角和倍頻測試結(jié)果無異常，可進一步定位該電機存在的故障為轉(zhuǎn)子故障。在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，多艘同型船舶舵機電機的監(jiān)測結(jié)果均顯示轉(zhuǎn)子故障，這樣的結(jié)果顯然是不正常的。

表1 MCA 監(jiān)測結(jié)果

表2 電機三相平衡評判標準

2 振動測試分析

MCA 監(jiān)測顯示該電機轉(zhuǎn)子故障，尤其指向轉(zhuǎn)子偏心引起的氣隙不均問題。電機氣隙不均問題會在電機振動上有所體現(xiàn)，為排除電機轉(zhuǎn)子存在偏心問題，對該電機進一步進行振動測試。舵機電機軸伸端振動測試結(jié)果見表3。從振動數(shù)據(jù)可以看出，該電機振動非常小，基本可以排除轉(zhuǎn)子偏心故障。

3 ESA 測試及分析

為對分析結(jié)論進行進一步驗證，對該型電機進行ESA（Electrical Signal Analysis，電子信號分析）測試。ESA 是一種電機動態(tài)監(jiān)測技術(shù)，能夠通過在線測試，及時準確地發(fā)現(xiàn)電機故障，又由于該技術(shù)需要的電壓、電流信號容易取得，因此該技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用。

表3 振動測試結(jié)果

3.1 ESA 測試的氣隙指示

電機氣隙問題根本上是由電機轉(zhuǎn)子的偏心引起的，在電流、電壓頻譜上反映在頻譜的高頻段。當電機轉(zhuǎn)子在定子的中心旋轉(zhuǎn)，不存在偏心；當轉(zhuǎn)子繞著與定子中心平行但偏離定子中心的軸旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生靜態(tài)偏心；當轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而變化時，產(chǎn)生動態(tài)偏心。理論上靜態(tài)偏心將導致譜峰：

動態(tài)偏心區(qū)別于靜態(tài)偏心，是在靜態(tài)偏心的峰周圍存在轉(zhuǎn)速頻率邊帶，動態(tài)偏心頻譜峰為：

其中，RS 是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻，RB 是轉(zhuǎn)子條數(shù)，F(xiàn)L 是電源頻率，N是奇數(shù)，M 是任意整數(shù)。

3.2 ESA 測試結(jié)果及分析

采用Areva NP，Inc.公司的EMPATH2000 電機故障診斷儀，對上述舵機電機進行動態(tài)測試，采集電壓、電流信號得到的電壓電流信號頻譜如圖1 和圖2 所示。

圖1 電壓信號頻譜

圖2 電流信號頻譜

一般情況下，轉(zhuǎn)子條數(shù)或定子槽數(shù)很少知道，這樣就不可能計算RS×RB，但是EMPATH 中的算法可確定轉(zhuǎn)子條數(shù)，因此，偏心引起的譜峰就可以在頻譜的高頻譜峰中查找。EMPATH 測試結(jié)果中顯示轉(zhuǎn)子條數(shù)為56，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻為24.991 Hz，RS×RB＝1399.5 Hz。從圖1、圖2 中可以發(fā)現(xiàn)電壓和電流頻譜中均存在1399.5 Hz 頻率譜峰及邊帶，但并不能說明電機一定存在偏心問題，因為電機實際工作狀態(tài)下，完美的不偏心狀態(tài)并不存在，因此電壓和電流頻譜中均存在RS×RB 頻率譜峰及其邊帶。觀察1399.5 Hz 頻率譜峰及其附近邊帶，可以發(fā)現(xiàn)其幅值均在-65 dB（EMPATH 軟件設(shè)定閾值）以下，由此可以判定該電機在偏心問題上沒有表現(xiàn)出明顯異常。EMPATH 軟件的自動診斷結(jié)果也驗證了這一結(jié)論，EMPATH 軟件的自動診斷結(jié)果如圖3 所示。從圖3 中可以看出，該電機除因空載狀態(tài)下測量導致的負載太低外，并未顯示其他故障，其氣隙項“Air gap”顯示“OK”，表明該電機不存在氣隙不均問題。

經(jīng)與該電機廠家維修人員溝通得知，該型舵機電機采用了C3 大游隙軸承，由此MCA 監(jiān)測結(jié)果可以得到合理的解釋。靜態(tài)下電機轉(zhuǎn)子軸心位置顯然低于軸承中心位置，造成輕微的氣隙不均，一般情況下，這種輕微的氣隙不均不會對阻抗和電感的測量產(chǎn)生明顯影響，但大游隙軸承電機加劇了電機氣隙不均現(xiàn)象，對阻抗和電感的測量產(chǎn)生了明顯的影響，最終使監(jiān)測結(jié)果指向電機轉(zhuǎn)子故障。綜上所述，MCA 技術(shù)不適用大游隙軸承電機的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。電機處于工作狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動可以顯著減少這種由軸承大間隙帶來的轉(zhuǎn)子偏心問題，因此ESA 技術(shù)可以克服上述影響，準確地對大游隙軸承電機進行技術(shù)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。

圖3 EMPATH 自動診斷結(jié)果

4 結(jié)論

針對采用MCA 技術(shù)對大游隙軸承電機進行技術(shù)狀態(tài)監(jiān)測時出現(xiàn)的阻抗和電感不平衡的問題，對該型電機進一步做振動測試分析和ESA 測試分析，得出以下結(jié)論：MCA 靜態(tài)測試技術(shù)不適用于大游隙軸承電機的技術(shù)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，而電機處于工作狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動可以顯著減少這種由軸承大間隙帶來的轉(zhuǎn)子偏心問題，因此使用ESA 動態(tài)測試技術(shù)能夠準確地對大游隙軸承電機進行技術(shù)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。