电机轴轴向、径向窜动检测装置研究

1、1 概 述1.1 电机运行中故障的诊断电机和所有的机器一样，在运行过程中有能量、介质、力、热量、磨损等各种物理和化学参数的传递和变化，由此而产生各种各样的信息。这些信息变化直接地反映出系统的运行状态，而在正常运行和出现异常时，信息变化规律是不一样的，电机的诊断技术是根据电机运行时不同的信息变化规律，即信息特征来判别电机运行状态是否正常。电机故障诊断过程应包括异常检查、故障状态和部位的诊断、故障类型和起因分析三部分。在这里我们主要是对电机轴轴向径向窜动对电机的影响与检测方法的研究。1.2电机轴窜动的原因这里简单分析一下电机轴窜动的原因，影响电机轴窜动的因素是多种多样的。譬如，定转子铁心棱形，长短超差较大，压入尺寸有误，错位严重等除影响电机电气性能之外都会使电机轴发生轴向窜动。转子存在较大轴向游移、空间地基不平或同心度差致使转子轴向倾斜也会使转子发生窜动的现象。另外，电机轴的窜动也与机器设计、构造方面的缺点及使用程度有关，如 轴对中不好，连接不良，定中心不准。 联轴器不平衡，负载机械不平衡，系统共振等。而这些原因往往是由制造厂带来的。轴瓦巴氏合金脱层、龟裂，轴承与轴瓦安装间隙不合适，瓦壳在

2、轴承座中松动，轴承动态性能不好，发生半速涡动或油膜振荡等这些轴承缺陷方面的原因，都能造成电机轴的窜动。如电机受到自身的、风路的或电磁的轴向作用力时，若转子存在较大的轴向位移空间，转子也可发生窜动的现象。实验证明，内风扇直径减小，窜动量减小，内风扇直径增大，窜动量也增大。由于机器损伤或过度磨损，也会引起电机轴的振动。根据电机的制造原理及结构和运行特性，可从以下几方面分析电机轴窜动的原因。1）定子铁芯对转子与定子间作用的响应电动机的定子通过三相电流产生旋转磁场，闭合的转子绕组(鼠笼条) 在旋转磁场的作用下因产生拖动性的电磁转矩而旋转，此时定子绕组会受到相应的电磁力作用，该电磁力是电流分布、气隙与端部磁场分布的函数。当电流分布改变时，产生作用力的谐波分量也会改变，而当其频率与定子铁芯固有振荡频率相近时，就会产生电机轴的窜动。对发电机而言，在不对称负载时，会出现负序电流，产生有害的交变力矩作用，在转轴及定子机座上，引起频率为100 Hz 的振动。另外，定子绕组在定子铁芯槽内受到多种机械力作用，线棒通过电流时，线棒本身及上下层线棒间和相邻槽内线棒的端线间会产生100 Hz 的交变电磁力，若线棒在

3、槽内固定不好，将使线棒向槽壁压紧，并产生共振。2 ）定子端部绕组对作用在绕组导体上电磁力的响应电机端部绕组的结构布局呈“喇叭”状，其刚度较低，而柔性较大，运行中由于转子绕组端部漏磁场的作用，定子绕组端部和转子间会产生作用力，其方向是把定子绕组向外推。由于漏磁场的存在，定子绕组和铁芯之间产生的电磁力把端部绕组推向铁芯。而在端部线棒之间，当同相相邻两线棒电流同方向时，其相互作用力使它们相互挤压靠拢；而当隔相相邻线棒流过的电流方向相反时，则两线棒互相推开，在上下层绕组端部之间产生径向电磁力，而此作用力作用在端箍和绑绳上使绕组端部产生振动。3 ）转子动力学分析电动机转子一般为鼠笼式或绕线式，又可分为刚性转子和柔性转子。刚性转子可以看成是一个等值的偏心质量绕轴旋转，而柔性转子一般是细长直径受到限制的发电机转子。刚性转子：当转子在高速下旋转，由于离心力作用发生中心偏移，会产生磁通气隙不均匀，感应电流大小、方向不规则，产生的电磁力大小也不同。电机转子笼型绕组除了承受热应力、电磁力和离心力外，还受到加速和制动时所产生的切向应力，在导条伸出槽口部分受到切向力而产生弯矩，很容易造成转子鼠笼条发生断条，从而

4、产生电机的振动。 柔性转子：在汽轮发电机中转子特别长且直径相对较小，发电机转子与汽轮机转子联结后，构成弹性- 惯性扭转振动系统。而发电机与锅炉、汽轮机、电网相互关联，因此会产生强迫扭振，这种振动可能是电气原因造成的，也可能是机械系统造成的。例如:并联运行的发电机，当机组与系统(电网) 并列时，频率不等会出现拍振电压，产生拍振电流，其有功分量对发电机而言时正时负，制动转矩和驱动转矩交替出现，作用在转子上使发电机产生振动。电机转子一般和机械负载连接，当机械负载的转轴中心与电机转子中心不正(即偏心) 时，会产生单边磁拉力造成电机转子受力不均而发生振动。另外，电机转子振动也与支撑它的轴承特性有关(大多数电机的轴承可看成是硬性轴承)。4）轴承振动分析在电机运行中，作用在轴承上的力将引起轴承座与转子的相对振动和轴承座本身的绝对振动，这种作用无论是滚动轴承还是滑动轴承都会发生。滚动轴承：由于结构上的原因，滚动轴承产生一种固定频率的振动，由于它的油膜很薄，转子轴和轴承座之间的相对位移很小，除固定频率外还可能存在着由于滚动轴承本身的弹性变形所引起的更高频率的振动，以及轴承内外圈的自振频率振动，还有因轴承

5、磨损而发生的不规则振动。滑动轴承：在滑动轴承中，轴是由高压油泵打进来的润滑油膜所支撑的，而润滑油膜由轴的传动带入到轴与轴承之间形成的，当油膜不稳定时会导致润滑油的涡动和起泡，使轴承产生非正常的反应。而产生油膜不稳定的因素很多，如负载不稳定、转轴中心不正等都会造成油膜不稳定的变化。合理的装配方法及正常的电机操作是解决这个问题的关键所在。适当改变轴承结构零部件的尺寸公差配合，减小装配间隙，可以减小电机轴的窜动。我们知道，热胀冷缩是物质的共性，电机在热态运行时其零部件发生热膨胀的现象是不可避免的。假定轴承内圈、甩水环、甩油环与电机轴的配合是紧密的，在热态运行时不会发生与轴松脱滑动的现象，那么电机轴的最大窜动量便是轴承在轴承内外盖止口之间的装配间隙与球轴承轴向游隙之和，约为01.35mm。一般情况下，电机轴轴向移动最大位移为2.50mm，径向窜动的最大位移为3.15mm。1.3 电机轴窜动检测的意义 机械化大生产出现以后，越来越多的机器设备投入了运行，流程化生产线的出现更使设备检查和维修成为生产活动不可或缺的一个环节。随着生产的发展，生产装备更为先进和现代化，其标志主要是大型化，高速化，连续化

6、和自动化，设备也变得更加精密和复杂，设备故障造成的经济损失也越来越大，所以设备的检测方法也越发显得重要。 随着科学技术的发展，电机已应用现代社会的工业生产的各个方面，对社会各个方面的发展起着不可估量的作用。因此，我们有必要对电机运行的状态进行监控。在所有与电机状态有关的故障征兆中，电机振动测量是最具有权威性的。它能反映电机所有的损坏，并易于测量。从转子动力学、轴承学的理论上分析，电机的运行状态，主要取决于其核心转轴，所以电机轴的正常转动是电机安全运行的一项重要指标。过大的电机轴轴向、径向位移都将会引起过大的电机机构损坏。因此对电机轴的轴向位移、径向位移这两个量进行实时监测可以对电机运行状态进行分析、判断。近年来，随着电机生产数量逐年增多，反映出的质量问题也越来越多，其中主要是转子轴向窜动量较大影响配套设备的正常使用，同时对电机自身轴承损坏也较大，因此对电机轴轴向和径向窜动的检测方法的研究意义十分重大。另外，电机日益增多，生产过程也日趋复杂，对电机的一些重要和关键的部位和项目进行连续监测，可以获得显著的效益，具体说有一下几个方面：1) 减少突发事故造成的停产损失；2) 减少维修次数和维修成本；3) 减少备件投资；4) 提高作业率与设备服役寿命；5) 可实现有计划的停机检查；6) 减少人员伤亡；7） 优化人员配置。1.4电机的轴向位移和径向位移检测的研究现状1.4.1电机轴轴向位移和径向位移的监测方法研究电机的检测主要是在线检测。目前，电机轴轴向位移和径向位移的监测方法有以下两种比较普遍的方法：1) 电机轴轴向位移和径向位移的总均方值的监测电机轴轴向位移和径向位移的总均方值监测一直是最通用的监测方法。测取在预选带宽之间内振动的总均方根是最简单的方法。通常带宽为10HZ1KHZ，或者为10HZ10KHZ，这项技术，经过多年的应用，已经积累了大量有关电机故障的统计资料，并且公布了旋转振动的推荐标准。标准规定：当振动强度的变化量达到8dB及以上时，应加强监视；当振动强度变化量超过20dB时，则必须进行检修。如经频谱分析表明，上述振动强度的变化是由高频

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