电动机联接性故障诊断方法及其应用.pdf

第 4 3卷 第 4期 2 0 1 7年 4月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Au t oma t i o n Vo 1 ． 4 3 No ． 4 Ap r ． 2 0 1 7 ． ⋯ ◆ ◆ ⋯ 经 验 交 流 ． ◆⋯．⋯ ． ． ◆ 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 4 0 0 7 7 ～ 0 5 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 ． 0 4 ． 0 1 8 马海龙 ， 王军． 电动机联接性故障诊断方法及其应用E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 4 7 7 8 1 ． 电动机联接性故障诊断方法及其应用 马海龙 ， 王 军 1 ． 北京天地龙跃科技有限公司，北京 1 0 0 0 1 3 ； 2 ． 甘肃省安全生产科学研究院，甘肃 兰州 7 3 0 0 0 0 摘要 针对 电动机 联接 性故 障特征 识 别 困难 的 问题 ， 阐述 了不对 中故 障 、 联接 螺栓 松 动故 障 、 基 础 刚度 不 足故 障 这 3种 典型 电动机 联接性 故 障的数 学模 型及 其频 谱特 征 ， 提 出 了利 用 经验模 式分 解 方 法对 电动机 的 振动 信 号进行 滤波 处理 ， 根 据故 障特征 频 率得 出诊 断结果 。现 场应 用结果 验证 了该 方法 的有 效性 。 关键 词 电动机 故 障 ； 联 接性 故障 ；不 对 中 ； 螺 栓松 动 ；基础 刚度 ；经验模 式分 解 中 图分 类号 TD 6 7 文献标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 7 0 3 2 8 1 7 3 5 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 7 0 3 2 8 ． 1 7 3 5 ． 0 1 8 ． h t ml Co nn e c t i v i t y f a u l t d i a g no s i s me t ho d o f mo t o r a nd i t s a p p l i c a t i o n M A Ha i l o n g ． W ANG J u n 1 ． B e i j i n g Ti a n d i L o n g y u e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ， B e i j n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ； 2 ． Ga n s u S c i e n t i f i c Re s e a r c h I n s t i t u t e o f S e c u r i t y P r o d u c t i o n，L a n z h o u 7 3 0 0 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t I n vi e w of pr ob l e m t ha t c on ne c t i v i t y f a u l t f e a t u r e o f m o t o r wa s i d e n t i f i e d di f f i c ul t l y，o n t he b a s i s o f m a t he ma t i c m o d e l s a n d s p e c t r um c h a r a c t e r i s t i c o f mo t o r c on ne c t i v i t y f a ul t s r e p r e s e nt e d by mi s a l i gn me nt ，l o os e n e s s a nd b a s e s t i f f ne s s ，e m p i r i c a l mod e d e c o m p os i t i o n m e t ho d wa s p r o po s e d t o p r oc e s s v i b r a t i o n s i gna l o f m o t o r ． Di a g no s i s r e s ul t i s g o t t e n a c c or d i ng t o f a ul t f e a t u r e f r e q ue nc y． The f i e l d a p pl i c a t i on r e s u l t s v e r i f y e f f e c t i v e n e s s o f t he m e t ho d． Ke y wo r d s mo t o r f a ul t ；c o nne c t i vi t y f a ul t ；mi s a l i gn m e nt 9’l o os e ne s s ； b a s e s t i f f n e s s；e mpi r i c a l mod e de c o mp os i t i on 0 引 言 电 动机 为煤 矿 设 备提 供 原 动力 ， 保 证 了煤矿 生 产 的有效 进行 。 因此 ， 对 电动机 运 行 状 态 进行 监 测 及诊断具有重要 的现实意义。电动机的常见故障可 概括为 2 个方面 一方面是电动机 自身的故障 ， 如电 动机轴承故障、 电动机转子不平衡、 电动机匝间短路 等 ； 另一方面是 电动机 的联接性故 障。电动机 的联 接性故障是指电动机与其相联接设备 之间的故障 ， 主要 包括 电动 机轴 伸 端不 对 中 、 电动 机 与底 座 的联 接螺 栓松 动 、 电动 机 基础 刚度 不 足 等 。对 于 电动 机 联接性故障， 众多学者进行 了深入研究。文献E 1 ] 利 用 振 动 信 号 的 概 率 密 度 和P C A P r i n c i p a l C o mp o n e n t An a l y s i s ， 主成分分析 相结合的方法 ， 分析了联接螺栓松动特征 和识别方法。文献[ 2 ] 将 信息融合技术引入联接螺栓松动的识别中， 同时采 用基 于熵度 量 的无 监督 特 征 约 简 法 ， 获 得 了很 高 的 故障诊断准确率 。文献E 3 3 建立 了联接螺栓松动的 力学模型并进行 了仿真实验研究。文献[ 4 3 建立 了 在不 对 中状 态下 联轴 器外 壳质 心及 啮合 线 的运动 方 程 ， 提供了齿式联轴器不对 中故障识别的理论依据 。 鉴于煤矿环境恶劣、 各种噪声大且繁杂信号特 收稿 日期 2 0 1 7 - 0 2 0 8 ； 修 回日期 2 0 1 7 0 3 1 6 ； 责任编辑 盛男 。 基金项 目 天地科技股份有限公司故障诊 断专项基金项 目 2 0 1 4 一 TD GZ Z D- O 1 。 作者简介 马海龙 1 9 8 1 一 ， 男 ， 辽宁鞍山人 ， 工程师 ， 硕士 ， 主要从事旋转 机械设备故障诊断方面的工作 ， E ma i l mh l d r a g o n 1 6 3 ． t o m。 7 8 工矿 自动化 2 0 】 7年 第 4 3卷 征难 以提 取 的特点 ， 本 文 系统 阐述 电动 机 联 接 性故 障 的数学 模 型及频 谱 特 性 ， 并 将 经 验 模 式 分 解 方 法 应用于电动机故障特征提取中。 1经验模 式 分解 经验模式分解方法假设任何一个信号都可以被 分解为若干个基本模式分量与一个余项之和。基本 模式分量必须满足以下 2个条件 1 在信号 中 ， 极值 点 包 括极 大 值 点 和极 小值 点 的数量 N 与过零点的数量 N 必须相等 ， 或 最 多 相差 1 ， 即 N 一 1≤ N ≤ N 1 1 2 在任一时间点 t ， 信号局部极大值确定 的上 包络 线 f ⋯ t 和 局 部 极 小 值 确 定 的下 包 络 线 厂 ⋯ 的均值 为 0 ， 即 E l m z f m 。 3 ／ 2 0 2 对信 号 进行 经验 模式 分解 的过 程 1 确定 原 始 时 间 序 列 ．z 的 所 有 局 部 极 值 点 ， 然后 将 所 有 极 大 值 点 和 所 有 极 小 值 点 分 别 用 1条 曲线 连接 起来 ， 得 到 z 的上 、 下 包 络线 ， 记 上 、 下 包络 线 的均值 为 re t 。 2 用 原 始 时 间 序 列 z 减 去 包 络 线 的均 值 re t ， 得 到 h f 一．7 8 一1 7 2 ， 检 测 h 1 ￡ 是 否 满 足基 本模 式分 量 的 2 个 条件 。如果 不满 足 ， 将 h 。 ￡ 作为待处理数据 ， 重复步骤 1 ， 直至 h 是一个基 本模 式分 量 ， 记 f 。 一h ￡ 。 3 用原始时间序列 z 分解 出第 1个基本模 式分量 f l 后， 用 z ￡ 减 去 f ， 得 到剩余值序 列 z ￡ z ￡ 一f ， 将 z ￡ 当作一个新的“ 原 始序列” ， 重复上述步骤 ， 依次提取 出第 2 、 第 3 、 ⋯、 第 N ～ 为 基 本 模 式 分 量 个 数 个 基 本 模 式 分 量 f z ， f ￡ ， ⋯ ， f ￡ 。最后 剩下 原 始 信 号 的余 项 r 。 在 经验 模 式 分 解过 程 中 ， 最 先 分 解 出 的是 高 频 信号 ， 然后依次分解 出变化较慢 的低频信号。从滤 波的角度来看， 经验模式分解就是一个 自适应 的滤 波 过程 。 ] ， 输 出 的滤波 信 号为 ￡ 一∑厂 ￡ 3 J l 式 中 z ， h ∈[ 1 ， N] 。 根据 z ， h取值不 同， 可分别实现带通滤波、 高通 滤波 和低 通 滤波 。 2 电动 机联 接性 故 障模型 2 ． 1 不对 中故 障 由于 电动机 安装 误差 、 承 载后 变形 、 基础 不 均匀 沉降及联轴器磨损等原因造成的机组各转子轴线之 问产生 平行 位移 、 角 度位移 和 综合位 移 ， 统称 为不 对 中故 障 。 电动机 出 现 平 行 不 对 中 时 ， 电 动 机 轴 伸 端 受 力 如图 1所示 。 a 平行不对中示意 b受 力 简 化模 型 图 1 平行不 对中时轴伸端受力 根 据 图 1可得 l F 一 F s i n ∞ 一 掣s in 2 U z j 4 lF y F c o s co t 一 K e C O S z co t 一 竽 [ 1 十 C O S 2 w t ] l 1 4 式中 F ， F 分别为电动机轴伸端在水平 、 垂直方 向 的受 力 ； F为 电动机轴 伸端 的受力 ； 1 9 为 电动 机 角速 度 ； K 为联 轴器刚度系数 ； e为不对 中轴 之间 的偏 心距 。 从 式 4 可 看 出 ， 电动 机 的轴 伸端 受力 随 时间 变 化 而 变 化 ， 即 电 动 机 每 转 1周 ， 径 向 力 交 替 变 化 2次 。 因此 ， 电动机平 行 不对 中 故 障频 谱特 征 是 以电 动 机转 频 的 2 倍 频 为主 。 对于其他情况 的不对中故 障， 文献 E 9 一 l 0 ] 研究 表明， 其频谱特征均是以电动机转频的 2 倍频为主。 2 ． 2联 接螺 栓松 动故 障 联 接螺栓 松 动故 障是 指 由于螺栓 预 紧力 不足 而 引起设备剧烈振动。联接螺栓松动故障可 以用分段 线性 模 型 来 描 述 ， 其 简 化 模 型 ⋯ 如 图 2所 示 。其 中 ， 。 ， m 分 别为 2 个 联接 件 的集 中质量 ； C ， C 和 K。 ， K。分别 为 螺栓 与 2个 联 接 件 之 问 的 阻尼 系数 和刚度 系数 ； C ， K 分 别 为 松 动前 2个 联 接 件 之 间 的阻尼 系数 和 刚度 系 数 ； C 。 ， K。分别 为松 动 后 2个 联 接件 之 间 的 阻尼 系数 和 刚度 系 数 ； ， z 分 别 为 2 个 联 接件 的位移 。 联接 螺栓 松动 前 的数学模 型 2 0 1 7年 第 4期 马 海龙 等 电动机联 接性 故 障诊 断方法及 其应 用 7 9 f ％ c K c c 鲁一 J 。K 2 C 21 -- z 2 。 5 } 。 G K 一 c 一 ， 一 【 K 。 一 z 2 一 0 式 中 厂 ￡ 为螺栓 预紧 力 ； s ￡ 为外 界激 励 。 fm c K ， c 。 c 一 I Ko z 1 一z 2 一， ￡ s ￡ ￡ Im c 。 K 一 c 。 一 一 【 Ko z 1 一z 2 一0 6 采用龙格库塔法求解式 5 、 式 6 ， 方程的数值 解特征表明， 联接螺栓松动故障频谱特征是以电动 机转频为主[ 1 。 ， 并伴有分频和倍频成分 。 2 ． 3基础 刚度 不足 故 障 电动机在 制造过 程 中不可 避免 地会 出现质 量不 平衡 ， 导致在电动机运行时产生离心力 ， 而离心力是 电动机 运行 产 生 振 动 的 根 本 原 因[ 1 引。 电动 机 在 实 际使用过程中， 由于各种原 因导致基础 刚度不能满 足电动机的使用要求 ， 即基础刚度差 ， 不能完全吸收 电动机 在运行 过程 中产 生 的振 动 能 量 ， 导 致 电动机 振动剧烈 ， 影响电动机的正 常使用。将 电动机和基 础 构成 的系统 简化 为一个 质量 一 弹 簧 一 阻尼 系统 ， 如 图 3所示 。 根 据离心 力计 算公 式可得 f 1 m e c o s w t ⋯ l F 1 一me 叫 s i n a t 式 中 ， F 分别为电动机水平 、 垂直方 向受 到的 离 心力 ； m 为 电动 机 不 平 衡 质 量 ； e 为 电 动 机 质 量 偏 心距 。 一一 图 3 电 动 机 和 基 础 构 成 的 系 统 简 化 棋 型 根据 图 3可得 f 一 M d 2 x 面d T K vy ,一 M d 2 y c d y K 式中 M 为 电动机质量 ； ， 分别 为电动机在水平 和垂直方向的位移 ； ， K 分别为水 平方 向的阻尼 系数 和 刚度系数 ； C ， K 分 别 为垂 直方 向 的阻 尼 系 数和 刚度 系数 。 将式 7 代入式 8 ， 得 f M 警 K m e m ．U 2 C O S cc， 【M c K m em 2 S in 叫 对上 述方 程 的解 求 微分 可得水 平 方 向振动速 度 辛 at 和垂 直 方 向振 动 速度 口 Q￡ f d x I d t 『 I d ￡ ， P 叫 ／ M j 二 F _ e ∞ ／ M K， ／ M--o 。 C o ／ M 叫c o s 一 1 0 式 1 0 表 明 ， 电动机 振动 幅值 与基 础 刚度有关 ， 基础刚度越大 ， 则振动幅值越小 。基础刚度不足故 障频谱特征是以电动机转频为主[ 1 3 1 5 ] 。 3应用 实例 以电动机 联轴 器不 对 中故障 和基础 刚度 不足 故 障为例 ， 说 明经验模式分解方法在煤 矿电动机联接 性故障诊断中的应用。 3 ． 1 不对 中故 障检 测 某矿主运带式输送机在线监测与故障诊断系统 显示 3号 电动机 的振动 幅值较其 他 2台电动机 偏 大 ， 但 系 统并 未发 出报 警 。为 确 定该 电 动机 是 否 发 生故障及故障类型 ， 对 系统采集的相关数据进行分 析。电动机轴伸端振动信号时域波形如图 4所示 。 采用经验模式分解对信号进行处理 ， 滤除信号 中的高频噪声 ， 保 留与电动机故障特征相关 的低频 段 ， 低通滤波处理后得到的信号频谱如图 5 所示。 8 O 工矿 自动化 2 0 l 7年 第 4 3卷 0． 5 旦 0 ＼ j 璺 馨 ● 巨 j 型 馨 o o． 5 1 o l 5 2 o 2 5 3． 0 3 ． 5 4． o 时间／ s 图 4 电动机轴伸端振动信号时域波形 o 5 O 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 频率／ Hz 图 5 轴 伸 端 振 动 信 号 经 验 模 式 分 解 滤 波 后 频 谱 从 图 5可 看 出 ， 频 谱 中 含 有 转 频 2 5 Hz及 其 2倍 频 5 0 Hz 的 频 率 成 分 ， 与 电动 机 的转 频 及 其 倍 频 一致 ， 符 合不 对 中故 障的频 谱特 征 。 因此 ， 该 电动 机轴伸端处存在不对中故障。 现场 对 该 电动机 进 行 检查 ， 发 现联 轴 器 出 现磨 损 ， 导致 电动 机振 动增 大 ， 呈 现不 对 中现 象 。更 换 联 轴器 后 ， 该 电动机 的振 动恢 复正 常 。 3 ． 2基 础 刚度 不足故 障检 测 某矿 主运 带 式输 送 机 由 3台 电 动机 驱 动 ， 电动 机 安装在 钢 结构 支架 上 。该带 式输 送机 在投 入运 行 后 ， 发 现 2号 电动机 振动 剧烈 ， 电动 机 运行 时表 面温 度 达 到 1 2 0℃ ， 严重 影 响了带 式输 送机 的正 常运 行 。 对 该 电动 机 的运行 状 态 进 行测 试 ， 发 现 在基 础 上得 到的测试数据存在异常 ， 因此 ， 对基础上的测试数据 进行 深 入 分 析 。基 础 振 动 信 号 时 域 波 形 如 图 6 所 示 。 l 0 县。 趔 罂一 5 频率 成分 ， 该频 率 为电动 机 的转频 ， 与基 础 刚度不 足 故障的频谱特征吻合。 一 1 o ● 邑 0 ．5 j磐 蛏 o 2 00 4 00 6 oo U U J 0 oo 频率／ Hz 图 7 基础振 动信 号经验模 式分 解滤波后 频谱 在 停 产检修 时 ， 对该 电动 机 的基础进 行 处理 ， 增 加基 础 刚度后 ， 电动 机振 动 幅值显 著下 降 ， 达 到正 常 使用 要求 。 4 结语 根 据 电动机联 接性 故 障 的数 学模 型分 析 了各故 障特征 不对 中故 障 特 征频 率 是 以转 频 的 2倍 频 为 主 ； 基础 刚度不 足故 障和 联 接 螺栓 松 动 故 障 的特 征 频 率则 是 以转频 为 主 ， 而 联 接 螺 栓松 动 故 障 通 常 伴 有分频 和倍 频 。将 经验模 式 分解方 法应 用 于煤矿 电 动机 故 障诊 断中 ， 实例结 果 表 明 ， 该 方 法能有 效 提取 电动 机联 接性 故 障特征 。 参 考 文献 [1 ] 李允公 ， 孔祥娜 ， 高玉勇． 基于两被联件振动信 号概率 密度和 P C A 的螺栓松动识别方法研 究E J ] ． 振动与 冲 击 ， 2 O l 5， 3 4 1 6 3 6 7 ． [ 2] 孙 卫祥 ， 陈进 ， 伍星 ， 等． 基于信 息融 合的 支撑座 早期 松 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波检测装置[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 4 8 1 - 85 ． 基于梳状滤波器和子群算法的谐波检测装置 戴超 凡 ， 邓孝 祥 ， 崔程 尧。 ， 刘 宝童。 ， 孙 炜 1 ． 黑龙江 科技 大学 电气 与信 息工 程学 院 ，黑龙 江 哈尔 滨 1 5 0 0 2 2 ； 2 ． 江 苏省 电力公 司 沛县供 电公 司 ，江苏 徐 州 2 2 1 6 0 0 摘 要 针对现 有谐 波 与 间谐 波检 测算 法存在 精度 和 实时性 较差 的 问题 ， 提 出了一种基 于梳 状 滤波 器和子 群 思想 的谐 波 与 间谐 波检 测算 法 ， 并 基 于该算 法设计 了一种 谐 波检 测 装置 。该 装 置 首先 采 用梳 状 滤 波 器对 信 号进行 谐 波与 间谐 波 的有 效分 离 ， 然后 采 用 问谐 波子群 算 法对分 离后 的信 号进行 间谐 波 分量计 算 ， 用原始 信号减去 间谐波分量重构采样序列 ， 最后再采用谐波子群算法计算谐波分量， 从而 实现 了谐 波的 高精度检 测 。测试 结果验 证 了该装 置具 有较 高的检 测精 度 。 关键 词 谐 波检 测 ；间谐 波 ；谐 波分 量 ； 谐 波子 群 ；梳状 滤 波器 中图分类 号 TD 6 1 文献 标志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 7 0 3 2 8 1 7 3 7 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 7 0 3 2 8 ． 1 7 3 7 ． 0 1 9 ． h t ml Ha r mo n i c d e t e c t i o n d e v i c e b a s e d o n c o mb f i l t e r a nd s ub g r o u p a l g o r i t h m DAI Cha o f a n ，DENG Xi a ox i a n g ， CU I Ch e n gy a o ，LI U Ba o t o ng 。 ， SUN W e i 。 1 ． S c h o o l o f El e c t r o n i c s a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g，He i l o n g j i a n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c hno l o gy，H a r b i n 1 50 0 2 2，Chi na； 2 ． Pe i x i a n Po we r S u p p l y Co mp a n y ，J i a n g s u El e c t r i c P o we r C o mp a n y ，Xu z h o u 2 2 1 6 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r ob l e ms 0 f ba d a c c ur a c y a nd r e a l t i m e e x i s t e d i n h a r m o ni c a nd i nt e r ha r mo ni c de t e c t i o n a l g or i t hm ，a ha r mon i c a nd i nt e r - ha r m o ni c de t e c t i o n a l g o r i t hm ba s e d on c o mb f i l t e r a nd s ub gr o up i de a wa s pr o p os e d，a n d a h a r m o n i c mo ni t or i n g d e v i c e ba s e d o n t h e a l g or i t hm wa s d e s i gn e d．Fi r s t l y，t he d e v i c e u s e s t h e c o mb f i l t e r t o s e p a r a t e h a r mo n i c a n d i n t e r - h a r mo n i c s f r o m o r i g i n a l s i g n a l e f f e c t i v e l y．Th e n ， t he de vi c e us e s i nt e r - ha r m o ni c s ub gr o up a l go r i t h m t o c a l c u l a t e i nt e r - h a r m o ni c c o m p o ne n t o f t he s e p a r a t e d s i g na l ，a nd us e s o r i g i na l s i g na l c o mpo ne nt t o m i n us t h e i n t e r h a r mon i c c o mpo ne nt t o r e c o ns t r uc t o f s a mpl e d s e q ue nc e s ． Fi n a l l y， t h e de v i c e a do p t s ha r m o ni c s u bg r ou p a l g o r i t h m t o c a l c ul a t e t he ha r mon i c 收藕 日期 2 0 1 6 0 9 2 6 ； 修 回日期 2 0 1 6 1 2 0 5 ； 责任编辑 张强。 作者简介 戴超凡 1 9 9 1 一 男 ， 江苏宿迁人 ， 硕 士研究生 ， 研究方 向为电力系统 、 微电网技术 、 谐波抑 制与无功补偿 技术， E - ma i l d c f 一 2 0 0 8 l i v e ． t o m。通信作者 邓孝祥 1 9 6 6 一 ， 男 ， 黑龙江哈尔滨人 ， 教授 ， 硕 士研究生导师 ， 主要研 究方 向为电力与 电子传动 、 谐 波抑制技术 与无功 补偿 ， E ma i l 2 0 0 8 7 8 9 0 4 q q ． c o rn。 [- 1 0 ] 1- 1 1 ] [ 1 2 “ 1 屈双军 ， 苟盛平 ， 张银 ． 烟气 轮机 一 主风机组 转子不 对 中故障分析及诊 断方法 I- J ] ． 石油 和化工 设备 ， 2 0 1 6 ， 1 9 7 6 5 6 8 ． 沈金理． 机械装备连接松动故障特征提取方法 的研究 [ D ] ． 上海 东华大学 ， 2 0 1 3 ． 侯世远． 螺纹联接松动 机理研 究I- Dq ． 北京 北京 理工 大学 ， 2 0 1 5 ． [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] 周文强 ， 肖黎 ， 屈文忠． 基于经验模式分解的框架结 构 螺栓松 动 检 测 实 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