机械故障诊断技术读书报告

《机械故障诊断技术》读书报告

电机诊断案例分析综述

Motor diagnosis case analysis were reviewed

名：

要

于电机的发展及广泛的应用，它的使用、保养和维护工作也越来越重要，推广中国的高效率电机是非常有必要的。但是在日常使用过程中如何去维护好，其影响可见一斑。本文从五种不同种类电机的故障分析及维护进行了初略的探讨和分析，并给出了一些日常维护的方法。

键词：电机种类；故障分析；维护保养

Abstract

ue to the development of the motor and a wide range of applications, its use, maintenance and maintenance work is becoming more and more important, to promote China's high efficiency of motor is necessary. But in daily use process how to safeguard, its influence is evident. This article from five different kinds of motor fault analysis and maintenance of slightly discusses and analysis, and some routine maintenance method is presented.

eywords：Motor type; Fault analysis; maintenance

目录

1 前言 (1)

1.1 电机的概述 (1)

1.2 电机的分类 (1)

1.3 直流式电机 (1)

2 电机故障案例分析 (2)

2.1同步发电机 (2)

2.1.1 结构 (2)

2.1.2 工作原理 (2)

2.1.3 故障诊断与排除方法 (2)

2.2 直流电机 (3)

2.2.1 系统具有以下功能 (3)

2.2.2 故障数据的诊断分析 (4)

2.2.3 维护建议 (5)

2.2.4结论 (5)

2.3交流异步电动机 (5)

2.3.1异步电动机不能起动 (5)

2.3.2 处理方法 (6)

2.3.3 其它原因 (6)

2.4 步进电动机 (7)

2.4.1步进电机驱动器遇到烧毁故障分析 (7)

2.4.2步进电机驱动器遇到烧毁故障排除步骤 (8)

2.5齿轮减速机 (8)

2.5.1 概述 (8)

2.5.2齿轮减速机特征频率分析 (9)

2.5.3造成齿轮振动故障的主要原因如下 (9)

总结 (11)

参考文献 (13)

前言

1.1 电机的概述

机（英文：Electric machinery，俗称“马达”）是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。在电路中用字母M（旧标准用D）表示。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。发电机在电路中用字母G表示。它的主要作用是利用电能转化为机械能。

1.2 电机的分类：

工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机。

结构和工作原理可划分：可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。

起动与运行方式可划分：电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。

用途可划分：驱动用电动机和控制用电动机。

转子的结构可划分：笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。

运转速度可划分：高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。

1.3 直流式电机

直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向）。

工作原理导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。

由于电机的应用涉及领域广泛，小到冰箱、空调、摩托、汽车；大到轮船、潜艇、飞机、飞船。下文介绍了同步发电机、直流电机、交流异步电动机、步进电动机、齿轮减速机的工作原理、常见的故障及诊断。

电机故障案例分析

2.1同步发电机

.1.1 结构

步发电机主要由定子、转子和其他部件组成。定子部分包括定子铁芯、定子绕组、机座；转子部分包括转子铁芯、励磁绕组和滑环(隐极式转子还有套箍、心环，凸极式转子有磁极、磁轭、转子支架)；其他部件包括电刷装置、端盖、轴承和风扇等。

.1.2 工作原理

步发电机是根据电磁感应原理工作的，它通过转子磁场和定子绕组的相对运动，将机械能转变为电能。当转子在外力带动下，转子磁场和定子导体作相对运动，即导体切割磁力线，因此在导体中产生感应电动势，其方向可根据右手定则判定。由于转子磁极的位置使导体以垂直方向切割磁力线，所以此时定子绕组中的感应电动势最大。当磁极转过90度后。磁极成水平位置，导体不切割磁力线，其感应电动势为零。转子再转90度，定时定子绕组又以垂直方向切割磁力线，使感应电动势达到最大值，但方向与前相反。当转子再转90度，感应电动势又变为零。这样转子转动一周，定子绕组的感应电动势也发生正、负变化。如果转子连续匀速旋转，在定子绕组中就感应出一个周期性不断变化的交变电动势。

2.1.3 故障诊断与排除方法

发电机过热

(1)发电机没有按规定的技术条件运行，如定子电压过高，铁损增大；负荷电流过大，定子绕组铜损增大；频率过低，使冷却风扇转速变慢，影响发电机散热；功率因数太低，使转子励磁电流增大，造成转子发热。应检查监视仪表的指示是否正常。如不正常，要进行必要的调节和处理，使发电机按照规定的技术条件运行。

(2)发电机的三相负荷电流不平衡，过载的一相绕组会过热；若三相电流之差超过额定电流的10%，即属于严重蛄相电流不平衡，三相电流不平衡会产生负序磁场，从而增加损耗，引起磁极绕组及套箍等部件发热。应调整三相负荷，使各相电流尽量保持平衡。

(3)风道被积尘堵塞，通风不良，造成发电机散热困难。应清除风道积尘、油垢、使风道畅通无阻。

(4)进风温度过高或进水温度过高，冷却器有堵塞现象。应降低进风或进水温度清除冷却器内的堵塞物。在故障未排除前，应限制发电机负荷，以降低发电机温度。

(5)轴承加润滑脂过多或过少，应按规定加润滑脂，通常为轴承室的1/2~1/3(转速低的取上限，转速高的取下限)，并以不超过轴承室的70%为宜。

(6)轴承磨损。若磨损不严重，使轴承局部过热；若磨损严重，有可能使定子和转子摩擦，造成定子和转子避部过热。应检查轴承有无噪音，若发现定子和转子摩擦，应立即停机进行检修或更换轴承。

(7)定子铁芯绝缘损坏，引起片间短路，造成铁芯局部的涡流损失增加而发热，严重时会使定子绕组损坏。应立即停机进行检修。

8)定子绕组的并联导线断裂，使其他导线的电流增大而发热。应立即停机进行检修。

同步发电机调整特性同步电机结构图

.2 直流电机

流电机维护量比交流电机大得多，稍有不慎，就会造成电机故障，为了逐步积累经验，维护好这类设备，要建立了以振动和电量参数为主的直流电机在线监测系统。

2.2.1 系统具有以下功能

(1)实时接受前端采集机发来的跳闸数据，并作出响应，自动生成跳闸数据文件（跳闸前3s,后4s数据）。

(2）记录电机电参数的采样周期为0.5ms 。

(3）收到外部触发指令l 0ms内做出反应。

(4）在1ms内对达到报警限的被测信号发出动作指令。保存完整的14路信号触发前、后波形数据，可屏幕动态输出，也可用打印机打印输出。

(5)以波形方式显示和追忆显示ZR1, ZR2电参数，可局部放大显示。

(6）随机监测1#、2#轧机的电参数和振动情况，并生成随机检测数据文件，为故障诊断和事故分析提供依据。

直流电机时域波形图

2.2.2 故障数据的诊断分析

电量分析

根据监测系统提供的电压与励磁电流监测结果可知：(1)电机电压幅值41.3V，平均值28V，工作电压不高，过电压击穿的可能性不大；(2)轧第三道时的线速度为200m/min左右，不存在机械转速超高，离心力过大造成的破坏。电机激磁电流为35A，也不存在失磁超速的可能性。

因此，初步判断故障与下列因素有关：(1)电机使用年限较长，绝缘老化；(2)超过额定电流工作的情况时有发生，加上武汉地区夏季环境温度高，致使电机常在较高温升下工作，加速了绝缘老化，虽然事故发生时并非夏天，但早已留下隐患；(3)以往检修施工时可能受到外力损伤；(4)进风口可能吸入细小金属物，损坏绝缘。

停机检修发现，故障点位于转子的非整流子端。虽然转子、定子都受到不同程度的损坏，但转子要严重得多，短路首先由转子引起，燃起的电弧伤及定子。从烧损的情况看，绕组元件的端部连接头套并未烧熔，电枢槽口的绝缘楔条亦未烧掉，因此短路点不应在线槽之内，而在槽口与元件焊接头之间的无纬带下面两个迭绕元件上下层交迭处。

图1为发生故障的原理示意．图2为电枢绕组原理图（事故电机是八极，此处以四极为例，效果相同）。设在A点上下层绕组之间绝缘损坏而短路，则元件7的上边（实线部分）与元件6的下边（虚线部分）构成一个短路环。此短路环切割电机磁场时产生感应电势，对短路环而言，式

N等于断路线圈匝数的2倍，a=1。虽然感应电势不高，但短路部分的电阻值很小，所以仍将产生很大的电流，在短接处燃起电弧，烧坏其他绕组的绝缘，使事故进一步扩大。

.2.3 维护建议

(1)处于超额定值工作的时间太长，将对电机寿命产生极其不利的影响，应当避免。

(2)年修时除清沟、倒角、换电刷等常规工作外，要着重检查、恢复电机绕组的绝缘。2.2.4结论

含有振动量的直流大电机在线监测系统是轧钢生产线安全可靠运行的保证。

1．直流大电机振动在线监测系统已经监测到设备运行不正常的情况，点检人员对振动信号所包含的故障应予掌握，以防止事故扩大。

2．大型电机的故障监测应以电参数为主、机械参数为辅。电气故障具有突发性，预警时间极短，电参数有异常时往往已到事故晚期，而机械参数发现异常通常较早，可为发现隐患赢得宝贵的时间。

.3交流异步电动机

2.3.1异步电动机不能起动

电动机不能起动，有被拖动机械卡住、起动设备故障和电动机本体故障及其它方面

原因。

2.3.2 处理方法

电动机不能起动的故障时，可使用万用表测量三相电压，若电压太低，应设法提高电压，原因可能有：⑴电源线太细，起动压降太大，应更换粗导线。⑵三角形接线错接成星形接线，又是重载起动，应按三角形接法起动。⑶送电电压太低，应增高电压，达到要求的电压等级。若三相电压不平衡或缺相，说明故障发生在起动设备上。若三相电压平衡，但电动机转速较慢并有异常声响，这可能是负荷太重，拖动机械卡住。此时应断开电源，盘动电动机转轴，若转轴能灵活均衡地转动，说明是负荷过重；若转轴不能灵活均衡地转动，说明是机械卡阻。若三相电压正常而电机不转，则可能是电机本体故障或卡阻严重，此时应使电动机与拖动机械脱开，分别盘动电动机和拖动机械的转轴，并单独起动电动机，即可知道故障所在，作相应的处理。

当确定为起动设备故障时，要检查开关，接触器各触头及接线柱的接触情况；检查热继电器过载保护触头的开闭情况和工作电流的调整值是否合理；检查熔断器熔体的通断情况，对熔断的熔体在分析原因后应根据电动机起动状态的要求重新选择；若起动设备内部接线有错，则应按照正确接线改正。

当确定为电动机本体故障时，则应检查定，转子绕组是否接地或轴承是否损坏。绕组接地或局部匝间短路时，电动机虽能起动但会引起熔体熔断而停转，短路严重时电动机绕组很快就会冒烟。

检查绕组接地常采用的方法:用兆殴表检查绕组的对地绝缘电阻，若存在接地故障，兆殴表指示值为零。绕组短路:通常用双臂电桥测直阻的平衡情况，对于绕组接地、匝间短路的处理通常都是重新绕制绕组。

步电动机时域波形图

2.3.3 其它原因

由于轴承损坏而造成电动机转轴窜位、下沉、转子与定子磨擦乃至卡死时，应更换轴承。若在严冬无保温，环境较差场所的电动机，应检查润滑脂。

2.4 步进电动机

进电动机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步，如图3所示。

图3 步进电动机的功用

励磁方式分类，步进电动机可分为反应式(Variable Reluctance, VR)、永磁式(Permanent Magnet, PM)和混合式(Hybrid, HB)。其中反应式步进电动机用得比较普遍，结构也较简单，所以着重分析这类电机。

应式步进电动机的工作原理与反应式同步电动机一样，也是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动的。为了便于说清问题，先以一个最简单的三相反应式步进电动机为例。

2.4.1步进电机驱动器遇到烧毁故障分析

旦启动，驱动器外接保险丝即烧毁，设备不能运行。维修人员在检查时，发现一功率管已损

坏，但由于没有资料，弄不清该管的作用，以为是功率驱动的前置推动，换上一功率管，通电后，保险再度被烧，换上的管子亦损坏。

维修工程师检查，初始分析是对的，即保险一再熔断，驱动器肯定存在某一不正常的大电流，并检查出一功率管损坏。但对该管的作用没有弄清楚。实际上该管为步进电机电源驱动管，步进电机为高压起动，因而要承受高压大电流。静态检查，发觉脉冲环形分配器的线路中，其电源到地端的阻值很小，但也没有短路。根据线路中的元器件数量及其功耗分析电源到地端的阻值不应如此之小，因此怀疑线路中已有元器件损坏。

电检查，发现一芯片异常发热。断电后将该芯片的电源引脚切断，静态检查，电源到地的阻置增大应属正常。测该芯片的电源到地的阻值很小。查该芯片的型号，为一非标型号，众多手册中没有查到。经线路分析，确认其为该板中的主要元件：环形脉冲分配器。

步进电机驱动板

2.4.2步进电机驱动器遇到烧毁故障排除步骤

进一步确认该芯片的问题，首先换耐压电流功率相当的步进电机电源驱动管，恢复该芯片的电源引脚，用发光二级管电路替代步进电机各绕组作模拟负载。通电后，发光二级管皆亮，即各绕组皆通电，这是不符合线路要求的，输入步进脉冲无反应，因此确认该芯片已损坏。但是该芯片市场上没有，在驱动器壳体内空间允许的情况下，采用了组合线路即用手头上已有的D触发器和与非门的组合设计了一个环形脉冲发生器，制作在一个小印制板上，拆除

原芯片将小印制板通过引脚装在原芯片的焊盘上。仍用发光二极管作模拟负载，通电后加人步进脉冲按相序依次发光。拆除模拟负载，接入主机，通电，设备运行正常。

2.5齿轮减速机

.5.1 概述

前，用于传递动力与运动的机构中，齿轮减速机的应用非常广泛。齿轮减速机是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，随着现代化机械设备的不断大型化、复杂化.其工作和结构形式愈加复杂，经常性引发设备故障.在线对齿轮减速机的工况监测与故障诊断技术运用也就显得更加重要。关于齿轮减速机故障诊断分析方法和测试手段，国内外学者做了一些定性研究和典型案例分析。在此运用故障诊断分析技术对一台二次圆筒混合机的三级齿轮齿轮减速机噪声超标的原因进行分析，并结合现场测试数据，分析出齿轮减速机齿轮存在缺陷的主要影响因素，提前预测设备隐患，由此提出相应的解决办法。

.5.2齿轮减速机特征频率分析

轮减速机特征频率主要包括轴频、齿轮的啮合频率、轴承的内外圈、滚动体、保持架的频率，它们与谐频、边频相结合，成为对齿轮减速机故障判定的依据。

轮减速机时域波形图

.5.3造成齿轮振动故障的主要原因如下

1)齿轮制造和安装误差引起的故障。齿轮在制造过程中存在误差或由于装配过程中产生的误差，降低了齿轮的啮合精度，导致齿轮的振动和噪声增大，增大了齿轮的故障率，在频谱图上表现为啮合频率及其各次谐波幅值的变化。

2)齿轮自身固有运动(工作环境)引起的故障。齿轮在啮合过程中，齿与齿连续冲击使齿轮产生受迫振动.产生噪声，在频谱图上表现为齿轮的啮合频率。

3)齿轮表面损伤故障。

齿面磨损。齿轮由于齿面剥落、拉伤等缺陷发展到一定程度时，齿轮每转I圈就会相互撞击1次，产生明显的冲击现象。每一次撞击相当于I个脉冲激励，脉冲响应函数为齿轮固有的衰减振动，从而构成了周期性较高频率的冲击振动信号，循环周期就是轴的旋转周期，衰减振动频率就是齿轮的固有频率。

齿面点蚀、崩齿。齿轮在啮合过程中，尤其是因为齿轮磨损、齿隙增大时都会产生啮合振动，振动频率为齿轮啮合频率。例如:某点出现缺陷(如点蚀、崩齿)时.齿轮啮合过程中产生短期的“加载”、“卸载”效应，产生幅值调整和频率调整信号，其在频域上表现为以啮合频率为中心，以轴的旋转频率为间距的一组谱线，即边频带。

轴弯曲。旋转轴当出现重度弯曲时，时域中通常会明显地出现以一定时间为间隔的冲击振动，边带数量多且密集。

齿轮动不平衡。具有不平衡质量，或者偏心的齿轮在转动过程中造成齿轮副的不稳定运行。在该不平衡力矩的激励下，产生以调频为主，调幅为辅的振动，将在啮合频率及其谐波两侧产生边频带.受不平衡力的激励，齿轮轴的旋转频率及其谐波的能量也有相应的增加。

齿轮箱内部松动。在转速较低的升速与降速过程中会出现突然随机剧烈声响，在时域图上表现为突然大幅度断续上升，具有较大的随机性。

齿轮齿根出现裂纹。时域表现为以齿轮旋转频率为频率的冲击脉冲，其频域特征是以旋转频率处出现谐波。

一方面，由于轴弯曲和齿轮本身存在的缺陷和故障均可产生调制现象。调制的载波频率有三种:啮合频率及其高次谐波、齿轮谐振频率、箱体谐振频率。

同激励能量有不同的调制振动:①故障较轻.如轻微的轴弯曲或面积小、数最少的齿面点蚀，啮合频率为载频，轴频为调制频率;②故障较严重、激振能量较大时，齿轮本身的谐振频率为载波频率;③故障非常严重、激励能量非常大时，箱体固有频率为载波频率。

同故障情况下，啮合频率呈现不同的形态:①正常齿轮在一转内时域平均信号，信号由均匀的啮合频率分量组成;②齿轮安装对中不良，啮合频率受幅值调制，调制频率为转频及其低阶谐频;③齿面严重磨损，啮合频率严重偏离正弦信号，由于是均匀磨损故振幅起伏不大;④齿轮有局部剥落，振幅在某一部位有突跳。

图4可看出是以一段轴齿轮的啮合频率和倍频为载波频率，并且二倍频也比较明显，通过对频谱图以及其边频带分析，可知，故障主要是由齿形误差引起的，原因是由齿轮安装对中不良或者联轴器安装不同心造成的齿形误差。

此，利用停机检修时间拆解齿轮减速机，分别对齿轮表面进行清洗检查，未发现点蚀或齿面磨损;检查联轴器对中发现，联轴器对接缝处呈喇叭口形状，这正是齿轮减速机频谱异常的原因所在。重新找正电机和齿轮减速机对中后开机运行，噪声降低、振动异常消失.频谱正常。

啮合频率及其谐波、严重磨损时的啮合频率及其二次谐波

总结

上

就

是

我

对

同

步

机、直流电机、异步交流电机、步进电机、齿轮减速机简单的故障分析及保养方法，总结下来也有

多的共同之处：

动机的维护方面

1、使用环境应经常保持干燥，电动机表面应保持清洁，进风