一種異步電動(dòng)機(jī)軸承損傷監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及電動(dòng)機(jī)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種異步電動(dòng)機(jī)軸承損傷監(jiān)測系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 異步電動(dòng)機(jī)作為生產(chǎn)流通環(huán)節(jié)的關(guān)鍵動(dòng)力輸出與傳動(dòng)設(shè)備，已廣泛運(yùn)用于電力、 鋼鐵、石化、交通與國防等國家重大命脈的支撐領(lǐng)域，而確保異步電動(dòng)機(jī)安全穩(wěn)定地運(yùn)行 是維護(hù)工作的重中之重。各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)表明，異步電動(dòng)機(jī)故障主要為軸承故障、繞組故障與轉(zhuǎn)子 斷條故障，其中軸承故障發(fā)生率最高，占異步電動(dòng)機(jī)總故障的30~42%。異步電動(dòng)機(jī)的軸 承在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情形下，軸承的滾子和滾道之間有潤滑劑隔開，避免了兩種金屬直接接觸，減 少了摩擦損耗。當(dāng)出現(xiàn)軸承內(nèi)潤滑劑變質(zhì)或缺少、軸承配合面加工或安裝不到位導(dǎo)致定位 不準(zhǔn)、異步電動(dòng)機(jī)長期超負(fù)荷運(yùn)行、軸承過電、軸承制造缺陷等不良情形時(shí)，容易產(chǎn)生軸承 損傷。異步電動(dòng)機(jī)軸承故障主要表現(xiàn)為軸承元件的表面破壞，如軸承的內(nèi)、外滾道損傷、點(diǎn) 蝕，保持架缺陷或軸承本身的質(zhì)量問題。軸承故障使得異步電機(jī)啟動(dòng)困難、轉(zhuǎn)子運(yùn)行不穩(wěn)、 軸承側(cè)溫度升高，嚴(yán)重時(shí)定、轉(zhuǎn)子磁隙振蕩劇烈、相互刮擦、繞組短路甚至燒毀電機(jī)。傳統(tǒng)的 異步電動(dòng)機(jī)軸承故障檢測方法是通過感知軸承部位溫度與振動(dòng)、探聽軸承異響來確定軸承 故障。由于個(gè)體感官差異，對(duì)軸承故障量化分析困難，這種方法需要檢視人員具有豐富現(xiàn)場 經(jīng)驗(yàn)，從而難以進(jìn)行推廣。
[0003] 當(dāng)前，監(jiān)測異步電動(dòng)機(jī)軸承故障的方法主要有溫度法、油樣法、振動(dòng)法、定子電流 法與油膜厚度法（接觸電阻法）。
[0004] 溫度法是通過監(jiān)測軸承座或臨近箱體處的溫度來診斷軸承的工作狀態(tài)，對(duì)軸承的 過載、超速和潤滑不良比較靈敏，但對(duì)軸承的點(diǎn)蝕、金屬剝落、損傷等微量累積型故障基本 沒有反應(yīng)。
[0005] 油樣法是通過定期從軸承所使用的潤滑劑中取出油樣，分析油樣中特定金屬顆粒 的大小與含量來診斷軸承運(yùn)行狀態(tài)的方法。油樣法可以用于軸承早期故障分析，但在電動(dòng) 機(jī)工作過程中難以取樣、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，油樣中還容易混入非軸承損壞濺入的顆粒影響分析 結(jié)果。
[0006] 振動(dòng)法是通過測量軸承振動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)域信號(hào)，再將時(shí)域信號(hào)變換為頻域信號(hào)與軸 承振動(dòng)的固有頻率特性作比對(duì)以判斷軸承是否存在故障的一種方法。振動(dòng)法不受軸承類型 限制，信號(hào)處理方便直觀，目前應(yīng)用最廣泛。但異步電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)激勵(lì)源較多、信噪比低、較 難準(zhǔn)確提取故障的特征信息、在很多場合不便安裝振動(dòng)傳感器，從而降低了振動(dòng)法的工程 實(shí)用性。
[0007] 定子電流法是通過測試記錄電動(dòng)機(jī)定子電流信號(hào)，并將信號(hào)作分析處理來判斷軸 承是否發(fā)生故障的一種方法。由于故障軸承會(huì)引起轉(zhuǎn)軸振動(dòng)，轉(zhuǎn)軸振動(dòng)又引起異步電動(dòng)機(jī) 定轉(zhuǎn)子間氣隙振動(dòng)，氣隙振動(dòng)調(diào)制其磁通量，被調(diào)制磁通量在定子繞組中感應(yīng)出諧波電流， 從而分析異步電動(dòng)機(jī)定子電流的波形與頻譜，提取轉(zhuǎn)軸振動(dòng)感應(yīng)出的諧波分量，就能實(shí)現(xiàn) 軸承的故障檢測。定子電流法與振動(dòng)法相比更簡捷實(shí)用，但定子電流對(duì)應(yīng)的故障頻率分量 幅值較小，易被噪聲及基頻分量掩蓋，故障特征值提取困難。
[0008] 油膜厚度法通過測量軸承表面間的接觸電阻來判斷軸承潤滑狀態(tài)，電阻值反映了 軸承的油膜厚度；油膜厚度越小，故障發(fā)生幾率越大。油膜厚度法對(duì)損傷、腐蝕類故障較敏 感，對(duì)表面剝落、裂紋等故障適用性較差，且不適用于低速、多軸承同軸等情況，實(shí)際工程應(yīng) 用較少。
[0009] 為此，研究出一種監(jiān)測異步電動(dòng)機(jī)軸承故障的新方法，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)軸承運(yùn)行狀 態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測，對(duì)故障及時(shí)預(yù)警并量化分析，避免因軸承故障造成的重大損失，對(duì)提高異 步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行可靠性，具有十分重要的工程實(shí)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本實(shí)用新型的目的就是要解決當(dāng)前用于監(jiān)測異步電動(dòng)機(jī)軸承故障的溫度法、油樣 法、振動(dòng)法和定子電流法以及油膜厚度法所存在的上述問題，為此提供一種操作簡單方便， 能夠?qū)崟r(shí)精確地檢測軸承的損傷狀態(tài)，并且確保異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定高效運(yùn)行的異步電動(dòng)機(jī)軸 承損傷監(jiān)測系統(tǒng)。
[0011] 本實(shí)用新型的具體方案是：一種異步電動(dòng)機(jī)軸承損傷監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是：包括 有以下單元：
[0012] 熱電信號(hào)采集單元，用于將異步電動(dòng)機(jī)上軸承出現(xiàn)損傷時(shí)，軸承的滾子與軸承的 內(nèi)、外滾道之間摩擦生熱產(chǎn)生的熱電信號(hào)轉(zhuǎn)換為可采集的熱電勢信號(hào)，熱電信號(hào)采集單元 包括有安裝在異步電動(dòng)機(jī)的非動(dòng)力輸出軸端的轉(zhuǎn)軸適配器，轉(zhuǎn)軸適配器的另一端依次安裝 有同軸布置的連接軸、導(dǎo)電聯(lián)軸器、中繼桿和導(dǎo)電環(huán)，其中導(dǎo)電環(huán)的非旋轉(zhuǎn)端作為信號(hào)輸出 端，信號(hào)輸出端與采樣電阻相連接，采樣電阻的另一端與異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)殼相連接；所述異 步電動(dòng)機(jī)的機(jī)殼、軸承和轉(zhuǎn)軸依次與轉(zhuǎn)軸適配器、連接軸、導(dǎo)電聯(lián)軸器、中繼桿、導(dǎo)電環(huán)、采 樣電阻構(gòu)成串聯(lián)回路；
[0013] 調(diào)理放大單元，用于接收信號(hào)輸出端傳輸過來的熱電勢信號(hào)，并對(duì)熱電勢信號(hào)進(jìn) 行濾波和放大處理；
[0014] 故障診斷報(bào)警單元，對(duì)調(diào)理放大單元傳輸過來的熱電勢信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，進(jìn) 行實(shí)時(shí)診斷以對(duì)軸承的故障程度進(jìn)行評(píng)級(jí)并發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警，同時(shí)對(duì)主要故障進(jìn)行繼 電器輸出，按在一定的延時(shí)關(guān)閉異步電動(dòng)機(jī)，以保障異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行安全；
[0015] 在線監(jiān)測單元，對(duì)故障診斷報(bào)警單元傳送過來的用于表征軸承損傷狀態(tài)的熱電勢 信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)圖形化直觀顯示；
[0016] 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，按照一定的規(guī)則對(duì)在線監(jiān)測單元的監(jiān)測信息進(jìn)行存儲(chǔ)，以便對(duì)軸 承損傷狀態(tài)進(jìn)行離線分析。
[0017] 本實(shí)用新型中所述轉(zhuǎn)軸適配器與異步電動(dòng)機(jī)的非動(dòng)力輸出軸端采用間隙配合，并 通過導(dǎo)電膠輔助緊固，轉(zhuǎn)軸適配器與異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸呈同中軸線布置。
[0018] 本實(shí)用新型中所述導(dǎo)電聯(lián)軸器選用螺旋彈性聯(lián)軸器；導(dǎo)電環(huán)選用型號(hào)為AlM的水 銀滑環(huán)；中繼桿用于連接導(dǎo)電聯(lián)軸器與導(dǎo)電環(huán)，并在中繼桿的前端開設(shè)有與導(dǎo)電環(huán)的旋轉(zhuǎn) 端相匹配的安裝口。
[0019] 本實(shí)用新型中所述在線監(jiān)測單元對(duì)用于表征軸承損傷狀態(tài)的熱電勢信號(hào)進(jìn)行實(shí) 時(shí)圖形化直觀顯示的內(nèi)容包括時(shí)域、頻域、時(shí)頻域、三維圖形的顯示以及異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 速的實(shí)時(shí)顯示。
[0020] 本實(shí)用新型中所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元對(duì)用于表征軸承損傷狀態(tài)的監(jiān)測信息進(jìn)行連續(xù) 或間斷存儲(chǔ)，同時(shí)對(duì)軸承的型號(hào)、規(guī)格、損傷形式、熱電信號(hào)強(qiáng)度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)記錄 以備離線分析。
[0021] 本實(shí)用新型的工作原理如下：
[0022] 旋轉(zhuǎn)機(jī)械通常包含有承載相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦副，摩擦副需要潤滑油膜來減輕其磨損 消耗，潤滑油膜的不同運(yùn)動(dòng)形態(tài)造成了摩擦副的不同潤滑狀態(tài)，常見的五種基本類型的潤 滑狀態(tài)為：（a)流體動(dòng)壓潤滑；(b)流體靜壓潤滑；（C)彈性流體動(dòng)壓潤滑；（d)邊界潤滑； (e)干摩擦狀態(tài)。在實(shí)際工作過程中，摩擦副通常處于上述其中幾種潤滑狀態(tài)并存的混合潤 滑狀態(tài)。異步電動(dòng)機(jī)用于支撐轉(zhuǎn)軸的軸承不同的油膜厚度造成了不同的摩擦強(qiáng)度，不同的 摩擦強(qiáng)度又引起不同的機(jī)械能損耗，機(jī)械能的損耗轉(zhuǎn)化為熱能導(dǎo)致摩擦副的溫度升高。由 塞貝克熱電效應(yīng)理論，金屬的冷熱端之間的溫度差會(huì)使其內(nèi)部電荷發(fā)生移動(dòng)，從而在其冷 熱兩端產(chǎn)生電勢差。熱電電勢差強(qiáng)度的變化反映了摩擦副溫度的變化，摩擦副的溫度高低 表明了摩擦的強(qiáng)度等級(jí)，從熱電電勢差的變化規(guī)律能夠準(zhǔn)確推斷出異步電動(dòng)機(jī)軸承的損壞 程度。
[0023] 如圖2所示，為了分析軸承熱電效應(yīng)所產(chǎn)生的熱電勢，不妨假設(shè)兩種金屬材料A、B 構(gòu)成閉合回路，熱端為T，冷端為T1,TXT1。由賽貝克熱電效應(yīng)理論可知，回路中會(huì)產(chǎn)生接觸
方向如圖2所示。外部熱源作為能量來源維持電路恒定。
[0024] 設(shè)兩種金屬A、B在溫度T時(shí)的自由電子密度分別為Na(T)、Nb (T)，且Na(T) >NB (T)。 當(dāng)A、B緊密接觸后，由于自由電子的不平衡擴(kuò)散，從A到B的自由電子數(shù)目比從B到A的 多，這樣形成了一個(gè)阻礙擴(kuò)散持續(xù)進(jìn)行的電場并形成漂移。隨著電子的持續(xù)擴(kuò)散，電場強(qiáng)度 不斷增強(qiáng)，直到擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，電場強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，在兩金屬接觸處產(chǎn)生接觸電 勢。設(shè)兩種金屬導(dǎo)體接觸處的溫度為T，根據(jù)力平衡關(guān)系和電子物理理論，無限小步長內(nèi)的 電場電動(dòng)勢為：
[0026]k為玻爾茲曼常數(shù)，k=I. 38X10 23J/K;T為開爾文溫度，單位K;e為電子電量，e =1. 6X10 19C0
[0027] 沿著接觸面從B到A進(jìn)行積分得到平衡時(shí)的電場電動(dòng)勢為：
[0029] 金屬A、B緊密接觸時(shí)由于自由電子密度和逸出功之差造成的總電動(dòng)勢（即接觸電 勢）為：
[0031] 接觸電勢又叫帕爾帖電勢，設(shè)兩導(dǎo)體另一端接觸點(diǎn)溫度為T1，閉合回路總的接觸 電勢為：
[0033] 對(duì)于同種金屬A，當(dāng)其兩端有溫度差時(shí)（熱端為T，冷端為TpTyr1)，會(huì)產(chǎn)生溫差電
[0035]式中Ua(TJ1)為導(dǎo)體A在其兩端溫度為KT1時(shí)兩端的溫差電勢。對(duì)導(dǎo)體A、B各 令
[0041] 由式（7)可看出，構(gòu)成熱電勢的不只是溫度差、自由電子密度差，還有逸出功差或 費(fèi)米能級(jí)能量差。將式（7)簡記為：
[0042] Uab (T，T1) =A1 (T-T1) +A2 (T2-T12) (8)
[0043] 或：
[0044] u(t, 0) =a!t+a2t2 (9)
[0045] 這就是一般熱電偶回路熱電勢與溫度的表達(dá)式。熱電勢的大小與熱電偶兩個(gè)電極 的材料以及冷熱端溫度T、I\相關(guān)。當(dāng)電極材料確定后，熱電勢的高低就取決于溫度T、T:的 大小。實(shí)踐證明，熱電勢微變化量dUAB(T，T1)與溫度微變化量dT成正比：
[0046] dUAB (T,T1)