基于紅外測溫的異步電機軸承故障診斷

孫斌， 王艷武， 楊立

(1．武漢理工大學(xué)能源與動力學(xué)院，湖北武漢 430063;2.92601部隊，廣東湛江 524005;3．海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引言

中小型感應(yīng)電動機以其結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、效率較高、制造容易、成本較低等優(yōu)點在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。特別是在海軍艦船上，各類泵、風(fēng)機、錨機等設(shè)備均采用異步電機作為原動機，因此電機運行狀態(tài)直接關(guān)系到艦船戰(zhàn)斗力，對電機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測就具有重要的軍事意義。而對艦船上各類電機而言，運行實踐表明異步電機軸承故障是電機的主要故障之一，約占電機總故障的30% ～40%［1］，因此為保證設(shè)備安全可靠運行和艦船戰(zhàn)斗力，對異步電機軸承故障進行早期監(jiān)測與診斷，具有重要的軍事和經(jīng)濟價值。

目前對電機軸承的診斷，應(yīng)用較多的有定子電流檢測法［2－5］和振動檢測法［6－10］。但是這兩種檢測方法對于海軍艦船，特別是執(zhí)行遠航任務(wù)的艦船來說，進行艦員級的實時監(jiān)測存在較大困難。而紅外監(jiān)測由于儀器操作簡便，結(jié)果顯示直觀，使用最為熟練和頻繁，但是對電機軸承狀態(tài)的判斷缺乏相應(yīng)的理論依據(jù)。針對這一問題，本文在綜合分析電機軸承滾珠破損、保持架斷裂、潤滑不良、滑油失效等常見故障的熱特征后發(fā)現(xiàn)，當電機軸承出現(xiàn)故障后，其表現(xiàn)出來的一個重要特征就是軸承安裝部位溫度升高。但是目前對船用中小型異步電機溫度場的研究相對較少，哈爾濱理工大學(xué)靳廷船［11］、海軍工程大學(xué)王艷武［12］等人分別對感應(yīng)電機定子和轉(zhuǎn)子溫度場及轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力場的分布規(guī)律進行了研究，但是對于電機軸承運行性能不同時電機轉(zhuǎn)子溫度場的變化情況則缺乏相應(yīng)的研究。本文根據(jù)艦船電機實際特點，分別對異步電機轉(zhuǎn)子溫度場開展理論和實驗研究，進一步獲取電機軸承故障時的溫度場特征，為電機軸承早期故障的紅外診斷提供理論支持。

1 電機軸承故障時轉(zhuǎn)子溫度場仿真研究

1.1 電機轉(zhuǎn)子三維模型建立

本文研究以Y100L－2型電機為對象。根據(jù)研究的目的，取轉(zhuǎn)子、電機軸承、端蓋為整個求解區(qū)域，端蓋外部風(fēng)扇在實際應(yīng)用中被風(fēng)扇罩蓋住，所以建立模型不考慮風(fēng)扇，而是直接利用軸取代，圖1為在ANSYS下建立的電機輸出端軸承故障時轉(zhuǎn)子三維幾何模型;圖2為模型中間部位橫截面示意圖。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性和電機導(dǎo)熱特點，作如下假設(shè):

1)電機轉(zhuǎn)子端部兩側(cè)的空腔中空氣溫度均勻;

2)軸承產(chǎn)生的熱量均勻分布在整個軸承體，取軸承為相對靜止;

3)軸承、轉(zhuǎn)軸和軸承座過盈配合，接觸良好;

4)電機在圓周方向的冷卻條件相同;

5)在一定工況下，電機軸承的摩擦損耗，即模型軸承部分的內(nèi)熱源越大，表示軸承狀態(tài)越差，故障程度越嚴重。

圖1 轉(zhuǎn)子三維模型圖Fig．1 3D model of rotor

圖2 轉(zhuǎn)子模型橫截面示意圖Fig．2 Cross section of model

根據(jù)以上假設(shè)，針對計算區(qū)域建立三維穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)學(xué)模型［13］為

式中:kx、ky、kz、kn分別為導(dǎo)熱介質(zhì)在x、y、z和邊界法線方向的導(dǎo)熱系數(shù);qv為單位介質(zhì)體積發(fā)熱率;α為對流換熱系數(shù);Ω為計算區(qū)域;?Ω為計算區(qū)域邊界;T為模型計算區(qū)域溫度;Tf為冷卻介質(zhì)溫度。

1.2 邊界條件

電機本身是一個有熱源的傳熱體，其熱量傳遞過程，主要是熱傳導(dǎo)和對流換熱過程，即導(dǎo)熱和對流換熱的綜合過程。由傳熱學(xué)基礎(chǔ)知識可知，上述過程與介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)和表面對流換熱系數(shù)直接有關(guān)，本文對這些系數(shù)的確定主要是依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗公式結(jié)合實驗測量獲得［14－15］。對于模型內(nèi)熱源的確定，主要是利用試驗測量結(jié)合研究電機型號查閱相關(guān)資料獲得。對于中小型異步電機，其軸承基本上是滾動軸承，滾動軸承的摩擦損耗可用經(jīng)驗公式進行計算［15］，即

式中:n為電機轉(zhuǎn)速，r/min;mb為摩擦力矩，N·m。

式中:Gr為轉(zhuǎn)子重量，kg;Dsh為轉(zhuǎn)軸直徑，m。

1.3 溫度場仿真分析

根據(jù)假設(shè)及邊界條件，對電機在空載運行，電機軸承發(fā)生故障時的三維溫度場進行仿真研究。在電機正常運行時，電機軸承的損耗可以按式(2)和式(3)進行計算;當輸出端軸承出現(xiàn)故障時，隨著故障嚴重程度的增加，軸承損耗也增加。根據(jù)故障程度的不同，假設(shè)軸承損耗是電機額定輸出功率的0.5%和1%，并以此為故障軸承內(nèi)熱源進行計算。圖3～圖5分別為電機正常運行、電機輸出端軸承損耗為電機額定輸出功率的0.5%、輸出端軸承損耗為電機額定輸出功率的1%時轉(zhuǎn)子三維溫度場分布云圖。

圖3 正常運行轉(zhuǎn)子三維溫度場分布云圖Fig．3 3D thermal field of rotor without fault

圖4 輸出端軸承損耗為額定輸出功率0.5%轉(zhuǎn)子三維溫度場分布云圖Fig．4 3D thermal field of rotor with 0.5%rated load losses in bearing

圖5 輸出端軸承損耗為額定輸出功率1%轉(zhuǎn)子三維溫度場分布云圖Fig．5 3D thermal field of rotor with 1%rated load losses in bearing

從仿真計算結(jié)果來看，隨著軸承狀態(tài)的惡化，軸承產(chǎn)生熱量增加，導(dǎo)致軸承部位溫度升高，但是對整個轉(zhuǎn)子部分的溫升影響不大。在軸承損耗為電機額定輸出功率的0.5%時，整個模型溫度最高值比正常時最高溫度升高約0.4℃;當軸承損耗為額定輸出功率的1%時，最高溫度比正常時高出約1.8℃;而軸承在三種狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子部分最低溫度變化基本上可以忽略，因此從溫度值的變化來看，整個轉(zhuǎn)子部分溫升并不很明顯。但是隨著軸承狀態(tài)的惡化，其損耗的增加，轉(zhuǎn)子部分最高溫度的位置發(fā)生了變化，在正常運行時，整個模型最高溫度點出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子鐵心部分，而隨著軸承狀態(tài)的惡化，其損耗的進一步加大，模型最高溫度點則出現(xiàn)在故障軸承處。同時隨著輸出端軸承的惡化，輸出軸溫度整體升高，但是風(fēng)扇端轉(zhuǎn)軸溫度變化不大，而整個模型的最低溫度位置也沒有發(fā)生改變，仍然出現(xiàn)在風(fēng)扇端端蓋。

圖6～圖8為軸承狀態(tài)改變時，輸出端端蓋表面溫度場分布云圖。從計算結(jié)果來分析，端蓋表面溫度從中心沿徑向向外逐步降低。隨著軸承狀態(tài)的惡化，端蓋表面溫度整體升高，端蓋部分的溫差加大，這也說明軸承狀態(tài)的好壞對端蓋表面的溫度場影響較大，可以通過監(jiān)測端蓋表面溫度場的變化，獲取軸承狀態(tài)信息。

圖6 正常運行輸出端端蓋溫度場分布云圖Fig．6 Surface thermal field of motor cover without fault

圖7 軸承損耗為額定輸出功率0.5%端蓋溫度場分布云圖Fig．7 Surface thermal field of motor cover with 0.5%rated load losses in bearing

圖8 軸承損耗為額定輸出功率1%端蓋溫度場分布云圖Fig．8 Surface thermal field of motor cover with 1%rated load losses in bearing

圖9所示為空載時電機輸出端端蓋外表面從內(nèi)到外沿徑向的溫度分布曲線。圖中顯示，當軸承損耗為額定輸出功率的1%時，端蓋外表面溫度最高，而當損耗為0.5%時次之，軸承正常時溫度最低。3種狀態(tài)下，均是端蓋靠軸承安裝位置的部分溫度最高，沿徑向逐步降低。隨著軸承狀態(tài)的惡化，端蓋表面溫升增加的同時，溫差也進一步加大。3種狀態(tài)下，端蓋部分最高溫度分別為 42.35、47.85和53.74℃，溫升分別為13.18、18.68和24.57℃，即當軸承損耗達電機額定輸出功率的1%時，端蓋部分最大溫升幾乎是正常時的2倍，即使損耗為額定輸出功率的0.5%，最大溫升也幾乎是正常時的1.5倍，這說明軸承狀態(tài)的變化，直接影響到端蓋部分的溫升，因此通過端蓋部分溫度的變化，即可判斷軸承狀態(tài)的變化。而3種狀態(tài)下，端蓋部分的最大溫差分別為1.78、4.04和6.46℃，即隨著軸承狀態(tài)的惡化，損耗的增加，電機端蓋溫升增加的同時，端蓋部分溫差也增加。

圖9 輸出端端蓋外表面徑向溫度分布曲線Fig．9 Temperature curves of motor cover in radial

2 電機軸承故障實驗測量結(jié)果分析

實驗以Y100L－2型電機為研究對象，輸出端軸承故障。圖10為潤滑良好，無故障軸承。圖11為保持架及滾珠被破壞的軸承。實驗時首先利用紅外熱像儀測量電機空載狀態(tài)下軸承工作正常時輸出端端蓋的溫度分布，如圖12所示;圖13為輸出端軸承保持架和滾珠損壞時，電機空載時的輸出端端蓋紅外熱圖。

圖10 完好軸承Fig．10 Bearing without faults

圖11 故障軸承Fig．11 Bearing with faults

圖12 軸承正常時輸出端端蓋紅外熱圖Fig．12 Infrared image of cover without faults

圖13 軸承故障時輸出端端蓋紅外熱圖Fig．13 Infrared image of cover with bearing faults

分析兩種狀態(tài)下測量的軸承紅外熱圖，發(fā)現(xiàn)在軸承故障時，端蓋中心部位軸承安裝位置溫度與周圍邊界輪廓清楚，而軸承正常時則相對模糊些，說明軸承故障時對端蓋溫度場分布還是存在一定影響的。在實驗測量時，環(huán)境溫度基本一致，但是端蓋表面最高溫度發(fā)生變化。測量區(qū)域中最高溫度由軸承良好時的42.0℃升高到軸承故障時的46.4℃，說明軸承故障對端蓋溫度最高溫升有影響，這一點與理論仿真結(jié)果相同。

圖14為實驗測量的在軸承正常和故障狀態(tài)下的端蓋表面徑向溫度分布曲線。從溫度分布曲線來看，與圖9中理論仿真的端蓋表面溫度分布曲線的分布規(guī)律基本一致，即端蓋表面從中心向邊緣沿徑向溫度是逐步降低的。從測量結(jié)果來看，軸承正常時最高溫度為39.5℃，溫升僅僅為10℃左右，端蓋表面溫差為3.9℃;軸承故障時端蓋表面最高溫度為43.4℃，比環(huán)境溫度高14℃，此時端蓋溫度明顯高于軸承正常時的溫度;軸承故障時端蓋表面溫差為6.8℃，比軸承正常時高出近3℃，說明軸承故障時導(dǎo)致端蓋溫升增加的同時也導(dǎo)致端蓋表面溫差的增加，這一結(jié)論與理論仿真結(jié)論也一致。同時從實驗測量的熱圖和數(shù)據(jù)來看，端蓋表面中心位置，即軸承座位置，端蓋表面溫度明顯高于周圍，其沿徑向向外溫度變化緩慢，這一點理論計算溫度分布曲線也得到體現(xiàn)。但是繼續(xù)沿徑向向外，端蓋表面溫度則降低很快，說明端蓋表面溫度分布受軸承的影響很大，因此可以通過對端蓋表面溫度分布規(guī)律結(jié)合溫差來對軸承狀態(tài)進行判斷。

圖14 空載實驗測量端蓋表面徑向溫度分布曲線Fig．14 Temperature curves of cover in radial by experiment measured on unloaded motor

圖15、圖16為另一臺軸承外圈存在故障電機在負荷發(fā)生變化時測量的電機端蓋表面紅外熱圖。從測量的結(jié)果來分析，當軸承故障程度不發(fā)生變化，電機負荷發(fā)生變化時，電機端蓋表面溫度分布規(guī)律幾乎沒有變化。這說明電機負荷的變化，對端蓋溫度場的分布規(guī)律影響不大，僅僅是溫升增加。圖17為兩種負荷下測量的端蓋表面徑向溫度分布曲線。從測量結(jié)果來看，在電流為4.75 A時，端蓋表面溫差為2.4℃，而負載增加，電流為6.2 A時，溫差為2.7℃。即電機負荷增加時，端蓋表面溫升和溫差均增加，但是端蓋表面溫度分布規(guī)律基本不變。

圖15 電壓350 V電流4．75 A端蓋熱圖Fig．15 Infrared image of cover when U=350 V and I=4．75 A

圖16 電壓350 V電流6．2 A端蓋熱圖Fig．16 Infrared image of cover when U=350 V and I=6．2 A

圖17 負載實驗測量端蓋表面徑向溫度分布曲線Fig．17 Temperature curves of cover in radial by experiment measured on loaded motor

3 結(jié)語

通過對軸承處于不同故障程度的電機轉(zhuǎn)子三維溫度場的仿真研究及電機軸承故障的實驗分析，發(fā)現(xiàn)電機端蓋溫度分布，不論軸承是否有故障，均是沿徑向從內(nèi)到外溫度逐步降低，在端蓋軸承座正對部位，溫度變化緩慢，但是從軸承外徑繼續(xù)向外，端蓋溫度下降迅速;負荷條件相同時，軸承損壞越嚴重，端蓋表面溫升越大，因此通過同一種負荷條件下端蓋表面溫升的變化可以對軸承狀態(tài)進行初步判斷;電機端蓋表面的絕對溫升隨負荷增加而升高，因此不能僅僅憑借端蓋表面溫升來對相應(yīng)軸承狀態(tài)進行判斷;電機負荷的變化雖然對端蓋溫升影響很大，但是對端蓋溫度場的分布規(guī)律影響卻很小，基本可以忽略;利用紅外熱像儀測量電機端蓋表面溫度場分布規(guī)律，可以對電機軸承狀態(tài)進行實時判斷。為了進一步對電機軸承故障進行紅外診斷，需要對電機軸承各類故障的發(fā)熱機理進行研究。

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