基于在線狀態(tài)監(jiān)測的電機(jī)冷卻風(fēng)扇斷裂分析

水 龍，秦少鋒

（1.西安寄云科技有限公司，陜西西安 710077；2.杭州安脈盛智能技術(shù)有限公司，浙江杭州 310051）

0 引言

雙螺桿壓縮機(jī)因其可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)性能、易損件少、效率高等特點(diǎn)，在石油化工行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，在生產(chǎn)裝置中屬于重點(diǎn)設(shè)備，設(shè)備的完好率直接影響到整個(gè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性、流暢性、安全性。而電機(jī)是其動(dòng)力源，電機(jī)的健康程度直接影響著整個(gè)機(jī)組能否正常連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，在線狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)對電機(jī)的故障診斷起到了越來越重要的作用[1]。

傳統(tǒng)的電機(jī)監(jiān)測方式主要采用的是巡檢的模式，巡檢人員利用聽、摸、看的方式，對設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行評估，人員的經(jīng)驗(yàn)在其中占據(jù)絕對主導(dǎo)地位，因人不同設(shè)備狀態(tài)的評估結(jié)果可能會出現(xiàn)完全相反的結(jié)果。引入在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可以避免因主觀因素可能導(dǎo)致不同的結(jié)果，通過采集設(shè)備的振動(dòng)、溫度、電流等參數(shù)，將其數(shù)字化、可視化，綜合分析判斷設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早介入，延長設(shè)備使用壽命，減小故障帶來的危害，避免意外停機(jī)[2]。

1 背景介紹

2021 年2 月3 日22：03 左右，某化工企業(yè)凈化空氣風(fēng)機(jī)電機(jī)機(jī)組整體速度值突然升高，尤其是電機(jī)驅(qū)動(dòng)端，由3.1 mm/s左右上升到12.2 mm/s 左右，系統(tǒng)隨機(jī)報(bào)警，且APP 推送設(shè)備振動(dòng)異常報(bào)警?，F(xiàn)場人員經(jīng)過確認(rèn)后，機(jī)組于4 日凌晨3：23 左右停機(jī)，8:00 左右開始檢查維修。

2 電機(jī)振動(dòng)故障診斷方法

電機(jī)在線狀態(tài)監(jiān)測故障診斷，是利用設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與診斷等手段，掌握設(shè)備狀態(tài)的變化趨勢，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障征兆，根據(jù)實(shí)際情況對設(shè)備狀態(tài)做出合理的判斷，并采取最合理的預(yù)防性維修措施，從而延緩設(shè)備故障發(fā)展趨勢，實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)防性維修的目標(biāo)。

電機(jī)因類型不同，組成部分略有差異，主要由定子、轉(zhuǎn)子、殼體、軸承、冷卻風(fēng)扇等部件組成，因其結(jié)構(gòu)的特殊性，故障特征表現(xiàn)又有所不同，三相異步電機(jī)常見的故障有定子偏心、轉(zhuǎn)子偏心、轉(zhuǎn)子條斷裂或故障、軸承故障、冷卻風(fēng)扇不平衡等故障，以上故障都可通過在線狀態(tài)監(jiān)測采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)，利用時(shí)域、頻率、幅值等方法對故障進(jìn)行分析定位[3]。

通過處理傳感器采集的振動(dòng)信號，可實(shí)現(xiàn)對設(shè)備故障的準(zhǔn)確診斷的目標(biāo)。日常使用的診斷分析工具有頻譜分析、加速度包絡(luò)分析、時(shí)域分析、趨勢分析等，而電機(jī)冷卻風(fēng)扇不平衡的分析，主要是利用趨勢分析、頻譜分析、時(shí)域分析等，通過以上診斷工具的綜合使用及分析，準(zhǔn)確判斷出電機(jī)冷卻風(fēng)扇的不平衡故障[4]。

轉(zhuǎn)子不平衡的產(chǎn)生，是因轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡所產(chǎn)生的離心力始終作用在轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，就在轉(zhuǎn)子或軸承的某一測點(diǎn)處產(chǎn)生一次振動(dòng)響應(yīng)，因此其振動(dòng)頻率就是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速頻率，即工頻[5-6]。

3 凈化空氣風(fēng)機(jī)機(jī)組參數(shù)及測點(diǎn)布置

以某化工企業(yè)為例，凈化空氣風(fēng)機(jī)采用的是電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙螺桿壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)對空氣的壓縮。其中，電機(jī)型號為HXR 450LF2，功率250 kW，轉(zhuǎn)速為2979 r/min，由ABB 生產(chǎn)，電機(jī)兩端軸承為6317M/C3；雙螺桿壓縮機(jī)的入口溫度即環(huán)境溫度，入口流量為6384 m3/h，出口壓力0.2 MPa，軸承型號分別為SKF23120、NU2322 和NU220。

設(shè)備的故障在不同的方向反映的故障嚴(yán)重程度往往不同，振動(dòng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)一般選擇水平、垂直、軸向3 個(gè)方向。根據(jù)機(jī)組的特點(diǎn)、結(jié)合實(shí)際情況，對該機(jī)組布置的振動(dòng)傳感器分別為電機(jī)驅(qū)動(dòng)端、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端垂直、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端水平、風(fēng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端水平、風(fēng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端垂直（圖1）[7-8]。

圖1 凈化空氣風(fēng)機(jī)的振動(dòng)傳感器測點(diǎn)布置

根據(jù)設(shè)備情況，選用壓電式加速度傳感器，采用膠粘底座的方式將其安裝在設(shè)備殼體上（表1）。

表1 振動(dòng)傳感器參數(shù)

4 振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

在線監(jiān)測系統(tǒng)在采集到設(shè)備振動(dòng)速度值突然升高后，同時(shí)在系統(tǒng)和手機(jī)端發(fā)送設(shè)備報(bào)警信息。在調(diào)取設(shè)備的振動(dòng)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)速度值在突然上升后趨勢趨于穩(wěn)定，壓縮機(jī)端振動(dòng)速度值雖然也有所上升，但是上升幅度不及電機(jī)端幅度大（圖2、圖3）。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)端速度趨勢圖

圖3 風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端水平速度趨勢圖

通過查看電機(jī)驅(qū)動(dòng)端水平方向速度頻譜和時(shí)域波形譜，分析發(fā)現(xiàn)速度頻譜中主要為電機(jī)的工頻，且幅值較高（圖4）；時(shí)域波形近似正弦波，在波峰波谷處存在輕微的碰磨跡象（圖5）。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)端速度頻譜圖

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)端速度時(shí)域波形圖

根據(jù)機(jī)組的趨勢變化，結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)端的速度頻譜及時(shí)域波形的分析，判斷機(jī)組的故障源為電機(jī)端，電機(jī)存在不平衡故障，且為電機(jī)的某一部件損傷脫落。診斷出這一設(shè)備故障后，及時(shí)通知現(xiàn)場人員，經(jīng)過現(xiàn)場人員的確認(rèn)反饋，發(fā)現(xiàn)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)速度值更高，初步判斷為電機(jī)冷卻風(fēng)扇存在掉落風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)場及時(shí)停機(jī)。對設(shè)備拆機(jī)進(jìn)行檢修的發(fā)現(xiàn)，電機(jī)冷卻風(fēng)扇一個(gè)扇葉斷裂且另外兩個(gè)扇葉也已撕裂，存在隨時(shí)斷裂的可能（圖6）。

圖6 電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端拆解現(xiàn)場

5 結(jié)論

此設(shè)備發(fā)生故障的時(shí)間處于接近凌晨，如果未及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，很可能導(dǎo)致冷卻風(fēng)扇扇葉全斷裂，致使電機(jī)散熱不佳造成電機(jī)更大的損傷。

隨著在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的使用，一旦設(shè)備狀態(tài)發(fā)生異常就可在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理，通過相關(guān)人員的診斷分析，可發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障類型及故障點(diǎn)，及時(shí)采取相應(yīng)的措施，預(yù)防設(shè)備事故發(fā)生，實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康安全運(yùn)行，保障企業(yè)的安全生產(chǎn)，使企業(yè)效益最大化。