農(nóng)機(jī)異步電機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

田 睿

（新疆理工學(xué)院，新疆 阿克蘇 843100）

隨著科技的飛速發(fā)展，異步電機(jī)憑借其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便宜耐用和傳動(dòng)效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上得到了廣泛應(yīng)用，比如，應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的脫粒機(jī)、粉碎機(jī)等。由于農(nóng)機(jī)的工作環(huán)境和工作條件的影響，一旦異步電機(jī)發(fā)生故障，將對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生較大的影響。為此，筆者通過對(duì)農(nóng)機(jī)異步電機(jī)的故障診斷進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一套針對(duì)農(nóng)機(jī)異步電機(jī)進(jìn)行故障檢測(cè)的故障檢測(cè)系統(tǒng)。

1 農(nóng)機(jī)異步電機(jī)故障分析

農(nóng)機(jī)異步電機(jī)根據(jù)其故障類型，基本上可以分為機(jī)械故障和電氣故障兩大類。

1.1 機(jī)械故障

機(jī)械故障是農(nóng)機(jī)異步電機(jī)最常見的故障類型，機(jī)械故障主要包括電機(jī)軸承故障、電機(jī)振動(dòng)異常、電機(jī)內(nèi)部溫度過高、電機(jī)噪聲過大等[1-3]。在這些機(jī)械故障中，出現(xiàn)故障頻率最高的為電機(jī)軸承故障和電機(jī)振動(dòng)異常。

1.1.1 電機(jī)軸承故障

電機(jī)軸承故障的主要表現(xiàn)形式為電機(jī)軸承溫度較高或者升溫較快，導(dǎo)致軸承過熱。出現(xiàn)該故障的原因可能有多個(gè)，比如，電機(jī)軸承不匹配、潤(rùn)滑用油脂過多或者過少，還可能是因?yàn)殡姍C(jī)長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電機(jī)軸承磨損較大。針對(duì)這一類電機(jī)軸承故障的檢測(cè)來(lái)說，可以在農(nóng)機(jī)異步電機(jī)運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)采集軸承溫度和潤(rùn)滑用油脂的含量等，通過采集到的軸承溫度和潤(rùn)滑用油脂的含量來(lái)判斷電機(jī)軸承的故障情況，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸承的故障檢測(cè)。

1.1.2 電機(jī)振動(dòng)異常

電機(jī)振動(dòng)異常的主要表現(xiàn)形式為電機(jī)在運(yùn)行過程中振動(dòng)幅度或者振動(dòng)頻率超過正常值。出現(xiàn)該故障的原因一般為異步電機(jī)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)部件出現(xiàn)異常。對(duì)于農(nóng)機(jī)電機(jī)振動(dòng)異常的故障檢測(cè)，可以通過振動(dòng)傳感器等采集異步電機(jī)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，比如可以采集振動(dòng)頻率或者振動(dòng)頻譜等。然后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得到振動(dòng)頻率與異步電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，基于振動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系來(lái)判斷電機(jī)振動(dòng)異常的故障原因。故障原因有多種，當(dāng)異步電機(jī)當(dāng)前的振動(dòng)頻率為基頻振動(dòng)時(shí)，故障原因就可能為轉(zhuǎn)子平衡問題導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)異常，當(dāng)異步電機(jī)當(dāng)前的振動(dòng)頻率為高頻或倍頻振動(dòng)時(shí)，故障原因就可能為異步電機(jī)內(nèi)部的軸承滾道或者滾子等部件損壞。另外，異步電機(jī)在運(yùn)行過程中，共振往往也會(huì)導(dǎo)致異步電機(jī)產(chǎn)生高頻振動(dòng)，為了更加精準(zhǔn)地檢測(cè)異步電機(jī)振動(dòng)異常的故障原因，還可以對(duì)農(nóng)機(jī)異步電機(jī)進(jìn)行振動(dòng)仿真分析，基于振動(dòng)仿真結(jié)果對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行調(diào)整，從而避免出現(xiàn)共振的情況。

1.2 電氣故障

1.2.1 繞組擊穿故障

繞組擊穿故障的故障類型可以有多種，主要包括異步電機(jī)內(nèi)部短路故障和擊穿故障，短路故障可能為異步電機(jī)內(nèi)部線圈匝間短路，而擊穿故障包括異步電機(jī)內(nèi)部相間擊穿和對(duì)比擊穿等。在農(nóng)機(jī)異步電機(jī)上，繞組擊穿故障通常出現(xiàn)在電機(jī)啟動(dòng)階段，對(duì)于繞組擊穿故障的檢測(cè)可以檢測(cè)電機(jī)的輸出或者內(nèi)部電壓等情況，從而判斷出繞組擊穿故障的故障類型。

1.2.2 鼠籠型轉(zhuǎn)子斷條故障

轉(zhuǎn)子斷條故障也是農(nóng)機(jī)異步電機(jī)比較常見的電氣故障，農(nóng)機(jī)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的材質(zhì)通常為鑄鋁或銅條這兩種。在異步電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊，當(dāng)沖擊達(dá)到一定載荷時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子導(dǎo)條發(fā)生斷裂，從而出現(xiàn)轉(zhuǎn)子斷條故障，此時(shí)，異步電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩就會(huì)大大降低，而且啟動(dòng)時(shí)間也會(huì)變長(zhǎng)，甚至無(wú)法正常啟動(dòng)，另外，還會(huì)出現(xiàn)電流不穩(wěn)定、轉(zhuǎn)速降低和電機(jī)內(nèi)部溫度升高等諸多異?，F(xiàn)象。因此，可以通過檢測(cè)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、電流、轉(zhuǎn)速和電機(jī)溫度等方式來(lái)判斷轉(zhuǎn)子斷條故障。

1.3 常用故障檢測(cè)方法

農(nóng)機(jī)異步電機(jī)常見的故障檢測(cè)方法主要包括兩大類，一類是定性分析采集的數(shù)據(jù)檢測(cè)出故障，另一類是定量分析方法。定性分析方法包括基于解析模型的方法、基于信號(hào)處理的方法和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，定量分析方法主要包括基于專家系統(tǒng)的方法、基于定量仿真的方法和基于凸輪的方法。對(duì)于一般的農(nóng)機(jī)異步電機(jī)來(lái)說，重點(diǎn)可以采用專家系統(tǒng)或者時(shí)頻信號(hào)診斷的方法進(jìn)行故障檢測(cè)。

2 農(nóng)機(jī)異步電機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

農(nóng)機(jī)異步電機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)功能可以分為四個(gè)模塊，分別為數(shù)據(jù)采集模塊、檢測(cè)模塊、交互模塊和維修模塊等，如圖1 所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊用于采集農(nóng)機(jī)異步電機(jī)的各個(gè)檢測(cè)參數(shù)，同時(shí)，還可以采集農(nóng)機(jī)上的一些運(yùn)行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集模塊主要包括各種數(shù)據(jù)傳感器、用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ叛b置和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)等。農(nóng)機(jī)異步電機(jī)在運(yùn)行過程中，通過傳感器實(shí)時(shí)或者定時(shí)采集運(yùn)行中的檢測(cè)數(shù)據(jù)，這些檢測(cè)數(shù)據(jù)可以是異步電機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率、電流、電壓、功率、輸出轉(zhuǎn)矩、軸承溫度、潤(rùn)滑油脂含量等。將采集的數(shù)據(jù)通過通信裝置傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)和更新，還可以將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為檢測(cè)模塊可以識(shí)別和應(yīng)用的數(shù)據(jù)格式[4-5]。

2.3 檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊用于對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量或定性分析，從而檢測(cè)出農(nóng)機(jī)異步電機(jī)存在的故障。檢測(cè)模塊主要包括兩個(gè)方面的檢測(cè)，一個(gè)是當(dāng)農(nóng)機(jī)異步電機(jī)存在故障時(shí)，基于采集的數(shù)據(jù)直接分析農(nóng)機(jī)異步電機(jī)的故障類型和原因；另一個(gè)是通過采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)出農(nóng)機(jī)異步電機(jī)的性能，通過分析性能變化，檢出農(nóng)機(jī)異步電機(jī)當(dāng)前存在的故障類型和原因[5-6]。第一類檢測(cè)方式可以直接對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而準(zhǔn)確地判斷故障類型和原因，針對(duì)這一類檢測(cè)方式可以采用各種智能檢測(cè)方式進(jìn)行分析，比如，可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者其他AI 檢測(cè)算法進(jìn)行分析，從而減少人工分析產(chǎn)生的誤差，還可以提升檢測(cè)速度。第二類檢測(cè)方式重點(diǎn)在于對(duì)農(nóng)機(jī)異步電機(jī)的性能進(jìn)行分析和判斷，可以基于性能對(duì)應(yīng)的異步電機(jī)的不同部分進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，從而準(zhǔn)確地判斷出發(fā)生故障的部位，并基于該部位對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，確定該故障發(fā)生的原因。

2.4 交互模塊

交互模塊主要用于在終端通過頁(yè)面交互的信息，與用戶或者管理員進(jìn)行信息交互，交互模塊包括查詢子模塊、展示子模塊和維護(hù)子模塊。查詢子模塊用于查詢農(nóng)機(jī)異步電機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障及故障原因等信息，展示子模塊用于實(shí)時(shí)展示檢測(cè)出的農(nóng)機(jī)異步電機(jī)的故障類型和原因等信息，維護(hù)子模塊用于對(duì)農(nóng)機(jī)異步電機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)信息或數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)，比如刪減或增加部分?jǐn)?shù)據(jù)，輸入和輸出部分?jǐn)?shù)據(jù)等等。

2.5 維修模塊

維修模塊用于輸出或展示故障對(duì)應(yīng)的維修方案和維修資料等，維修模塊包括維修方案展示子模塊和維修資料展示子模塊，維修方案展示子模塊用于展示當(dāng)前故障對(duì)應(yīng)的維修視頻和工藝，維修資料展示子模塊用于展示當(dāng)前故障需要用到的維修圖紙，比如異步電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖、線路圖或者其他圖紙。

3 軟件功能與界面設(shè)計(jì)

對(duì)于農(nóng)機(jī)異步電機(jī)故障檢測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，在農(nóng)機(jī)異步電機(jī)故障診斷過程中，故障檢測(cè)系統(tǒng)需要獲取農(nóng)機(jī)異步電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行信息，再基于當(dāng)前運(yùn)行信息進(jìn)行故障檢測(cè)，可以為人工檢測(cè)，也可以為系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)算法自檢，檢測(cè)出故障類型和原因[6-8]之后，便可以生成異步電機(jī)故障檢測(cè)日志。然后，根據(jù)異步電機(jī)故障檢測(cè)日志，在預(yù)設(shè)維修信息中篩選出當(dāng)前故障類型對(duì)應(yīng)的維修方案和資料，并輸出或展示該維修方案和資料。因此，農(nóng)機(jī)異步電機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)主要功能包括信息采集和管理功能、電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷功能和電機(jī)維修輔助功能。

針對(duì)以上功能，在農(nóng)機(jī)異步電機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)中的界面設(shè)計(jì)主要包括故障展示界面、故障查詢界面、故障檢測(cè)界面和故障統(tǒng)計(jì)界面[9-10]。

3.1 故障信息展示界面

故障信息展示界面如圖2 所示，用戶在登錄農(nóng)機(jī)異步電機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)之后，觸發(fā)當(dāng)前故障控件，就可以顯示故障信息展示頁(yè)面，該故障信息展示頁(yè)面主要包括農(nóng)機(jī)異步電機(jī)在運(yùn)行過程中檢測(cè)出故障的故障編號(hào)、故障詳情以及針對(duì)該故障的故障分類，故障分類包括多種，比如可以為外部故障、內(nèi)部故障和設(shè)備故障等等。還可以對(duì)檢測(cè)出的故障進(jìn)行操作，比如，當(dāng)檢測(cè)出的故障為誤檢測(cè)的故障時(shí)，就可以將該故障進(jìn)行刪除，另外，還可以對(duì)檢測(cè)出的故障進(jìn)行鎖定操作和編輯操作，編輯操作主要用于在該故障中編輯故障信息等，然后將編輯后的故障信息發(fā)送至農(nóng)機(jī)操作系統(tǒng)進(jìn)行故障提示等。

圖2 故障信息展示界面

3.2 故障查詢界面

故障查詢界面如圖3 所示，用戶或管理員在故障信息展示頁(yè)面中觸發(fā)查詢控件，然后，通過輸入查詢信息，就可以展示故障查詢界面。當(dāng)故障的數(shù)量較多或者檢測(cè)周期較長(zhǎng)時(shí)，就可以設(shè)定特點(diǎn)的查詢條件，從而在歷史故障信息中查詢出想要查詢的故障，然后，在故障查詢界面展示查詢出的目標(biāo)故障及其信息等。

圖3 故障查詢界面

3.3 故障檢測(cè)界面

故障檢測(cè)界面如圖4 所示，故障檢測(cè)界面用于顯示檢測(cè)出的故障的原因和檢測(cè)信息等，故障檢測(cè)界面主要有當(dāng)前檢測(cè)出的故障類型、針對(duì)該故障進(jìn)行故障分析后得到的故障原因、檢測(cè)時(shí)間等信息。故障檢測(cè)界面還具有查詢控件和檢測(cè)控件，當(dāng)用戶觸發(fā)查詢控件時(shí)，就可以輸入查詢信息，進(jìn)而展示故障查詢界面；當(dāng)用戶觸發(fā)檢測(cè)控件時(shí)，可以實(shí)時(shí)對(duì)農(nóng)機(jī)異步電機(jī)進(jìn)行故障檢測(cè)，這里的故障檢測(cè)包括運(yùn)行狀態(tài)下的檢測(cè)和靜止?fàn)顟B(tài)下的檢測(cè)。

圖4 故障檢測(cè)界面

3.4 故障統(tǒng)計(jì)界面

故障統(tǒng)計(jì)界面如圖5 所示，故障統(tǒng)計(jì)界面用于統(tǒng)計(jì)在一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)，農(nóng)機(jī)異步電機(jī)出現(xiàn)的故障類型、故障原因和檢測(cè)時(shí)間等信息。通過故障統(tǒng)計(jì)界面統(tǒng)計(jì)出的檢測(cè)周期內(nèi)的故障詳情，就可以準(zhǔn)確判斷出該農(nóng)機(jī)異步電機(jī)在這個(gè)檢測(cè)周期的實(shí)時(shí)狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)農(nóng)機(jī)異步電機(jī)進(jìn)行正確的維護(hù)和保養(yǎng)。

圖5 故障統(tǒng)計(jì)界面

4 結(jié)語(yǔ)

筆者針對(duì)農(nóng)機(jī)異步電機(jī)的故障檢測(cè)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了面向農(nóng)機(jī)異步電機(jī)的故障檢測(cè)系統(tǒng)。在農(nóng)機(jī)異步電機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)過程中，首先分析了農(nóng)機(jī)異步電機(jī)常見的機(jī)械故障、電氣故障，以及常用的故障診斷方法；其次對(duì)于農(nóng)機(jī)異步電機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，采用了數(shù)據(jù)采集模塊、檢測(cè)模塊、交互模塊和維修模塊等多模塊設(shè)計(jì)；最后對(duì)農(nóng)機(jī)異步電機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行軟件功能與界面設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)異步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和故障診斷的功能，大大提升了農(nóng)機(jī)異步電機(jī)故障檢測(cè)效率。