電機振動特性測試安裝條件研究

劉金旭 丁天慧

（中國船舶重工集團公司第712研究所， 武漢 430064）

安裝條件對電機的振動測量結果有很大的影響，在設備的振動測量、評定試驗中，相關國家標準對設備的安裝條件都有明確的要求。例如GB10068-2000《軸中心高為 56 mm及以上電機的機械振動 振動的測量、評定及限值》[1]中，要求“將電機懸掛在彈簧上或安裝在有彈性的支撐件（彈簧、橡膠墊等）上”。如果條件不允許，設備剛性安裝時，要求“在電機底腳上（或在座式軸承或定予底腳附近的底座上）的水平與垂直兩方向所測得的最大振動速度應不超過臨近軸承上沿水平或垂直方向測得的最大振動速度的25%”。

在行業標準里，對振動測試試驗中設備的安裝條件也給出了明確要求。例如 GJB4058-2000《艦船設備噪聲、振動測量方法》[2]要求“設備與基礎之間應采用彈性安裝方式，隔振器宜選用安裝實際隔振器；若無條件實現實際隔振器安裝，可選用其他隔振器，但隔振器的數量、安裝位置和動剛度間的匹配應接近實際使用情況”等等。

然而，在實際中，由于現場條件限制，試驗場地的安裝條件和標準的規定是有一定差距的。試驗中常發現，相關振動測試標準雖然規定明確，但是實際工作中卻難以操作[3]。

本文通過對設備-隔振器-安裝基礎的系統振動特性進行理論分析，提出了用隔振器的隔振效果來評價彈性安裝條件是否影響到設備振動特性測試的評價方法。并針對一臺風機在不同的隔振器安裝條件下的振動特性進行了相關試驗，試驗結果表明，用隔振效果來評價安裝條件對設備的振動特性測試的影響是合適、方便易行的。

1 電機振動的系統分析

1.1 電機的振動特點

引起旋轉電機振動的因素很多，按振動本身的性質可以分為強迫振動、自激振動等；按激勵源的物理性質可以分為機械激振、氣體與流體動力激振以及電磁力激振等；按振動的頻域特性可以分為同步振動和亞同步振動。同步振動在頻域表現為回轉頻率及其倍頻。亞同步振動在頻域表現為分數諧波和低頻有色噪聲。各種振動分量的特征頻率可以表示為：

式中：f：電機設備機械振動特征頻率，Hz；n：轉子旋轉速度，rpm；k：諧波頻率倍數。

諧波頻率倍數k與振動源的特性相關，同步振動情況下k＞1，在少數亞同步振動數情況下k＜1。在設備正常運行沒有振動故障的情況下，諧波頻率倍數k≥ 1，且為整數。

1.2 系統振動響應分析

振動分析的參數主要為振動位移x、振動速度v、振動加速度a，同頻率三者的幅值關系為：

式中：ω：振動角頻率。

各類振動均可以通過振動FFT線譜圖測試。

電機振動響應的分析可簡化成單自由度系統的振動響應分析。單自由度的系統如圖1所示。

圖1 單自由度系統

對單自由度系統，運動方程為[4]：

設激勵力F(t)的表達形式為：

則系統的穩態響應為：

其中：

式中：ωN：系統的固有角頻率。

在復頻域，系統的幅頻響應為：

系統的動力傳遞率TF：

其中F’0為設備通過隔振器向基座傳遞的力，F0為設備本身的激勵力。

設備的振動速度隔振效果為：

設備的隔振效果為：

其中X1、V1、a1為設備的振動位移、速度、加速度；X2、V2、a2為基礎的振動位移、速度、加速度；

對于不同ω/ωN下，動力傳遞率TF、振動速度隔振效果TV、振動加速度隔振效果Ta見表1。

表 1 TF、TV、Ta與 ω/ωN的關系

表1可見，當ω/ωN＞3時，頻率為ω的激振力傳遞到安裝基礎的已經很小，實際上相當于頻率為ω的振動為自由邊界，此時設備的振動量級基本反映了設備本身的振動特性。

對于正常安裝運行的電機，如果振動速度的隔振效果TV≥ 8倍時，可以認為此彈性安裝條件下振動速度為自由邊界條件，測量結果能夠很好反映設備的振動速度特性；振動加速度一般是高頻分量占主要成分，這時ω/ωN遠大于3，測量結果基本上都可以反映設備的振動加速度特性。所以可以將振動速度作為優先考慮條件。

即在實際測試試驗中，可測量隔振器上、下的振動速度的綜合平均值，如果

則可以認為此彈性安裝條件是可行的。

其中：

x,y,z：分別為傳感器的軸向、水平方向、垂向。

2 電機振動特征頻率分析

電機振動特點[5]如表2所示。

表2 電機振動一般特征頻率

電機振動量級的測試試驗中一般測量振動速度和振動加速度，振動速度反映了設備中、低頻的振動特性，振動加速度一般反映了中、高頻的振動特性。電機隔振器的設計中，一般保證隔振器的固有頻率低于設備固有頻率的1/2 ～ 1/3，這樣振動測量中，振動速度易受隔振器的影響，而振動加速度一般不易受隔振器性能的影響。

3 安裝條件評價試驗驗證

3.1 試驗平臺

試驗平臺如圖2，電機Pn=7.5 kW，旋轉速度n=1493 rpm，重量m1=85 kg，風扇為10片葉片，重量m2=25 kg，隔振器型號如后試驗數據。試驗平臺如圖2所示。

測點布置在隔振器上下，只測量垂向振動。

3.2 試驗結果

不同的隔振器安裝條件下振動測試結果如表3所示。對比各種隔振器安裝條件下，振動測試結果基本符合上述論述。

圖2 試驗設備布置及測點圖

4 結束語

通過本文分析可得到如下結論：

1）電機在彈性安裝條件下，隔振器的隔振效果用振動速度描述，當TV=V1/V2＞8時，測試的振動速度、加速度基本能反映設備的固有振動特性；

2）由于振動加速度不能完全反映設備的低頻振動特性，不宜以振動加速度作為評價安裝條件是否可靠的評定指標；

3）設備彈性安裝條件下的振動量級測量，隔振器的性能對振動速度有一定影響，而對振動加速度影響甚微。

表3 試驗測試結果

[1] GB10068-2000, 軸中心高為56 mm及以上電機的機械振動 振動的測量、評定及限值.[S].2008.

[2] 國防科學技術工業委員會. GJB 4058-2000 艦船設備噪聲、振動測量方法.[S] 2000-06-15發布.

[3] 原春暉, 朱顯明. 艦艇機械設備噪聲振動特性的測試方法. 艦船科學技術,增刊 ,2006(2):28.

[4] 楊建剛. 旋轉機械振動分析與工程應用[M]. 中國電力出版社，2007.7.

[5] 陳永校, 褚志強, 應哲成. 電機噪聲的分析和控制.浙江:浙江大學出版社，1987.6.