循環水泵電動機振動大的原因分析及處理措施

魏海濤，潘繼真，張 煜，唐海峰

(神華河北國華滄東發電有限責任公司，河北 滄州 061113)

1 設備概況

河北國華滄東發電有限責任公司二期工程循環水泵采用單級混流泵，配套三相異步電動機，電動機功率2 400 kW，轉速為375 r/min，循環水泵額定流量1 840 t/h，定子16極。轉子為鼠籠結構，水冷全封閉結構，上軸承為導向軸承組成，下軸承為滾柱軸承。32號循環水泵安裝投入商業運行時間為2009年3月27日。設備結構如圖1,其中,H為管出入口方向,V為與管道垂直方向，A為軸向；位置1為上軸承；位置2為下軸承；上軸承為滑動軸承，下軸承為滾動軸承。

2 振動過程及現象

2.1 振動過程

2009年12月28日14時55分，由于循環水泵電動機上軸承冷卻水管道焊縫出現滲漏導致電動機內部進水，電動機定子繞組燒毀后將電動機整體返回上海電動機廠進行繞組更換，重新噴漆烘干后返回重新安裝。電動機繞組燒毀前，電動機上軸承圓周方向最大振幅鐵心不大于0.02 mm，電動機繞組修復回裝后上軸承進出口方向振幅最小值為0.046 mm，最大值達0.24 mm(3月10日)(該泵組驅動電動機最大雙幅振動標準值為0.12 mm)，從振動變化趨勢來看，電動機振動呈現波動增大的現象，嚴重威脅水泵運行安全。

圖1 電動機及其支座示意

2.2 振動現象

2.2.1 幅值趨勢不穩定

該電動機在定子系統檢修后于2010年2月初投入運行，水泵帶負荷試運行，電動機軸承振動如表1。

表1 循環水泵帶負荷運行電動機軸承振動情況 mm

2010年2月10-20日期間，上軸承順管道方向振幅逐步升至0.08～0.1 mm，繼續運行至2010年2月28日，振幅升至0.15 mm左右，并維持約一周。在2010年3月1-10日，該方向振幅又出現一定程度下降，維持在0.06～0.08 mm，2010年3月12日，振幅又再次升至0.13～0.15 mm，2010年3月14日鐵心振幅達0.22 mm，超標停機。

2.2.2 電動機空負荷試運行振動幅值較大

該電動機在2010年3月進行3次空負荷試運行，期間測量其在沿管道方向鐵心振幅達0.04～0.11 mm，處于偏高水平，振動的幅值在歷次啟動均有所不同，有時啟動的鐵心振幅較高，有時較低，重復性較差。

2.2.3 空負荷振動具有突變性

2010年3月電動機2次空負荷試運行中還有較為明顯的振幅突變現象，圖2為26日測得該泵電動機單轉振動圖譜情況,垂直于管道方向振幅0.03～0.04 mm，順管道方向振幅0.08～0.11 mm，振動中主振頻率為二倍頻成分(2X)，并且引起振動波動的也是二倍頻(2X)變化所致，后觀察電動機打閘降速過程，由沿管道方向振動Bode圖(圖2)可看出，打閘后沿管道方向鐵心振幅瞬間減小，通頻值從0.11 mm驟降至0.03 mm左右，而轉速只從375 r/min變化為360 r/min，幅度為10 r/min，并且在360 r/min時振幅0.03 mm，振動的主振頻率為1X。

圖2 電動機空負荷試運行過程中上軸承順管道方向振動Bode圖

3 原因分析

3.1 振動現象分析

由該電動機總體的運行趨勢(圖3)可以看出，該電動機發生進水事件前各工況下，上下軸承的振動監測值均保持在很低的水平，即使是相對較高的上軸承，徑向振動的通頻值也在0.03～0.05 mm，軸向振幅值小于0.01 mm，而維修后出現的高鐵心振幅和發散現象，均為電動機定子重新返廠修理和回裝的過程之后，因此，電動機本體檢修和整體回裝是振動異常的客觀原因。

在電動機空負荷及連泵運行即帶負荷空負荷均出現維持較長時間的鐵心振幅大幅波動現象，根據振動理論中線性系統轉動機械的部件振幅與作用在部件上的激振力成正比，與其動剛度成反比。

圖3 電動機上軸承各方向修前振動幅值趨勢

振幅的大小決定于作用在轉子系統上的激振力和支撐系統的動剛度。該電動機在安裝完畢后，其動剛度即達到相對穩定的狀態，而其振幅的變化則主要取決于激振力大小和方向的變化。此設備實際情況是電動機無論是單體運行還是帶負荷運行，其上軸承振幅均有不穩定的情況存在，這表明在旋轉過程中存在有一定的力對電動機轉子系統產生作用，并且該作用力大小或方向不穩定變化，從而導致了振動狀態的不穩定。

3.2 振動成分分析

由于轉動機械振幅為一個矢量值，是各種不同激振力共同作用的結果，故采用頻譜分析的方法對其振動成分進行分析。圖4為2010年3月電動機上軸承順管道方向的振動頻譜，分別為帶負荷和空負荷的狀態，對應的通頻值約為0.12 mm和0.06 mm。

(a) 帶負荷狀態 (b) 空負荷狀態 (通頻值0.12 mm) (通頻值0.06 mm)圖4 電動機上軸承順管道方向振動頻譜

由圖4可以看出，其振動成分較為簡單(由于儀器頻響范圍影響，圖4中39 r/min頻率項應為虛假項)，主要為一倍頻分量(1X)和二倍頻分量(2X)組成，其余頻率成分輕微，并且，無論是否帶負荷，均表現為2X為主的現象，即該電動機振動主因為2X成分。

通過對其運行期間的多次測量，發現空負荷運行過程中，1X成分的峰值變化較小，基本均維持在0.025～0.035 mm，而2X分量峰值有所變化，峰值在0.04～0.085 mm，通頻值也同步波動在0.05～0.1 mm帶負荷運行過程中，1X有一定變化，波動在0.04～0.06 mm，2X變化區間較大，0.05～0.1 mm，同期振動通頻值0.08～0.15 mm，超出允許范圍。

3.3 振動機理分析

1X和2X為其高通頻值的絕對主要成分，以上2種頻率項的產生根源主要有：轉子系統承受較大的不平衡激振力,電動機轉子系統或支撐系統存在剛性不對稱及不對稱熱變形和對中偏差等方面。

3.3.1 振動組成中1X分量

對于1X分量，產生根源通常與轉子的殘余不平衡量及撓曲變形附加的不平衡量以及較大對中偏差等方面有關，該電動機帶負荷下1X分量峰值波動約0.05 mm，與修前振動組成中的1X分量峰值相差不大(圖5)，而空負荷狀況下，1X峰值約0.03 mm，故顯示出電動機轉子的不平衡量很小，并且由于是空負荷，對中偏差的可能性更是不存在。

圖5 電動機修前上軸承順管道方向振動頻譜(對應振動通頻值約0.025 mm)

3.3.2 振動組成中2X分量

2X成分是較1X對整體振幅影響更大的分量，并且其值較大、波動不穩定。2X分量產生原因主要有轉子系統自身剛性不對稱、支撐系統剛性不對稱以及對中不良。

由于在空負荷狀況下，該電動機上軸承振動通頻值達到0.04～0.09 mm，已屬較高水平，而此時與泵體未連接，對中偏差的可能性也不存在。

轉子系統在檢查各配合部件良好、籠條及繞組無松動和開裂的情況下，未見明顯的裂紋等異常現象，不存在轉子系統剛性偏差的情況。

支撐系統方面包括電動機自身整體的就位、電動機上下軸承的安裝等方面，如其存在偏差和不對稱的情況，分別會產生接觸不良及軸瓦油膜厚度不同等情況，使設備轉動過程中，不同方向上對轉子產生不對稱的約束力，從而表現為存在2X分量。

電動機運行時，定子和轉子的磁場相互作用，當定子三相磁場不對稱，定轉子間氣隙不均勻、回路電氣不平衡時，將產生較大的電磁力不平衡，也表現為不同方向上對轉子的限制力不同，引起電動機異常振動，而在頻譜上會呈現出為2X異常偏高的現象。定子電磁振動和靜態氣隙不均勻的振動頻率為電源頻率的二倍,電動機負載增加時，振動隨之增加。

5 處理措施及效果

對于該電動機振動主因為2X分量，其產生的根源在于支撐系統剛性不對稱以及電磁力作用兩方面。由于電動機空負荷試運行過程中，停電瞬間，在轉速輕微下降約10 r/min時刻，振幅由0.1 mm迅速降低至約0.03 mm，故電磁影響振動的可能性更明顯。

根據以上分析，確定了消振的重點是對電動機及其轉子支撐系統剛性狀況以及電動機定子方面進行檢查，主要的檢查工作有：電動機基礎水平度及接觸狀況；電動機轉子推力頭是否存在松動；電動機上下軸承的同心度；電動機上導瓦徑向間隙調整及絕緣墊塊狀況；電動機定子鐵心內圓橢圓度及槽楔松動狀況；電動機定轉子空氣間隙；電動機定子繞組絕緣及直阻狀況。

檢查結果發現支撐系統包括電動機本體水平度及其與基礎接觸狀況良好，上下軸承徑向間隙和同心度均勻，定子系統中絕緣和直阻偏差在標準范圍內，但空氣間隙偏差較高(約10%)，槽楔緊力也有超差點存在，后在電動機改雙速過程中對定子系統進行了重新布線和槽楔的固定安裝，啟動試運帶負荷狀況下，其上、下軸承各向振幅均在0.06 mm以下，空負荷試運狀態小于0.03 mm，并且振動組成中2X分量峰值明顯降低，峰值約0.02 mm，而1X峰值0.03～0.04 mm，較修前持平。經長時間運行觀察，其振動狀況維持平穩水平，無明顯波動現象，至此，該電動機振動異常的情況徹底得到了治理。

6 結束語

大型立式水泵驅動電動機的故障現象中，振動問題較為常見，需要認真查找振動的根源。以上案例宏觀上只表現為徑向振幅大，但卻是由于電動機定子、轉子氣隙不均和定子槽楔緊力存在偏差,引起運行過程中轉子受力不對稱激發的振動，只有通過細致的振動現象觀察和有針對性的頻譜分析，才能找到振動的真正原因，并采取恰當的處理措施，同時也說明現場動測試與頻譜分析是解決振動有效的辦法。

參考文獻：

[1] 沈慶根，鄭水英.設備故障診斷[M].北京：化學工業出版社，2006.