核電廠(chǎng)風(fēng)機(jī)機(jī)組振動(dòng)波動(dòng)問(wèn)題的分析及治理

付江永

（山東核電有限公司，山東煙臺(tái) 265116）

0 引言

核電廠(chǎng)保健物理區(qū)和熱機(jī)加工車(chē)間排風(fēng)機(jī)組用于維持保健物理區(qū)及熱機(jī)加工車(chē)間處于微負(fù)壓，同時(shí)向輻射探測(cè)儀表供風(fēng)以檢測(cè)排出物放射性指標(biāo)。機(jī)組電機(jī)通過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1488 r/min，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1590 r/min，電機(jī)與風(fēng)機(jī)安裝在同一框架基礎(chǔ)上，并由鋼彈簧隔振器支撐。

風(fēng)機(jī)機(jī)組運(yùn)行期間振動(dòng)超標(biāo)，電機(jī)側(cè)軸承水平方向及軸向振動(dòng)超過(guò)ISO 10816-3：2001振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)所要求的4.5 mm/s。風(fēng)機(jī)側(cè)軸承振動(dòng)較小，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8689—2014《通風(fēng)機(jī)振動(dòng)檢測(cè)及其限值》規(guī)定的撓性支撐條件下7.1 mm/s要求，振動(dòng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，電機(jī)水平方向及軸向振動(dòng)存在波動(dòng)，振動(dòng)變化趨勢(shì)如圖1所示。

表1 振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)表格

圖1 電機(jī)軸向振動(dòng)變化趨勢(shì)

1 振動(dòng)初步診斷及動(dòng)平衡

對(duì)電機(jī)自由端軸向及水平方向振動(dòng)進(jìn)行頻譜分析，其中軸向振動(dòng)頻譜見(jiàn)圖2。

振動(dòng)主要分量為電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率24.8 Hz及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻率26.5 Hz。1倍頻振動(dòng)較大、軸向振動(dòng)超過(guò)徑向振動(dòng)，這些特征最可能的原因?yàn)殡姍C(jī)皮帶輪處存在不平衡。從表1可以看出，風(fēng)機(jī)振動(dòng)較小，電機(jī)振動(dòng)較大，因此首先考慮對(duì)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)平衡。

圖2 電機(jī)軸向振動(dòng)頻譜

電機(jī)脫開(kāi)負(fù)載后，采用CSI2140振動(dòng)分析儀表進(jìn)行動(dòng)平衡。選擇動(dòng)平衡位置在電機(jī)皮帶輪處，由于皮帶輪材料為鑄鐵，現(xiàn)場(chǎng)不易焊接質(zhì)量塊，因此采用鉆孔去除質(zhì)量的方式實(shí)施動(dòng)平衡，經(jīng)過(guò)1次試平衡，2次去重，在皮帶輪處共去除14 g，動(dòng)平衡結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 平衡前振動(dòng)速度均方根值

表3 平衡后振動(dòng)速度均方根值

經(jīng)動(dòng)平衡后，電機(jī)單轉(zhuǎn)振動(dòng)大幅下降，振動(dòng)達(dá)到了優(yōu)秀水平，并且未發(fā)現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象。

電機(jī)連接風(fēng)機(jī)后啟機(jī)運(yùn)行，電機(jī)水平方向及軸向總體振動(dòng)水平已明顯下降，但經(jīng)趨勢(shì)分析仍然存在波動(dòng)，波動(dòng)最大值可超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求。平衡后機(jī)組振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，電機(jī)軸向振動(dòng)頻譜見(jiàn)圖3。

表4 平衡后機(jī)組振動(dòng)速度均方根值

圖3 電機(jī)軸向振動(dòng)頻譜

2 振動(dòng)波動(dòng)原因分析

經(jīng)實(shí)時(shí)頻譜分析，主要波動(dòng)頻率為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻率，波動(dòng)周期仍然為（10～15）s，可能原因有 3 個(gè)。

（1）電機(jī)側(cè)存在機(jī)械松動(dòng)。機(jī)械松動(dòng)一般包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)框架松動(dòng)和各零部件配合間隙超差引起的松動(dòng)。機(jī)械松動(dòng)會(huì)引起振動(dòng)忽大忽小的變化，本質(zhì)是由于松動(dòng)引起了剛度的非線(xiàn)性。松動(dòng)導(dǎo)致的振動(dòng)除基頻外，還會(huì)產(chǎn)生高次諧波及分?jǐn)?shù)次諧波，并且振動(dòng)波動(dòng)不存在規(guī)律性的變化。

從圖3可以看出，頻譜中僅存在風(fēng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速頻率并無(wú)其他頻率分量，并且波動(dòng)的頻率分量?jī)H為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻率。從波動(dòng)周期上分析，由圖1可知，電機(jī)振動(dòng)波動(dòng)周期雖不固定，但卻呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，而機(jī)械松動(dòng)引起的波動(dòng)不存在規(guī)律性。另外，維修人員對(duì)基礎(chǔ)各結(jié)合面螺栓進(jìn)行檢查，對(duì)電機(jī)裝配記錄進(jìn)行檢查均未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)問(wèn)題。因此排除機(jī)械松動(dòng)故障。

（2）拍振。拍振是一種多個(gè)振源系統(tǒng)相互干涉的振動(dòng)現(xiàn)象，是兩種頻率接近、幅值也比較接近的兩個(gè)擾動(dòng)因素共同產(chǎn)生的合成擾動(dòng)現(xiàn)象。

拍振能產(chǎn)生忽大忽小的振動(dòng)波動(dòng)，其機(jī)理為當(dāng)2個(gè)相近頻率相位相同時(shí)，振幅增大；當(dāng)2個(gè)相近頻率相位相反時(shí)，振幅減小。拍振的頻率為2個(gè)相近振動(dòng)頻率之差。而從圖3及圖4可以看出，風(fēng)機(jī)及電機(jī)的轉(zhuǎn)速頻率之差為1.7 Hz，波動(dòng)周期約為0.6 s，這與電機(jī)波動(dòng)的周期并不對(duì)應(yīng)。另外，拍振產(chǎn)生的波動(dòng)周期在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速固定的條件下應(yīng)是固定的，而實(shí)際電機(jī)的波動(dòng)周期卻在（10～15）s內(nèi)變化，這與拍振的原理不符，因此排除拍振問(wèn)題。

（3）間歇性結(jié)構(gòu)共振。由表3可以看出，風(fēng)機(jī)振動(dòng)小于電機(jī)振動(dòng)，而電機(jī)的主要振動(dòng)分量卻是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻率。這說(shuō)明風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻率振動(dòng)傳遞至電機(jī)側(cè)，并在電機(jī)側(cè)發(fā)生了共振放大。

對(duì)普通強(qiáng)迫振動(dòng)而言，部件呈現(xiàn)的振幅與作用在部件上的激振力成正比，與它的動(dòng)剛度成反比，可用式（1）表示。

式中A——振幅

F——激振力

K——部件動(dòng)剛度，見(jiàn)式（2），它表示部件產(chǎn)生單位振幅（位移）所需的交變力

式中k——部件靜剛度，它表示部件產(chǎn)生單位位移（變形）

所需的靜力

β——?jiǎng)討B(tài)放大系數(shù)，見(jiàn)式（3）

式中 ω——激振力頻率

c——阻尼系數(shù)

ωn——支撐系統(tǒng)自振頻率，見(jiàn)式（4）

由式（3）可得，當(dāng)固有頻率與激振力頻率相等時(shí)系統(tǒng)動(dòng)剛度最小，振動(dòng)幅值最大，在無(wú)阻尼情況，振動(dòng)幅值將趨于無(wú)窮動(dòng)大，此時(shí)發(fā)生共振。

在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工作中，判斷轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)是否存在共振可以通過(guò)敲擊試驗(yàn)，直接測(cè)出設(shè)備在振動(dòng)較大位置處的固有頻率，與激振頻率進(jìn)行對(duì)比，如果兩頻率較為接近，則說(shuō)明存在共振的可能。

對(duì)電機(jī)水平方向及軸向進(jìn)行錘擊測(cè)試，均存在28 Hz固有頻率，其中軸向固有頻率頻譜如圖4所示。固有頻率28 Hz與風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速頻率26.5 Hz很接近。根據(jù)GB 10068—2008標(biāo)準(zhǔn)，主要振源的頻率與系統(tǒng)固有頻率避開(kāi)率為10%，即要求在（24.1～29.5）Hz范圍內(nèi)不應(yīng)存在固有頻率峰值，但電機(jī)側(cè)固有頻率未避開(kāi)共振區(qū)間。

圖4 電機(jī)軸向固有頻率

由式（4）可知，在質(zhì)量不變的條件下，剛度變化引起固有頻率變化。當(dāng)剛度下降時(shí)，電機(jī)固有頻率下降；剛度上升時(shí)，固有頻率上升。

考慮到電機(jī)與風(fēng)機(jī)整體坐落在鋼彈簧隔振器上，在電機(jī)帶載運(yùn)行時(shí)，一方面由于機(jī)組激振力變大，另一方面由于機(jī)組質(zhì)量分布不均勻，電機(jī)側(cè)質(zhì)量大于風(fēng)機(jī)側(cè)質(zhì)量，使得風(fēng)機(jī)側(cè)的鋼彈簧隔振器的壓縮量略大于風(fēng)機(jī)側(cè)，機(jī)組運(yùn)行中必然發(fā)生微小晃動(dòng)。在機(jī)組整體向電機(jī)側(cè)方向傾斜時(shí)，電機(jī)下部的彈簧支撐壓縮量增加，電機(jī)側(cè)剛度提高，由于固有頻率為28 Hz，稍高于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻率。當(dāng)電機(jī)側(cè)剛度提高后，固有頻率隨之升高而遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻率26.5 Hz，即脫離共振區(qū)間；在機(jī)組整體向風(fēng)機(jī)側(cè)傾斜時(shí)，電機(jī)下部彈簧支撐壓縮量減小，電機(jī)側(cè)剛度降低，固有頻率隨至下降進(jìn)而更加接近轉(zhuǎn)速頻率，即進(jìn)入共振區(qū)間，振動(dòng)升高。另一方面，電機(jī)側(cè)水平及軸向隨機(jī)組的微小晃動(dòng)產(chǎn)生間歇性的結(jié)構(gòu)共振，由于晃動(dòng)的周期并不穩(wěn)定，所以產(chǎn)生的振動(dòng)變化周期也不穩(wěn)定。

3 振動(dòng)處理

鋼彈簧隔振器可以達(dá)到較低的固有頻率，但由于其存在自振動(dòng)現(xiàn)象，容易傳遞中頻振動(dòng)，且阻尼太小，臨界阻尼比只有0.005。由式（3）可知，鋼彈簧隔振器對(duì)于共振頻率附近的振動(dòng)隔離能力較差，目前大部分廠(chǎng)家在鋼彈黃鋼絲外設(shè)一層橡膠，以增加彈簧隔振器的阻尼。如果將彈簧減振器的壓縮量增加，一方面可以提高基礎(chǔ)剛度，另一方面可以提高基礎(chǔ)剛度的穩(wěn)定性。

基于以上分析，維修人員增加了機(jī)組基礎(chǔ)下方的鋼彈簧隔振器的壓縮量。經(jīng)錘擊試驗(yàn)，電機(jī)固有頻率為變化為31.2 Hz，軸向固有頻率如圖5所示。

從固有頻率的頻譜可以看出，在增加鋼彈簧隔振器的壓縮量后，一方面其固有頻率有一定程度的提高，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速頻率與電機(jī)固有頻率差距變大，避開(kāi)了結(jié)構(gòu)共振，另一方面，風(fēng)機(jī)更加穩(wěn)固，剛度更加穩(wěn)定。經(jīng)振動(dòng)測(cè)量，振動(dòng)最大值為3 mm/s，經(jīng)振動(dòng)趨勢(shì)分析，振動(dòng)波動(dòng)消失。振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題得以解決，滿(mǎn)足生產(chǎn)需要

圖5 增加鋼彈簧隔振器壓縮量后的固有頻率

4 結(jié)論

結(jié)合核電廠(chǎng)保健物理區(qū)和熱機(jī)加工車(chē)間排風(fēng)機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題，分析引起風(fēng)機(jī)機(jī)組振動(dòng)波動(dòng)的可能原因，最終將振動(dòng)原因鎖定在電機(jī)側(cè)間歇性結(jié)構(gòu)共振，并通過(guò)調(diào)整基礎(chǔ)支撐剛度、動(dòng)平衡等手段成功使振動(dòng)到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)要求。