定速立式電機(jī)異常振動(dòng)原因分析及處理

秦建軍，司耀強(qiáng)，紀(jì)東興，俞文瑾，李 頡

(山東能源內(nèi)蒙古盛魯電力有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299)

0 引言

支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷和安裝問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致支撐系統(tǒng)剛度不足，進(jìn)而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)機(jī)械異常振動(dòng)[1]。文獻(xiàn)[2-4]對(duì)基礎(chǔ)剛度不足，以及軸承座與臺(tái)板、臺(tái)板與基礎(chǔ)接觸不良引起的支撐系統(tǒng)連接剛度不足，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備異常振動(dòng)的現(xiàn)象進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[5-6]對(duì)支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原因所引起的支撐系統(tǒng)共振，進(jìn)而誘發(fā)異常振動(dòng)進(jìn)行了分析。

下面介紹某電廠(chǎng)因法蘭剛度不足引起電動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)甚至共振的實(shí)例，闡述該類(lèi)振動(dòng)的振動(dòng)特征，分析處理方法和解決措施，以期為解決同類(lèi)振動(dòng)問(wèn)題提供參考。

1 設(shè)備概況

某電廠(chǎng)1 000 MW 機(jī)組配備2 臺(tái)給水泵汽輪機(jī)，每臺(tái)給水泵汽輪機(jī)配備2 臺(tái)主潤(rùn)滑油泵和1 臺(tái)事故油泵。主潤(rùn)滑油泵電機(jī)為隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為YBX3-200L1-2V1，功率為30 kW，轉(zhuǎn)速為2 960 r/min，前后軸承均為6312 型。潤(rùn)滑油泵型號(hào)為80LY-80-G，轉(zhuǎn)速為2 950 r/min，質(zhì)量為235 kg，流量為600 L/min，出口壓力為0.8 MPa。主油泵為潛油泵，其電動(dòng)機(jī)為立式布置。

2 振動(dòng)故障情況

2022-12-07，某電廠(chǎng)1 號(hào)機(jī)組給水泵汽輪機(jī)B 主油泵A 電動(dòng)機(jī)振動(dòng)異常，其各方向振動(dòng)值見(jiàn)表1，振動(dòng)頻率為1X。經(jīng)過(guò)分析判斷，其振動(dòng)是由導(dǎo)向軸承損壞引起的。2023 年，1 號(hào)機(jī)組檢修期間更換其導(dǎo)向軸承后振動(dòng)恢復(fù)正常，經(jīng)測(cè)量，其各方向振動(dòng)均為30 μm 左右。但在運(yùn)行1 周后，其振動(dòng)值變大。2023-06-14，在電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)狀態(tài)下對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 電動(dòng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)

觀(guān)察頻譜發(fā)現(xiàn)各方向振動(dòng)頻率均為1X，而觀(guān)察波形發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)端南北方向波形存在削頂現(xiàn)象(見(jiàn)圖1)。

圖1 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端南北方向波形

2023-06-26，電動(dòng)機(jī)檢修回裝后在停機(jī)狀態(tài)對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)非驅(qū)動(dòng)端東西和南北方向振幅都在10～60 μm 之間波動(dòng)，驅(qū)動(dòng)端東西和南北方向振幅都在10～30 μm 之間波動(dòng)。

在電動(dòng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量后，在其法蘭東西方向設(shè)置支撐千斤頂，并進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量。其振動(dòng)值見(jiàn)表2，非驅(qū)動(dòng)端東西方向極坐標(biāo)圖見(jiàn)圖2。從測(cè)量結(jié)果可以看出，法蘭東西方向剛加千斤頂支撐后非驅(qū)動(dòng)端東西方向振幅在5 ～25 μm之間波動(dòng)，其平均值為14 μm，振幅較加千斤頂之前(71 μm)下降明顯。隨后其振幅升高，在15 ～40 μm 之間波動(dòng)，平均值為25 μm。從圖2可以看出電動(dòng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端東西方向振幅和相位均有波動(dòng)。

圖2 法蘭東西方向加千斤頂支撐后電動(dòng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端東西方向極坐標(biāo)

表2 加千斤頂前后電動(dòng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)

從表2 可以看出，法蘭東西方向加千斤頂支撐后，電動(dòng)機(jī)南北方向的振動(dòng)和地腳螺栓處軸向振動(dòng)沒(méi)有明顯變化。

3 振動(dòng)原因分析

3.1 電動(dòng)機(jī)振動(dòng)特點(diǎn)

通過(guò)分析振動(dòng)情況可知，該電動(dòng)機(jī)振動(dòng)具有如下特點(diǎn)。

1) 振動(dòng)方向性明顯。驅(qū)動(dòng)端東西方向振動(dòng)平均值是南北方向振動(dòng)平均值的2 倍，非驅(qū)動(dòng)端東西方向振動(dòng)平均值是南北方向振動(dòng)平均值的1.8 倍。

2) 非驅(qū)動(dòng)端振幅較驅(qū)動(dòng)端大。東西方向非驅(qū)動(dòng)端振幅是驅(qū)動(dòng)端的2.2 倍，南北方向非驅(qū)動(dòng)端振幅是驅(qū)動(dòng)端的2.4 倍。

3) 振幅波動(dòng)大。非驅(qū)動(dòng)端東西方向振動(dòng)在50～100 μm 之間波動(dòng)，非驅(qū)動(dòng)端南北方向振動(dòng)在15～60 μm 之間波動(dòng)。

4) 振動(dòng)具有周期性。電動(dòng)機(jī)4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的振幅是增大→減小→增大→減小，如此循環(huán)。

3.2 原因分析

根據(jù)電動(dòng)機(jī)東西方向較南北方向振動(dòng)大且離地腳螺栓越遠(yuǎn)振動(dòng)越大的特點(diǎn)，可認(rèn)為電動(dòng)機(jī)支撐剛度不足[7-9]，且東西方向支撐剛度較南北方向更差。此外，電動(dòng)機(jī)振幅波動(dòng)大，且具有周期性，因此推測(cè)其是由拍振引起的。由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端南北方向波形(圖1)可看到明顯的削波現(xiàn)象，說(shuō)明電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端南北方向可能存在碰摩現(xiàn)象。

將電動(dòng)機(jī)拆解進(jìn)行檢查，確認(rèn)是否存在碰摩現(xiàn)象。測(cè)量結(jié)構(gòu)固有頻率的方法有停機(jī)分析、敲擊法、掃頻法、隨機(jī)激勵(lì)法等。由于測(cè)試儀器并不具以上功能，工頻電動(dòng)機(jī)也不具備變速功能，因此采取在停運(yùn)狀態(tài)測(cè)量其振幅來(lái)確定是否存在共振現(xiàn)象。此外，判斷零部件結(jié)構(gòu)剛度不足的方法主要有偏心輪激振測(cè)試和加重試驗(yàn)兩種方法；判斷連接剛度不足可采用差別振動(dòng)的方法進(jìn)行診斷。現(xiàn)通過(guò)使用千斤頂對(duì)法蘭東西方向進(jìn)行支撐來(lái)確定是否存在支撐剛度不足的情況。最后，受制于測(cè)試儀器性能，決定通過(guò)絕對(duì)相位是否也存在波動(dòng)來(lái)判斷電動(dòng)機(jī)是否存在拍振現(xiàn)象。對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆解檢查發(fā)現(xiàn)其驅(qū)動(dòng)端端蓋漆面有磨損，驗(yàn)證了其驅(qū)動(dòng)端存在碰摩現(xiàn)象。

電動(dòng)機(jī)在停機(jī)狀態(tài)驅(qū)動(dòng)端振幅最大為30 μm，非驅(qū)動(dòng)端振幅最大為60 μm，可以判斷電動(dòng)機(jī)存在共振現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)立式安裝于法蘭面，法蘭與油箱頂面連接。測(cè)量油箱頂部豎直方向振動(dòng)不超過(guò)10 μm，因此排除油箱頂面發(fā)生共振的可能性。

在法蘭東西方向加千斤頂支撐后其東西方向振動(dòng)下降明顯，南北方向振動(dòng)沒(méi)有變化。這不僅驗(yàn)證了共振源是法蘭，同時(shí)說(shuō)明了法蘭存在支撐剛度不足的問(wèn)題。法蘭東西方向加千斤頂支撐后其非驅(qū)動(dòng)端東西方向振幅波動(dòng)和相位波動(dòng)大說(shuō)明了電動(dòng)機(jī)存在拍振現(xiàn)象。

4 處理措施

1) 針對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端存在動(dòng)靜碰摩的問(wèn)題，更換電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承，該現(xiàn)象消失。

2) 由于有阻尼系統(tǒng)固有頻率與其系統(tǒng)剛度的平方根成正比(見(jiàn)式(1))，因此通過(guò)在法蘭處焊接槽鋼來(lái)提高法蘭剛度和其固有頻率，避免異常振動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生。該措施實(shí)施后電動(dòng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)不超過(guò)30 μm。

式中，ωd為有阻尼系統(tǒng)固有頻率；k為系統(tǒng)剛度；ξ為阻尼比；m為系統(tǒng)質(zhì)量。

3) 針對(duì)電動(dòng)機(jī)存在拍振的現(xiàn)象，在法蘭連接處放置隔振材料，放置后電動(dòng)機(jī)振幅波動(dòng)減小。

5 結(jié)論

針對(duì)某定速立式電動(dòng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端振幅過(guò)大的問(wèn)題，通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)確定了其存在動(dòng)靜碰摩、共振、支撐剛度不足和拍振的問(wèn)題，通過(guò)更換軸承、提升法蘭剛度和放置隔振材料的方法降低了設(shè)備振動(dòng)，得出了如下結(jié)論。

1) 動(dòng)靜碰摩會(huì)造成振動(dòng)波形出現(xiàn)削頂現(xiàn)象。

2) 現(xiàn)場(chǎng)不具備使用停機(jī)分析、敲擊法確定設(shè)備固有頻率時(shí)，可根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械在靜止?fàn)顟B(tài)的振動(dòng)情況來(lái)確定設(shè)備是否存在共振。

3) 轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備拍振會(huì)導(dǎo)致振幅周期性變化和相位波動(dòng)。