（山东核电有限公司 山东烟台 265116）
摘要：海阳核电站水处理系统工业水泵电机自调试以来水平方向振动超标，影响工业水正常供应。通过多次振动测量分析，先后排除机械松动和转子不平衡故障，得出振动超标由电机结构共振及联轴器缺陷所致。通过改变电机固有频率避开共振，更换联轴器消除不对中影响，最终使电机振动合格。
关键词：振动异常；结构共振；调频
1.背景
海阳核电站水处理系统有三台工业水泵，为卧式单级离心泵。设备变频运行，为下游用户输送工业水。调试期间泵振动合格，电机水平向振动最大12.4mm/s，远超出振动标准2.8mm/s（GB10068-2008），导致工业水泵不可用。
现场检查发现，电机轴弯超标；设备二次灌浆质量不高，水泥基础松裂、垫铁外露。判断振动原因为电机轴弯超标和基础松动。采取处理措施：更换备件电机，重新进行基础安装。为了提高支撑刚度，对电机基座加装支撑肋板，提高二次灌浆层高度。处理后启机试验，电机水平向振动15.4mm/s。
2.振动测量
2.1电机带载振动测量
首先在现场对电机进行不同频率带载试验。测量电源频率30Hz，35Hz，42Hz振动频谱如下：
图2 35Hz电机驱动端水平向振动频谱
图3 42Hz电机驱动端水平向振动频谱
由振动频谱可知，电源频率30Hz时，电机水平向振动以一倍转速频及其谐波为主；35Hz时，一倍频有所增长，两倍电源频振动分量大幅增加；到42Hz时，电机水平向振动以两倍频为主，振动超标。试验过程，泵振动合格。
2.2电机空载振动测量
对电机分别在电气试验平台和现场基座上进行不同频率空载试验。数据如下：
在现场基座上，电机水平向固有频率未能避开两倍电源频率。当电源频率为44Hz时，电机固有频率接近于两倍电源频率。
2.4共振试验测量
为验证共振影响，在电源频率44Hz，电机地脚螺栓处于紧固和松动状态下，分别测试如下：
①电机地脚螺栓全紧状态：
敲击测量电机水平向固有频率：87Hz；启机测量：驱动端水平振动13.4mm/s。
②电机地脚螺栓松开一颗状态：
敲击测量电机水平向固有频率：80Hz；启机测量：驱动端水平振动2.7mm/s。
松开一颗电机地脚螺栓后，电机水平向固有频率由87Hz变为80Hz，避开了两倍电源频率88Hz，振动由13.4mm/s降至2.7mm/s。因连接刚度变化导致结构固有频率改变，从而避开受激频率，消除结构共振，电机振动明显下降。
由上述试验数据可知，电机在现场基座安装后，水平方向偶合出的结构固有频率和电磁激振频率接近，导致电机产生水平向结构共振，进而引起振动超标，是电机两倍频振动大的主要原因。
3.振动处理
3.1振动处理方案
共振对振动影响较大，消除共振是振动处理的关键。振动为系统在外部激励下的整体响应，不仅与激振力的性质，激励频率和幅值等有关，也与系统结构件的质量、弹性刚度、阻尼等自身固有特性有关。改变系统结构件固有特性，使其固有频率发生改变，避开共振区，可以显著改善振动状况。具体实施有两种解决方案，一是升高固有频率，二是降低固有频率。
图5 降频后电机带载振动情况
前期处理措施与升频方案一致，通过加强支撑刚度提高结构固有频率至88Hz，固有频率未能完全避开两倍电源频率。电机与基座并不存在差别振动，在排除连接刚度不足情况下，若想继续提高系统结构刚度，可以通过改变结构质量或者优化结构设计，但这在检修工作中往往较难实现。
另一方面，考虑到设备日常运行频率在40-50Hz区间，只要将电机水平向固有频率降至80Hz以下，使其避开两倍运行常用频率，即可在工作区间消除结构共振。我们提出两种降频方案：1凿低二次灌浆高度；2切割基座支撑肋板。两种方案逐步进行。
3.2振动处理过程
①凿低二次灌浆层高度
敲击测量：电机固有频率74Hz；带载试验：37Hz电机共振峰值，水平振动15.5mm/s；
②切除支撑肋板
敲击测量：电机固有频率65Hz；带载试验：32Hz电机共振峰值，水平振动10.9mm/s；
从图6可以看出，降低固有频率前后，振动曲线趋势相似，共振峰值出现的位置由高频向低频段偏移。共振峰值从44Hz偏移至37Hz，最终偏移至32Hz。电机最终共振区间为30-34Hz，在常用运行频段已消除结构共振的影响。
3.3进一步振动处理
消除共振影响后启机试验，电机振动仍然超标，以一倍转速频为主，存在一定两倍频分量。结合空载试验数据分析，断开联轴器后，电机振动一倍频分量消失，带载后出现较高一倍频，判断电机与泵联轴后存在不对中情况。
振动相位测量发现，泵和电机靠近联轴器侧振动相位差接近180°，属于典型不对中故障特征。泵与电机联轴器中心不正或端面平行度不合格，会将不平衡量施加于转子上而产生振动。排除检修找中偏差影响后，怀疑联轴器本身存在制造缺陷，导致设备平行对中不良，引起电机振动。
更换新联轴器后启机试验，电机振动明显降低，在常用运行频段电机振动合格，水平振动降至1.7mm/s以下。对于共振影响，通过调整变频器设置屏蔽共振频段，使设备跳过共振区间运行，最终电机振动合格，工业水泵长期可用。
4.结论
1）工业水泵电机振动大问题为联轴器缺陷和结构共振共同引起的复合振动故障。
2）变频设备运行，在设计及安装阶段应充分考虑可能出现的结构共振，需从结构设计和基础安装上使设备固有频率远离工作频率，避免出现共振。
3）提高设备固有频率可以彻底消除共振影响，但对于某些系统自身刚度已经很大，继续提高余地有限情况下并不适用。从项目经济效益角度考虑，往往建议采取简单易行的处理方式。
参考文献：
[1]杨国安 旋转机械故障诊断实用技术 中国石化出版社 ISBN 978-7-5114-1332-1。
[2]GB10068-2008 轴中心高为56mm及以上电机的机械振动振动的测量、评定及限值。
[3]关醒凡 现代泵理论与设计【M】 北京：航空工业出版社，1991。
[4]施维新 石精波 汽轮发电机组振动及事故【M】 北京：中国电力出版社，2008。
论文作者:陈子萌
论文发表刊物:《电力设备》2016年第22期
论文发表时间:2017/1/21
标签：电机论文; 频率论文; 联轴器论文; 水平论文; 测量论文; 结构论文; 刚度论文; 《电力设备》2016年第22期论文;