電機(jī)振動(dòng)特性測(cè)試安裝條件研究

劉金旭 丁天慧

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第712研究所， 武漢 430064）

安裝條件對(duì)電機(jī)的振動(dòng)測(cè)量結(jié)果有很大的影響，在設(shè)備的振動(dòng)測(cè)量、評(píng)定試驗(yàn)中，相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)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(jī)的機(jī)械振動(dòng) 振動(dòng)的測(cè)量、評(píng)定及限值》[1]中，要求“將電機(jī)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(shè)備剛性安裝時(shí)，要求“在電機(jī)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(cè)得的最大振動(dòng)速度應(yīng)不超過(guò)臨近軸承上沿水平或垂直方向測(cè)得的最大振動(dòng)速度的25%”。

在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)里，對(duì)振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)中設(shè)備的安裝條件也給出了明確要求。例如 GJB4058-2000《艦船設(shè)備噪聲、振動(dòng)測(cè)量方法》[2]要求“設(shè)備與基礎(chǔ)之間應(yīng)采用彈性安裝方式，隔振器宜選用安裝實(shí)際隔振器；若無(wú)條件實(shí)現(xiàn)實(shí)際隔振器安裝，可選用其他隔振器，但隔振器的數(shù)量、安裝位置和動(dòng)剛度間的匹配應(yīng)接近實(shí)際使用情況”等等。

然而，在實(shí)際中，由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，試驗(yàn)場(chǎng)地的安裝條件和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定是有一定差距的。試驗(yàn)中常發(fā)現(xiàn)，相關(guān)振動(dòng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)雖然規(guī)定明確，但是實(shí)際工作中卻難以操作[3]。

本文通過(guò)對(duì)設(shè)備-隔振器-安裝基礎(chǔ)的系統(tǒng)振動(dòng)特性進(jìn)行理論分析，提出了用隔振器的隔振效果來(lái)評(píng)價(jià)彈性安裝條件是否影響到設(shè)備振動(dòng)特性測(cè)試的評(píng)價(jià)方法。并針對(duì)一臺(tái)風(fēng)機(jī)在不同的隔振器安裝條件下的振動(dòng)特性進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，用隔振效果來(lái)評(píng)價(jià)安裝條件對(duì)設(shè)備的振動(dòng)特性測(cè)試的影響是合適、方便易行的。

1 電機(jī)振動(dòng)的系統(tǒng)分析

1.1 電機(jī)的振動(dòng)特點(diǎn)

引起旋轉(zhuǎn)電機(jī)振動(dòng)的因素很多，按振動(dòng)本身的性質(zhì)可以分為強(qiáng)迫振動(dòng)、自激振動(dòng)等；按激勵(lì)源的物理性質(zhì)可以分為機(jī)械激振、氣體與流體動(dòng)力激振以及電磁力激振等；按振動(dòng)的頻域特性可以分為同步振動(dòng)和亞同步振動(dòng)。同步振動(dòng)在頻域表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)頻率及其倍頻。亞同步振動(dòng)在頻域表現(xiàn)為分?jǐn)?shù)諧波和低頻有色噪聲。各種振動(dòng)分量的特征頻率可以表示為：

式中：f：電機(jī)設(shè)備機(jī)械振動(dòng)特征頻率，Hz；n：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，rpm；k：諧波頻率倍數(shù)。

諧波頻率倍數(shù)k與振動(dòng)源的特性相關(guān)，同步振動(dòng)情況下k＞1，在少數(shù)亞同步振動(dòng)數(shù)情況下k＜1。在設(shè)備正常運(yùn)行沒(méi)有振動(dòng)故障的情況下，諧波頻率倍數(shù)k≥ 1，且為整數(shù)。

1.2 系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)分析

振動(dòng)分析的參數(shù)主要為振動(dòng)位移x、振動(dòng)速度v、振動(dòng)加速度a，同頻率三者的幅值關(guān)系為：

式中：ω：振動(dòng)角頻率。

各類振動(dòng)均可以通過(guò)振動(dòng)FFT線譜圖測(cè)試。

電機(jī)振動(dòng)響應(yīng)的分析可簡(jiǎn)化成單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)分析。單自由度的系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 單自由度系統(tǒng)

對(duì)單自由度系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)方程為[4]：

設(shè)激勵(lì)力F(t)的表達(dá)形式為：

則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為：

其中：

式中：ωN：系統(tǒng)的固有角頻率。

在復(fù)頻域，系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)為：

系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞率TF：

其中F’0為設(shè)備通過(guò)隔振器向基座傳遞的力，F(xiàn)0為設(shè)備本身的激勵(lì)力。

設(shè)備的振動(dòng)速度隔振效果為：

設(shè)備的隔振效果為：

其中X1、V1、a1為設(shè)備的振動(dòng)位移、速度、加速度；X2、V2、a2為基礎(chǔ)的振動(dòng)位移、速度、加速度；

對(duì)于不同ω/ωN下，動(dòng)力傳遞率TF、振動(dòng)速度隔振效果TV、振動(dòng)加速度隔振效果Ta見(jiàn)表1。

表 1 TF、TV、Ta與 ω/ωN的關(guān)系

表1可見(jiàn)，當(dāng)ω/ωN＞3時(shí)，頻率為ω的激振力傳遞到安裝基礎(chǔ)的已經(jīng)很小，實(shí)際上相當(dāng)于頻率為ω的振動(dòng)為自由邊界，此時(shí)設(shè)備的振動(dòng)量級(jí)基本反映了設(shè)備本身的振動(dòng)特性。

對(duì)于正常安裝運(yùn)行的電機(jī)，如果振動(dòng)速度的隔振效果TV≥ 8倍時(shí)，可以認(rèn)為此彈性安裝條件下振動(dòng)速度為自由邊界條件，測(cè)量結(jié)果能夠很好反映設(shè)備的振動(dòng)速度特性；振動(dòng)加速度一般是高頻分量占主要成分，這時(shí)ω/ωN遠(yuǎn)大于3，測(cè)量結(jié)果基本上都可以反映設(shè)備的振動(dòng)加速度特性。所以可以將振動(dòng)速度作為優(yōu)先考慮條件。

即在實(shí)際測(cè)試試驗(yàn)中，可測(cè)量隔振器上、下的振動(dòng)速度的綜合平均值，如果

則可以認(rèn)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(jī)振動(dòng)特征頻率分析

電機(jī)振動(dòng)特點(diǎn)[5]如表2所示。

表2 電機(jī)振動(dòng)一般特征頻率

電機(jī)振動(dòng)量級(jí)的測(cè)試試驗(yàn)中一般測(cè)量振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度，振動(dòng)速度反映了設(shè)備中、低頻的振動(dòng)特性，振動(dòng)加速度一般反映了中、高頻的振動(dòng)特性。電機(jī)隔振器的設(shè)計(jì)中，一般保證隔振器的固有頻率低于設(shè)備固有頻率的1/2 ～ 1/3，這樣振動(dòng)測(cè)量中，振動(dòng)速度易受隔振器的影響，而振動(dòng)加速度一般不易受隔振器性能的影響。

3 安裝條件評(píng)價(jià)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)平臺(tái)如圖2，電機(jī)Pn=7.5 kW，旋轉(zhuǎn)速度n=1493 rpm，重量m1=85 kg，風(fēng)扇為10片葉片，重量m2=25 kg，隔振器型號(hào)如后試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。

測(cè)點(diǎn)布置在隔振器上下，只測(cè)量垂向振動(dòng)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

不同的隔振器安裝條件下振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如表3所示。對(duì)比各種隔振器安裝條件下，振動(dòng)測(cè)試結(jié)果基本符合上述論述。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備布置及測(cè)點(diǎn)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文分析可得到如下結(jié)論：

1）電機(jī)在彈性安裝條件下，隔振器的隔振效果用振動(dòng)速度描述，當(dāng)TV=V1/V2＞8時(shí)，測(cè)試的振動(dòng)速度、加速度基本能反映設(shè)備的固有振動(dòng)特性；

2）由于振動(dòng)加速度不能完全反映設(shè)備的低頻振動(dòng)特性，不宜以振動(dòng)加速度作為評(píng)價(jià)安裝條件是否可靠的評(píng)定指標(biāo)；

3）設(shè)備彈性安裝條件下的振動(dòng)量級(jí)測(cè)量，隔振器的性能對(duì)振動(dòng)速度有一定影響，而對(duì)振動(dòng)加速度影響甚微。

表3 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

[1] GB10068-2000, 軸中心高為56 mm及以上電機(jī)的機(jī)械振動(dòng) 振動(dòng)的測(cè)量、評(píng)定及限值.[S].2008.

[2] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì). GJB 4058-2000 艦船設(shè)備噪聲、振動(dòng)測(cè)量方法.[S] 2000-06-15發(fā)布.

[3] 原春暉, 朱顯明. 艦艇機(jī)械設(shè)備噪聲振動(dòng)特性的測(cè)試方法. 艦船科學(xué)技術(shù),增刊 ,2006(2):28.

[4] 楊建剛. 旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析與工程應(yīng)用[M]. 中國(guó)電力出版社，2007.7.

[5] 陳永校, 褚志強(qiáng), 應(yīng)哲成. 電機(jī)噪聲的分析和控制.浙江:浙江大學(xué)出版社，1987.6.