大型立式異步電動機振動分析及處理方法

匡 正

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇江都 225200)

0 引言

大型立式異步電動機相對于同步電動機有著結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、價格低廉的優(yōu)點，在部分大中型泵站及火力發(fā)電企業(yè)的循環(huán)水系統(tǒng)獲得廣泛應(yīng)用，是應(yīng)用十分廣泛的交流傳動機械。但是由于機組結(jié)構(gòu)、電磁因素、安裝質(zhì)量、運行工況等多方面原因所引起的振動嚴(yán)重影響到它所拖動的水泵機組的工作質(zhì)量和壽命，因此研究大型立式異步電動機組的振動對于水泵機組的平穩(wěn)運行、安全運行有著十分重要的意義。

1 機組振動原因分析及危害分析

引起大型水泵機組發(fā)生振動的原因很多，振源也較復(fù)雜，大型立式泵機組振動的原因主要有:

1)機械原因引起的振動:因不平衡、連接不良、接觸不良、內(nèi)部摩擦、軸承因素及基礎(chǔ)因素等;

2)液體原因引起的振動:因液體脈動、汽蝕、葉片數(shù)、葉片形狀不同等因素;

3)電氣原因引起的振動:因負(fù)荷不平衡、磁通量不平、電源高次諧波、倍頻振動、轉(zhuǎn)差率等因素。

這3種因素往往交叉存在，相互作用。運行中的水泵機組當(dāng)振動超過其允許幅值時，其危害性表現(xiàn)在以下幾方面:

① 使電機軸承磨損壽命降低;

② 使電機端部綁線松動相互摩擦，造成絕緣電組降低，絕緣壽命縮短嚴(yán)重時造成絕緣擊穿;

③ 機組聯(lián)軸器不能正常工作，嚴(yán)重時將導(dǎo)致機組密封系統(tǒng)的破壞;

④ 連接部件松弛、應(yīng)力增大;

⑤ 可能危及泵機組的基礎(chǔ)部分;

⑥ 增加泵房內(nèi)附加噪音;

⑦ 振動加劇也是泵機組發(fā)生其他事故的前兆，并誘發(fā)其他事故的發(fā)生。

安裝檢修實踐中幾種較為常見的振動原因分析:

1)磁場不平衡引起振動。在水泵運行中，當(dāng)電動機突然一相繞組發(fā)生短路時，即電動機各相電源磁場不平衡時，定子受到變化的磁場力的作用而振動，此時電動機雖仍在轉(zhuǎn)動，但其他兩相電流增大，電動機發(fā)出嗡嗡聲，其振動頻率為轉(zhuǎn)速乘以極數(shù)，如果這種振動與定子機架固有頻率相同，則會產(chǎn)生強烈的振動。另外，由于電源電壓不穩(wěn)，轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)的偏心和氣隙不均勻等原因都會發(fā)生由于磁場不平衡而引起的振動。

2)定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙不均勻引起振動。氣隙中所產(chǎn)生的電磁力F(N)為

式中:ε為某極下的位移(cm);δ為定、轉(zhuǎn)子之間的平均間隙(cm);φ為位移與左右相鄰中心線的夾角。電動機正常運行時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動軸線與定子的磁力中心軸線重合，作用在轉(zhuǎn)子上的電磁力均勻?qū)ΨQ分布。如果轉(zhuǎn)子與定子間的氣隙不均勻，磁極經(jīng)過最小氣隙時單向磁力最大，經(jīng)過最大氣隙時的單向磁力最小，這種電磁力頻率為2倍工頻，從而引起振動。

3)定子鐵心組裝結(jié)合處松弛。由于定子鐵心組裝不均勻而形成磁路中磁阻大小不一，如某大型泵站所安裝的電動機，其定子鐵心采用分瓣現(xiàn)場組裝，可能出現(xiàn)這種情況。若接縫不好，好似沿定子鐵心周圍存在氣隙，造成磁通不均勻，使電機振幅增大。

4)轉(zhuǎn)子中心位置偏移。由于轉(zhuǎn)子中心位置發(fā)生偏移，同樣是電動機磁力不平衡的原因之一。設(shè)在最小氣隙方向作用于轉(zhuǎn)子的電磁拉力為F0(N)，其數(shù)值可按下式?jīng)Q定

式中:p為磁極對數(shù)，其余物理量意義如上，由于轉(zhuǎn)子中心位置偏移對于凸極轉(zhuǎn)子，有時成為個別部件損壞的根源。

5)電機定子鐵心失圓定子的磁場中心與機械中心不一致。轉(zhuǎn)子動平衡不良，由于質(zhì)心偏移回轉(zhuǎn)中心引起的力與力矩的不平衡量引起的振動。

2 立式大型異步電動機振動故障分析處理案例一

某大型火力發(fā)電企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)使用由YKSL2300-20/2150-1型立式異步電動機與SEZ2200-1875型大型立式混流泵配套使用，電動機上軸承由推力軸承、徑向?qū)лS承組成，下軸承為滾柱軸承，額定功率2300 kW，額定電壓10 kV，額定轉(zhuǎn)速295 r/min，水冷全封閉結(jié)構(gòu)，定子20極，轉(zhuǎn)子為雙鼠籠結(jié)構(gòu)。循泵機組基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該廠2號機組從安裝開始就存在缺陷，機組振動較大，且甩油現(xiàn)象十分嚴(yán)重。雖經(jīng)2次檢修甩油問題已經(jīng)解決，但機組振動問題一直沒有消除。

2.1 電動機安裝及質(zhì)量分析

電動機安裝主要包括電動機底座、電動機定子、轉(zhuǎn)子及附件的安裝。大型立式異步電動機的安裝質(zhì)量控制有幾大關(guān)鍵因素:固定部分的垂直同心度、轉(zhuǎn)動部分的高程確定、轉(zhuǎn)動部件軸線的擺度、中心、間隙等。安裝要求:電動機本體的水平度≤0.02 mm/m、垂直同心度≤0.02 mm/m、擺度≤0.02 mm/m、空氣間隙不均勻度≤10%、導(dǎo)向軸瓦間隙0.10～0.15 mm。安裝質(zhì)量經(jīng)現(xiàn)場實測，符合技術(shù)要求。

圖1 立式軸流泵機組示意圖

2.2 機組軸線“對中”

為保證機組軸線、上下導(dǎo)軸承中心的垂直度，2號機組電機采用“對中”安裝法。以電動機下導(dǎo)軸承中心為固定部分垂直中心基準(zhǔn)點，即選擇電動機下導(dǎo)軸承中心為固定部分垂直中心基準(zhǔn)點，同時也作轉(zhuǎn)動部分定中心的基準(zhǔn)點。調(diào)整電動機定子與電動機下導(dǎo)軸承窩、電動機上機架，合格后，電動機定子、下軸承支架、上機架在水平方向不再移動。電動機組裝后，調(diào)整轉(zhuǎn)子的擺度、水平、高程，再以電動機下導(dǎo)軸承中心對中、調(diào)上導(dǎo)瓦間隙。安裝尺寸滿足要求后，即為合格。對中法安裝特點:固定部分垂直同心準(zhǔn)確可靠，轉(zhuǎn)動部分垂直同心與固定部分垂直同心誤差較小，安裝精度高，但工作量較大。

2.3 檢修后振動試驗

經(jīng)安裝檢修后，試運行小組安排專門技術(shù)人員對該循環(huán)泵機組進行試運行，首先進行單臺套電機試驗運行，并記錄了相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

表1 2號機振動測量mm

1)電氣參數(shù):電流90 A，電壓10 kV，功率2 300 kW。

2)振動檢測:用手持式DZ-5振動測試分析儀對2號機組振動進行測量，結(jié)果見表1。

據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求該電機振動允許值為0.15 mm，現(xiàn)場檢測結(jié)果電機的振動量雖在允許值范圍內(nèi)，但由于其他3臺同樣的機組在檢修后，上部的水平方向振動小于0.04 mm，下部的水平方向振動小于0.02 mm。說明2號機組運行時其振動量明顯大于其他同型號、同工況的機組。

3)在試運行過程中當(dāng)運行中的泵機組電源突然中斷，振動量也隨之突然減少。

2.4 振動原因分析及振動的消除

由于機組異常振動影響安全運行，業(yè)主邀生產(chǎn)廠方到現(xiàn)場一起分析原因，共商解決問題的辦法。

1)從現(xiàn)場檢修資料看，檢修程序規(guī)范、各項技術(shù)參數(shù)符合要求，檢修質(zhì)量沒有問題。

2)從試運行情況來看，機組的振動在東西向振動偏小、南北向振動偏大，這跟電機底座強度有關(guān)，可通過加固底座來解決偏振問題。

3)據(jù)現(xiàn)場分析可能引起機組的振動原因有:①安裝不良或其他原因引起的振動;②電磁力不平衡引起的電磁振動;③轉(zhuǎn)子不平衡、軸承磨損、徑向間隙過大、軸承外圈與端蓋配合松、軸頸橢圓，轉(zhuǎn)軸彎曲引起的機械振動。

根據(jù)檢修后振動試驗結(jié)果可初步排除引起2號機組振動的原因1)和2)。由于機組在試運行期間突然切斷電源，振動也隨之突然減少，據(jù)此可初步得出機組振動與電磁因素有很大關(guān)系。為了能夠更加準(zhǔn)確的找出故障的原因，電機生產(chǎn)廠方代表要求再次對電機進行檢修。檢修人員再次對該電機進行檢修時，廠方代表全程跟蹤，仔細(xì)分析每一組數(shù)據(jù)，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，排除了由于安裝不良及轉(zhuǎn)子不平衡、軸承磨損徑向間隙過大、軸承外圈與端蓋配合松、軸頸橢圓，轉(zhuǎn)軸彎曲引起的機械振動的可能性。檢修結(jié)束后再次進行試運行時，機組振動情況依舊。業(yè)主方再次組織人員進行分析研究，認(rèn)為由電磁原因引起的機組振動可能性較大。生產(chǎn)廠方認(rèn)為，在這種情況下，該機組可作為備用機組使用，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況，決定在電機底座薄弱的地方進行加固。2007年12月份該企業(yè)邀請東南大學(xué)的振動專家對該臺機組的振動情況進行詳細(xì)測試和分析，發(fā)現(xiàn)機組下部的一倍頻振動小于0.01 mm，兩倍頻、三倍頻的振動較大在0.15 mm左右。從測試的情況來看，該機組的振動是由電磁原因引起的與檢修質(zhì)量無關(guān)。鑒于以上原因，在2008年3月份，業(yè)主決定繼續(xù)檢修該臺機組，并請廠方派人過來共同商量對策，廠方提出在定子線圈上增加3根均壓線，以減小電磁力不平衡的影響，其他檢修工作正常進行。檢修結(jié)束后再次進行試運行，振動明顯減小，機組運行一切正常。

3 立式大型異步電動機振動故障分析處理案例二

另一大型火力發(fā)電企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)選用64LKXA-24.5型立式單級單吸、轉(zhuǎn)子可抽出式斜流泵，出口直徑1.60 m，設(shè)計揚程24.5 m，該泵配用YKKL1800-12/1703-1型1 800 kW立式異步電機，轉(zhuǎn)速495 r/min。循泵基本結(jié)構(gòu)和圖1所示大致相同。

該廠循環(huán)水泵機組自安裝投運以來，因振動過大一直不能正常運行。廠方曾多次請制造廠家和原安裝及檢修單位技術(shù)人員等來廠針對振動問題進行專題研討，結(jié)果均不理想。

3.1 故障現(xiàn)象及檢修過程

該廠7號循泵機組因振動嚴(yán)重超標(biāo)無法繼續(xù)運行，測得相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示:

表2 7號機振動測量mm

該電機底座水平振動值達0.06～0.08 mm，垂直振動動達0.05～0.06 mm;電機頂部水平振動最大達0.25 mm，垂直振動達0.08 mm，運行時可見油水管路有明顯抖動現(xiàn)象，其它3臺振動也偏大，且有增大的趨勢。

機組解體后，發(fā)現(xiàn)水泵的三道軸頸磨損嚴(yán)重，水泵下導(dǎo)軸頸最大磨損量達5 mm，橡膠軸承也有相應(yīng)的磨損，電機結(jié)構(gòu)基本正常。機組檢修時，同心、擺度等技術(shù)參數(shù)的誤差都很大，通過常規(guī)的檢修手段，根據(jù)規(guī)范要求，調(diào)整了相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)。檢修后，電機進行了單獨試運行，即電機和水泵聯(lián)軸器脫開啟動電機，效果良好，機組底座部振動在0.012 mm左右，機組頂部振動最大值為0.05 mm，符合規(guī)范要求。連接電機與水泵聯(lián)軸器后，運行時電機頂部最大振動為0.15 mm，雖然振動值下降了近0.10 mm，但仍不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。為確保發(fā)電機冷卻水系統(tǒng)的正常運行，不得不采用在電機頂部的風(fēng)扇上加平衡塊的方式減小機組振動。增加平衡塊后，機組最大振動降為0.08 mm，但這并不是解決振動的根本方法。機組運行了約5個月，機組振動又逐漸增大到檢修前的狀態(tài)。

因該機組的特殊性和廠方的信任，2006年元月，對7號循泵機組進行了第二次檢修。根據(jù)以往檢修類似機組的經(jīng)驗，檢修方法不會存在問題。通過對該機組檢修前后情況的分析以及與其它機組的比較，基本排除了水流等其它因素產(chǎn)生振動的可能。再從整體上分析該機組與以往檢修過的機組，總體結(jié)構(gòu)基本一樣，僅僅是電機的冷卻方式不同:即以前檢修過的機組電機定子是“水-空”(以下簡稱“水冷”)冷卻方式，現(xiàn)在電機定子冷卻方式為強迫風(fēng)冷。冷卻風(fēng)扇裝于電機軸頂部，電機轉(zhuǎn)動時帶動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，經(jīng)風(fēng)道至電機定子冷卻器。通過對冷卻裝置的分析，認(rèn)為機組的振動極有可能是風(fēng)冷裝置引起的。經(jīng)研究，基本確定了拆除電機頂部的冷卻風(fēng)扇，試運行機組的方案。因當(dāng)時正處于冬季，室溫較低，短時間無風(fēng)冷運行對電機基本沒有損害，廠方也同意了此方案。

利用以往檢修方案，機組檢修后，電機頂部的冷卻風(fēng)扇未安裝，直接進行了整機試運行。試運行效果很好，電機底座部位振動最大僅0.015 mm，電機頂部振動最大值為0.06 mm。

3.2 振動原因分析

對于故障機組的檢修，從檢修工藝上可以說是格外細(xì)心謹(jǐn)慎，不存在連接不良、接觸不良、基礎(chǔ)或內(nèi)部摩擦等安裝方面的因素。從兩次檢修解體的結(jié)果看，該機組電機的軸承磨損情況均較好，無異?，F(xiàn)象。因此，該機組振動是轉(zhuǎn)動部分原因造成的，轉(zhuǎn)動部分引起振動的部件主要有葉輪頭、電機轉(zhuǎn)子和電機定子的冷卻風(fēng)扇。葉輪頭和電機轉(zhuǎn)子出廠時對平衡要求很高，葉輪頭在檢修時重新做了平衡試驗，符合規(guī)范要求。電機轉(zhuǎn)子通過單電機試轉(zhuǎn)時也可以證明平衡是符合要求的。但，因為電機冷卻風(fēng)扇是電機的輔助部件，極易被忽視。

1)檢修過程中檢查發(fā)現(xiàn)，該機組的冷卻風(fēng)扇為焊接件，不是鑄造件。制作過程中，極有可能造成整個風(fēng)扇形狀和重量等存在不均勻現(xiàn)象。雖然通過靜平衡試驗并處理使靜平衡符合要求，但動平衡很難保證。如果風(fēng)扇形狀不均勻，會形成風(fēng)力不平衡現(xiàn)象。

2)單電機試轉(zhuǎn)時振動很小，似乎可以排除風(fēng)扇的影響，但從機組整體分析，風(fēng)扇的影響就顯而易見了:從機組的結(jié)構(gòu)上看，轉(zhuǎn)動部分是通過電機上導(dǎo)、電機下導(dǎo)以及水泵的三道橡膠軸承限位的(圖2)，電機下導(dǎo)為徑向滾柱軸承，屬無間隙軸承;電機上導(dǎo)、水泵上、中、下導(dǎo)軸承的間隙分別為:0.20，0.60，0.70，0.80 mm(雙邊間隙)。由圖2可知，如果風(fēng)扇有不平衡現(xiàn)象，即產(chǎn)生一個不平衡位移，運行時整個轉(zhuǎn)動部分就會形成以電機下導(dǎo)為支點的回旋擺動(圖3)。因支點到風(fēng)扇的距離比到水泵下導(dǎo)軸承的距離小得多，因此，在風(fēng)扇上一個很小的不平衡位移，反映到水導(dǎo)軸承上位移就很大。當(dāng)機組檢修后，因水泵導(dǎo)軸承的限制，開始振動較小(因不平衡位移的影響，振動仍較正常機組大得多)，但因該不平衡位移的存在，大大加劇了軸頸和軸承的磨損。當(dāng)水導(dǎo)軸承間隙因磨損增大到一定程度，極易出現(xiàn)葉輪碰殼現(xiàn)象，葉輪碰殼后，巨大的沖擊力通過水泵固定部分反映到電機上就形成明顯的振動，該現(xiàn)象越向電機頂部越明顯。

3)單電機試轉(zhuǎn)時，因電機軸短，無其它因素影響，此現(xiàn)象不明顯。因此，風(fēng)扇因素引起的機組振動不是由風(fēng)扇本身反映出來的，而是通過對水泵的影響，造成水泵運行狀況惡化，再反映到電機上造成機組振動加劇，抖動明顯的現(xiàn)象。從檢修后的機組振動隨時間變化的情況看，也符合這一規(guī)律。

3.3 循泵機組的改造措施

該機組的改造方案有兩種:1)拆除電機原冷卻風(fēng)扇，改造風(fēng)機的風(fēng)道，在電機冷卻器上方增加兩臺軸流風(fēng)機，電機啟動時同時啟動冷卻風(fēng)機，達到電機定子冷卻的目的;2)將風(fēng)冷裝置改為水冷裝置。第一種方案需要增加兩臺風(fēng)機和相應(yīng)風(fēng)機啟動的控制及保護回路，而且冷卻風(fēng)機運行時對主機組也會產(chǎn)生一定的影響。第二種方案因水冷卻器和風(fēng)冷卻器在密封要求上相差很大，因此需要對冷卻器進行大幅度改造，但因該電機上油缸采用的是水冷方式，改水冷后，水源方便，而且水冷卻器在類似機組上已有成功使用，效果良好。通過對兩種方案可行性和效果比較，決定采用第二種方案。

首先，做2只尺寸和現(xiàn)有電機定子冷卻器相同的水冷卻器代替原空氣冷卻器。其次，改造該機組冷卻水系統(tǒng)，將冷卻水引至水冷卻器進口，冷卻器出水與回水管路相聯(lián)。最后，做一個密封蓋，以密封上油缸蓋因裝冷卻風(fēng)扇的需要而預(yù)留的圓孔，確保上油缸的密封良好。拆除原風(fēng)冷裝置的輔助部件，確保電機外表的整潔。

改造結(jié)束后，機組一直正常運行，機組振動仍維持在試運行時的數(shù)值，檢修取得了預(yù)期的效果。

4 立式大型異步電動機振動故障分析處理案例三

某廠1臺高壓立式異步電動機振動較大，多次進行中心找正等檢修，但未能消除振動，吊開電動機后，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)臺板由兩塊鋼板拼接而成，一側(cè)鋼板稍高，另一側(cè)較低，拼接焊縫又未打磨平，且恰好處在電動機一側(cè)腳板下，電動機雖經(jīng)找正，但實際上有許多地方形成了點接觸面，電動機中心與機械中心已找正只不過是一假象，電動機一運行必將不可避免產(chǎn)生振動。采取用氣焊割開拼接處，重新焊接并打磨平整，電動機再次重新找正后，試轉(zhuǎn)振動反而加大，經(jīng)分析并查找原因后，發(fā)現(xiàn)鋼板經(jīng)氣割，又經(jīng)電焊，造成一定的熱變形損傷，強度已嚴(yán)重下降，電動機轉(zhuǎn)動后與鋼板形成共振，所以振動反而加大，重新做新的基礎(chǔ)臺面后，才得以消除。

5 結(jié)語

1)引起大型立式機組振動的因素很多，因電機和水泵是由不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)，無論是水泵單試還是電機單試，都反映不出此類問題，或者電機單試時效果很好，極易造成電機部分是沒有問題的假象，因此該現(xiàn)象在設(shè)備生產(chǎn)至出廠的過程中都不易被發(fā)現(xiàn)。

2)在進行機組安裝檢修時一定要注意安裝和檢修的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)問題要按照一定的程序逐一排查，直到找出問題癥結(jié)所在。經(jīng)過多次和水泵及電機生產(chǎn)廠家的技術(shù)人員進行接觸，了解了該產(chǎn)品在其它單位使用的情況，也有許多廠家因無法根本解決機組振動而不得不采用增加平衡塊維持機組運行的措施，造成機組檢修周期短，維護費用高的局面。

3)對于一些特殊故障，用常規(guī)的方法不能解決時，要大膽分析判斷可能產(chǎn)生故障的其他原因。這樣能快速解決生產(chǎn)實際，減小損失。

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