旋轉(zhuǎn)設備結(jié)構(gòu)剛度減弱的診斷及振動相位周期變化的分析

師忠玉

（山西大唐國際運城發(fā)電有限責任公司，山西 運城 044602）

1 設備簡介

某火電廠輸煤皮帶驅(qū)動設備由電動機、液力耦合器和減速機組成。電動機型號 YKK400-4，額定電壓 6 kV，額定功率 315 kW，轉(zhuǎn)速1498 r/min。液力耦合器型號 YOXⅡz-600，液壓推動器推力 2000 N，推動器行程 60 mm，廣東中興液力傳動有限公司生產(chǎn)。減速機為SEW傳動設備天津有限公司生產(chǎn)的M3RSF80減速機，傳動比為1：32.7407。

電動機安裝在約1.2 m高的鋼結(jié)構(gòu)支座上，鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q235。

2 設備異常的發(fā)現(xiàn)及振動測試分析過程

2.1 設備異常的發(fā)現(xiàn)及檢查

在點檢、巡檢設備時發(fā)現(xiàn)電機振動大，水平振動為0.39 mm，垂直振動為0.42 mm，軸向振動為0.16 mm。對電機軸承檢查無異常，電機直流電阻、絕緣、耐壓試驗均合格，對輪中心復查無異常，振動大的問題依然存在。

2.2 振動測試

振動測試采用美國NI振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上海SK振動數(shù)據(jù)處理軟件，振動傳感器采用國產(chǎn)速度傳感器。振動測點安裝在電機自由端、電機驅(qū)動端、減速機輸入端的軸承處，每處分別安裝了水平、垂直和軸向3個測點，振動最大時刻的測試數(shù)據(jù)如表1所示,電機垂直方向通頻振幅、一倍頻幅值、一倍頻相位隨時間變化的趨勢如圖1所示。

表1 振動最大時刻振動數(shù)據(jù)列表

圖1 電機垂直方向通頻振幅、一倍頻幅值、一倍頻相位趨勢圖

2.3 其他測試

紅外成像檢測，電機溫度最高點在驅(qū)動端軸承殼體處，溫度為60℃。減速機溫度最高處在第一級齒輪軸承殼體處，溫度為60℃。溫度均在正常范圍內(nèi)。

運行期間電機電流無變化，且振動二倍頻分量較小，初步排除電機電氣方面故障原因，應為機械方面的原因。

2.4 振動特征分析及問題的處理

振動特征：振動以一倍頻為主；電機驅(qū)動端水平振動最大，振幅在6～18 mm/s之間變化；振動幅值周期波動，振動相位發(fā)生 360°周期性變化；電機自由端、電機驅(qū)動端、減速機輸入端振動規(guī)律相同。

根據(jù)振動特征，不符合滾動軸承的特征頻率[1]，可以排除電機軸承方面的原因，也無齒輪的嚙合頻率，可初步排除減速機齒輪的問題，不對中的特征也不明顯，上述的分析也在之前的檢查中得到了確認。

旋轉(zhuǎn)設備振動大與兩個因素有關(guān)，一是激振力大，二是動剛度低，降低振動的所有方法，都是從以上兩個大的方面著手，要么降低激振力，要么提高動剛度。

本案例振動故障中，從降低激振力方面分析，引起振動相位周期的變化是必須首先要查明的原因。對于汽輪機振動，相位的周期變化是旋轉(zhuǎn)性不平衡力造成的，而引起旋轉(zhuǎn)不平衡的原因是轉(zhuǎn)子與靜止部位的摩擦使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一定量的熱彎曲，而且彎曲的方向是周期變化的。該原因在本案例的故障中基本可以排除，因為電機的軸承為滾動軸承，已經(jīng)檢查確認軸承工作正常，那么動靜基本沒有接觸的可能性。

對于組合體的剛度，與3個因素有關(guān)[2]：一是各個零部件之間的連接剛度，二是零部件的結(jié)構(gòu)剛度，三是結(jié)構(gòu)的共振程度。如果排除了共振因素，可以說，剛度不足要么是結(jié)構(gòu)剛度不足，要么是連接剛度不足，甚至是兩者均有之 (這種情況較少)。目前，判斷連接剛度不足的方法比較成熟，進行軸承外振動特性測試，即采用差別振動的方法基本可以診斷連接剛度是否正常[3]；但是判斷結(jié)構(gòu)剛度不足的方法，主要有偏心輪激振測試和加重試驗兩種方法，這兩種方法在現(xiàn)場均不方便實施。

本案例中，每次振動幅值最大時，一倍頻相位也位于較大值，依據(jù)此規(guī)律，采用了20 g的試加重量加至液力耦合器外沿螺栓上，在電機水平方向激起了30～50 μm的振動變化量，對此現(xiàn)象的解釋，一是軸系短、質(zhì)量輕，加重反應靈敏；二是電機結(jié)構(gòu)剛度低。對于相位周期變化，不能采用測相平衡法實施動平衡，從現(xiàn)場試驗來看，影響系數(shù)不但幅值變化大而且角度也很分散，實施動平衡比較困難。

通過加重反應，也說明了動剛度應作為一個檢查方向進行排查；進一步通過升降速試驗和運行中的振動測試，不符合結(jié)構(gòu)共振的特征；通過垂直差別振動的測試，也排除了連接剛度不足的原因。為了確認是否是鋼結(jié)構(gòu)支座的結(jié)構(gòu)剛度不足，進行了不同高度水平振動的測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 電機鋼結(jié)構(gòu)支座水平方向振動幅值 mm/s

電機支座高度不同，差別振動較大，決定對結(jié)構(gòu)剛度進行排查，采用支撐加固試驗的方法，采用千斤頂對電機鋼結(jié)構(gòu)支座臨時加支撐，振動明顯降低。

最終對電機鋼結(jié)構(gòu)支座進行焊接支撐，加2個水平和2個垂直共4個支撐槽鋼，設備運行后，電機驅(qū)動端水平振動降至0.02～0.08 mm，電機非驅(qū)動端水平振動降至0.02～0.06 mm，振動達到良好水平。

通過該問題的解決，對于輸煤系統(tǒng)同類型多臺電動機振動較大的問題，也采用同樣的方法分析處理，均使振動降至合格范圍之內(nèi)。

2.5 診斷結(jié)構(gòu)剛度

通過此類問題的振動分析，找到了一種檢測結(jié)構(gòu)剛度不足的新方法。對于安裝在較高鋼結(jié)構(gòu)支座上的旋轉(zhuǎn)設備，振動頻率為一倍頻，初步排除激振力大、連接剛度不足、共振的因素，可采用此方法檢測判斷結(jié)構(gòu)剛度的強弱。將此方法暫命名為水平差別振動測試，其規(guī)律是，旋轉(zhuǎn)設備支座高度不同，水平方向就存在差別振動，高度差別越大，水平方向差別振動就越大，據(jù)此特征可初步判斷為旋轉(zhuǎn)設備鋼結(jié)構(gòu)支座剛度不足的原因，進而解決振動大的問題，此方法簡單實用。

2.6 振動相位周期變化

引起振動周期性不穩(wěn)定變化的原因，是軸系上存在一個隨時間旋轉(zhuǎn)變化的不平衡量，當旋轉(zhuǎn)性不平衡與轉(zhuǎn)子原始不平衡方向一致時，表現(xiàn)為振動最大；相反，當旋轉(zhuǎn)性不平衡與轉(zhuǎn)子原始不平衡方向相反時，表現(xiàn)為振動最小，同時振動相位也呈周期性的變化。

汽輪機發(fā)生此振動是旋轉(zhuǎn)熱不平衡造成的。但對于本案例，是不可能發(fā)生旋轉(zhuǎn)熱不平衡的，最大的疑點是液力耦合器的原因，因為液力耦合器工作油是旋轉(zhuǎn)的。為了排查是否是液力耦合器造成的，對另外多臺同類型的輸煤皮帶電動機進行了振動測試，多臺同類型的電動機通頻振動幅值、一倍頻幅值、一倍頻相位隨時間變化的趨勢規(guī)律均一致，與圖1類似。

對比多臺同樣結(jié)構(gòu)的電機振動具有相同的特征，只是振幅大小的差異，相位均發(fā)生360°的周期變化，分析造成這一現(xiàn)象的原因是液力耦合器的工作方式造成的，這是液力耦合器本身的工作特性決定的，是液力耦合器工作油周期性旋轉(zhuǎn)造成的旋轉(zhuǎn)性質(zhì)量不平衡。

3 結(jié)論

輸煤皮帶電機振動大的原因是鋼結(jié)構(gòu)支座剛度不足造成的。振動相位不穩(wěn)定且有規(guī)律的周期變化是液力耦合器的工作方式引起的。對于結(jié)構(gòu)剛度不足的處理，現(xiàn)場多采用加固的方法處理，但是加固也不是一勞永逸的，隨著時間的推移，結(jié)構(gòu)剛度仍有降低的趨勢。建議在設計及安裝階段，盡量采用鋼筋混凝土基礎(chǔ)，同時盡量降低鋼結(jié)構(gòu)支座的高度。