核電廠風機機組振動波動問題的分析及治理

付江永

（山東核電有限公司，山東煙臺 265116）

0 引言

核電廠保健物理區(qū)和熱機加工車間排風機組用于維持保健物理區(qū)及熱機加工車間處于微負壓，同時向輻射探測儀表供風以檢測排出物放射性指標。機組電機通過皮帶驅(qū)動風機運行，電機轉(zhuǎn)速為1488 r/min，風機轉(zhuǎn)速為1590 r/min，電機與風機安裝在同一框架基礎上，并由鋼彈簧隔振器支撐。

風機機組運行期間振動超標，電機側(cè)軸承水平方向及軸向振動超過ISO 10816-3：2001振動標準所要求的4.5 mm/s。風機側(cè)軸承振動較小，滿足標準JB/T 8689—2014《通風機振動檢測及其限值》規(guī)定的撓性支撐條件下7.1 mm/s要求，振動數(shù)據(jù)見表1。經(jīng)過實時監(jiān)測，電機水平方向及軸向振動存在波動，振動變化趨勢如圖1所示。

表1 振動測量數(shù)據(jù)表格

圖1 電機軸向振動變化趨勢

1 振動初步診斷及動平衡

對電機自由端軸向及水平方向振動進行頻譜分析，其中軸向振動頻譜見圖2。

振動主要分量為電機轉(zhuǎn)速頻率24.8 Hz及風機轉(zhuǎn)速頻率26.5 Hz。1倍頻振動較大、軸向振動超過徑向振動，這些特征最可能的原因為電機皮帶輪處存在不平衡。從表1可以看出，風機振動較小，電機振動較大，因此首先考慮對電機進行動平衡。

圖2 電機軸向振動頻譜

電機脫開負載后，采用CSI2140振動分析儀表進行動平衡。選擇動平衡位置在電機皮帶輪處，由于皮帶輪材料為鑄鐵，現(xiàn)場不易焊接質(zhì)量塊，因此采用鉆孔去除質(zhì)量的方式實施動平衡，經(jīng)過1次試平衡，2次去重，在皮帶輪處共去除14 g，動平衡結(jié)果見表2。

表2 平衡前振動速度均方根值

表3 平衡后振動速度均方根值

經(jīng)動平衡后，電機單轉(zhuǎn)振動大幅下降，振動達到了優(yōu)秀水平，并且未發(fā)現(xiàn)波動現(xiàn)象。

電機連接風機后啟機運行，電機水平方向及軸向總體振動水平已明顯下降，但經(jīng)趨勢分析仍然存在波動，波動最大值可超過標準要求。平衡后機組振動測量數(shù)據(jù)見表4，電機軸向振動頻譜見圖3。

表4 平衡后機組振動速度均方根值

圖3 電機軸向振動頻譜

2 振動波動原因分析

經(jīng)實時頻譜分析，主要波動頻率為風機轉(zhuǎn)速頻率，波動周期仍然為（10～15）s，可能原因有 3 個。

（1）電機側(cè)存在機械松動。機械松動一般包括基礎結(jié)構(gòu)框架松動和各零部件配合間隙超差引起的松動。機械松動會引起振動忽大忽小的變化，本質(zhì)是由于松動引起了剛度的非線性。松動導致的振動除基頻外，還會產(chǎn)生高次諧波及分數(shù)次諧波，并且振動波動不存在規(guī)律性的變化。

從圖3可以看出，頻譜中僅存在風機和電機的轉(zhuǎn)速頻率并無其他頻率分量，并且波動的頻率分量僅為風機轉(zhuǎn)速頻率。從波動周期上分析，由圖1可知，電機振動波動周期雖不固定，但卻呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，而機械松動引起的波動不存在規(guī)律性。另外，維修人員對基礎各結(jié)合面螺栓進行檢查，對電機裝配記錄進行檢查均未發(fā)現(xiàn)松動問題。因此排除機械松動故障。

（2）拍振。拍振是一種多個振源系統(tǒng)相互干涉的振動現(xiàn)象，是兩種頻率接近、幅值也比較接近的兩個擾動因素共同產(chǎn)生的合成擾動現(xiàn)象。

拍振能產(chǎn)生忽大忽小的振動波動，其機理為當2個相近頻率相位相同時，振幅增大；當2個相近頻率相位相反時，振幅減小。拍振的頻率為2個相近振動頻率之差。而從圖3及圖4可以看出，風機及電機的轉(zhuǎn)速頻率之差為1.7 Hz，波動周期約為0.6 s，這與電機波動的周期并不對應。另外，拍振產(chǎn)生的波動周期在風機轉(zhuǎn)速和電機轉(zhuǎn)速固定的條件下應是固定的，而實際電機的波動周期卻在（10～15）s內(nèi)變化，這與拍振的原理不符，因此排除拍振問題。

（3）間歇性結(jié)構(gòu)共振。由表3可以看出，風機振動小于電機振動，而電機的主要振動分量卻是風機轉(zhuǎn)速頻率。這說明風機轉(zhuǎn)速頻率振動傳遞至電機側(cè)，并在電機側(cè)發(fā)生了共振放大。

對普通強迫振動而言，部件呈現(xiàn)的振幅與作用在部件上的激振力成正比，與它的動剛度成反比，可用式（1）表示。

式中A——振幅

F——激振力

K——部件動剛度，見式（2），它表示部件產(chǎn)生單位振幅（位移）所需的交變力

式中k——部件靜剛度，它表示部件產(chǎn)生單位位移（變形）

所需的靜力

β——動態(tài)放大系數(shù)，見式（3）

式中 ω——激振力頻率

c——阻尼系數(shù)

ωn——支撐系統(tǒng)自振頻率，見式（4）

由式（3）可得，當固有頻率與激振力頻率相等時系統(tǒng)動剛度最小，振動幅值最大，在無阻尼情況，振動幅值將趨于無窮動大，此時發(fā)生共振。

在實際現(xiàn)場工作中，判斷轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)是否存在共振可以通過敲擊試驗，直接測出設備在振動較大位置處的固有頻率，與激振頻率進行對比，如果兩頻率較為接近，則說明存在共振的可能。

對電機水平方向及軸向進行錘擊測試，均存在28 Hz固有頻率，其中軸向固有頻率頻譜如圖4所示。固有頻率28 Hz與風機的轉(zhuǎn)速頻率26.5 Hz很接近。根據(jù)GB 10068—2008標準，主要振源的頻率與系統(tǒng)固有頻率避開率為10%，即要求在（24.1～29.5）Hz范圍內(nèi)不應存在固有頻率峰值，但電機側(cè)固有頻率未避開共振區(qū)間。

圖4 電機軸向固有頻率

由式（4）可知，在質(zhì)量不變的條件下，剛度變化引起固有頻率變化。當剛度下降時，電機固有頻率下降；剛度上升時，固有頻率上升。

考慮到電機與風機整體坐落在鋼彈簧隔振器上，在電機帶載運行時，一方面由于機組激振力變大，另一方面由于機組質(zhì)量分布不均勻，電機側(cè)質(zhì)量大于風機側(cè)質(zhì)量，使得風機側(cè)的鋼彈簧隔振器的壓縮量略大于風機側(cè)，機組運行中必然發(fā)生微小晃動。在機組整體向電機側(cè)方向傾斜時，電機下部的彈簧支撐壓縮量增加，電機側(cè)剛度提高，由于固有頻率為28 Hz，稍高于風機轉(zhuǎn)速頻率。當電機側(cè)剛度提高后，固有頻率隨之升高而遠離風機轉(zhuǎn)速頻率26.5 Hz，即脫離共振區(qū)間；在機組整體向風機側(cè)傾斜時，電機下部彈簧支撐壓縮量減小，電機側(cè)剛度降低，固有頻率隨至下降進而更加接近轉(zhuǎn)速頻率，即進入共振區(qū)間，振動升高。另一方面，電機側(cè)水平及軸向隨機組的微小晃動產(chǎn)生間歇性的結(jié)構(gòu)共振，由于晃動的周期并不穩(wěn)定，所以產(chǎn)生的振動變化周期也不穩(wěn)定。

3 振動處理

鋼彈簧隔振器可以達到較低的固有頻率，但由于其存在自振動現(xiàn)象，容易傳遞中頻振動，且阻尼太小，臨界阻尼比只有0.005。由式（3）可知，鋼彈簧隔振器對于共振頻率附近的振動隔離能力較差，目前大部分廠家在鋼彈黃鋼絲外設一層橡膠，以增加彈簧隔振器的阻尼。如果將彈簧減振器的壓縮量增加，一方面可以提高基礎剛度，另一方面可以提高基礎剛度的穩(wěn)定性。

基于以上分析，維修人員增加了機組基礎下方的鋼彈簧隔振器的壓縮量。經(jīng)錘擊試驗，電機固有頻率為變化為31.2 Hz，軸向固有頻率如圖5所示。

從固有頻率的頻譜可以看出，在增加鋼彈簧隔振器的壓縮量后，一方面其固有頻率有一定程度的提高，風機的轉(zhuǎn)速頻率與電機固有頻率差距變大，避開了結(jié)構(gòu)共振，另一方面，風機更加穩(wěn)固，剛度更加穩(wěn)定。經(jīng)振動測量，振動最大值為3 mm/s，經(jīng)振動趨勢分析，振動波動消失。振動超標問題得以解決，滿足生產(chǎn)需要

圖5 增加鋼彈簧隔振器壓縮量后的固有頻率

4 結(jié)論

結(jié)合核電廠保健物理區(qū)和熱機加工車間排風機組振動問題，分析引起風機機組振動波動的可能原因，最終將振動原因鎖定在電機側(cè)間歇性結(jié)構(gòu)共振，并通過調(diào)整基礎支撐剛度、動平衡等手段成功使振動到達標準要求。