某核電廠主給水泵電動機軸向振動故障診斷?

舒相挺，楊 璋，徐逸哲，蔣彥龍

（南京航空航天大學(xué)飛行器環(huán)境控制與生命保障工業(yè)和信息化部重點實驗室 南京，210016）

引言

振動信號是反映旋轉(zhuǎn)機械運行狀態(tài)和故障演化情況的重要參數(shù)。在工程實踐中，技術(shù)人員往往更關(guān)注旋轉(zhuǎn)機械的徑向振動情況而忽視了軸向振動。國標(biāo)《在非旋轉(zhuǎn)部件上測量評價機器的機械振動》指出，旋轉(zhuǎn)機械連續(xù)運行時，對軸向振動進行周期性檢查或診斷，可以很容易發(fā)現(xiàn)很多故障［1］。對于旋轉(zhuǎn)機械軸向振動故障的研究，早期主要集中在滾動軸承支承的中小型交流異步電動機等領(lǐng)域［2‐7］，近期主要集中在汽輪發(fā)電機組軸承座等領(lǐng)域［8‐12］，經(jīng)過大量理論研究與試驗驗證，解決了一批工程技術(shù)問題。筆者以國內(nèi)多家1 000 MW 級壓水堆核電廠大型主給水泵電動機軸向振動高共性故障為例，建立臥式球面滑動軸承（球軸承）支承的異步電動機簡易轉(zhuǎn)子動力學(xué)模型，診斷了軸向振動故障，并進行了成功治理。

1 核電廠主給水泵電動機簡介

該類核電廠均配備3×50% 額定容量的大功率電動主給水泵組，泵組由前置泵、交流電動機、液力耦合器、壓力級泵及聯(lián)軸器等組成。交流電動機為YKS1000‐4 型三相鼠籠式異步電動機（以下簡稱電動機），主要技術(shù)參數(shù)如下：額定功率為10 000 kW；額定電壓為6.6 kV；額定電流為978 A；電源頻率為50 Hz；額定轉(zhuǎn)速為1 496 r/min；啟動電流為5 605 A；氣隙為5 mm；極數(shù)為4。

電動機轉(zhuǎn)子兩側(cè)均采用球軸承，同時承擔(dān)軸向和徑向載荷，球軸承具備自定位調(diào)整能力以適應(yīng)轉(zhuǎn)子與軸瓦的角傾斜。為防止軸頸及軸瓦電腐蝕，軸瓦與軸承室之間的球面結(jié)合處安裝有2 mm 厚聚四氟乙烯的軟性絕緣襯墊，軸瓦還連接有接地線。電動機轉(zhuǎn)子兩側(cè)通過彈性聯(lián)軸器分別驅(qū)動前置泵和液力耦合器，如圖1 所示。

圖1 主給水泵組示意圖Fig.1 Diagram of main feed water pump unit

2 電動機的軸向振動現(xiàn)象

同型電動機在國內(nèi)多家核電廠均發(fā)生過類似的軸向振動高缺陷，振動現(xiàn)象接近，且1#軸承測點和2#軸承測點處的振動特征也相似。

2.1 振動測試系統(tǒng)簡介

以某核電機組的2 號電動機為研究對象，使用高分辨率振動測試系統(tǒng)采集振動信號。測試系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度為24 位；動態(tài)采集通道的濾波范圍為10～20 000 Hz；同步波形的采樣率為128，譜線數(shù)為800；異步波形的頻率采集范圍為0～1 000 Hz，譜線數(shù)為800；2 次線性平均；數(shù)據(jù)采樣復(fù)選時間差（0.2 s）和轉(zhuǎn)速差（50 r/min）；振動速度傳感器型號為9200；振幅為振動信號的速度均方根值（vrms）。

在電動機1#和2#軸承處的水平向（H）、垂直向（V）和軸向（A）各布置1 只9200 型傳感器，同步監(jiān)測6 個測點的振動情況。根據(jù)國標(biāo)要求，電動機的振幅應(yīng)不大于2.8 mm/s［1］。

2.2 振動分析

2.2.1 振動趨勢分析

在核電廠，大型電動機首次按裝或檢修后重新帶載前需進行空載試驗以提前檢查運行狀態(tài)。選擇該電動機維持連續(xù)空載運行的工況（2017‐10‐07T19：10～20：55），監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：電動機H 向、V 向和A 向的振幅持續(xù)緩慢上漲，A 向振幅的增長速率明顯高于H 向和V 向；同一時刻A 向振幅同比H 向或V 向的要高，H 向的振幅同比V 向的高；A 向振動頻譜以二倍轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率（2X）為主，以一倍轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率（1X）為輔；A 向振動趨勢中2X的相位基本保持穩(wěn)定，1X相位持續(xù)緩慢上漲；H 向振動頻譜以1X為主，2X為輔；H 向振動趨勢中1X相位持續(xù)緩慢上漲，2X的相位基本穩(wěn)定；V 向振幅較低，1X分量和2X分量基本接近，相位變化情況同H 向。

1#軸承測點處A 向的振幅、1X分量幅值/相位和2X分量幅值/相位的變化趨勢見圖2 和圖3。

圖2 電動機軸向振動的一倍頻趨勢圖Fig.2 Trend chart of motor's axial rotation frequency vibra‐tion

圖3 電動機軸向振動的二倍頻趨勢圖Fig.3 Trend chart of motor's axial double rotation frequency vibration

2.2.2 振動頻譜分析

電動機停運前（2017‐10‐07T20：53：30），各測點的振幅、1X幅值/相位和2X幅值/相位如表1 所示。

表1 振動頻譜信息（2017‐10‐07T20:53:30）Tab.1 Vibration spectrum information（2017‐10‐07T20:53:30）

由表1 可見：1H 和2H 向測點的振幅接近國標(biāo)限值，振動頻譜以1X分量為主，1X相位接近同相分布；1V 和2V 向振幅較低；1A 和2A 向測點的振幅超出國標(biāo)限值，振動頻譜以2X分量為主，相位接近同相分布。

2.2.3 軸瓦溫度分析

該電動機空載運行期間，軸瓦溫度變化趨勢如圖4所示，也出現(xiàn)緩慢上漲現(xiàn)象且兩側(cè)溫差約為20 ℃，說明轉(zhuǎn)子兩側(cè)軸瓦承載不均且球軸承運行不穩(wěn)定。

圖4 軸瓦溫度趨勢圖Fig.4 Trend chart of bearing bush temperature

3 軸向振動機理分析

對電動機解體檢查時，發(fā)現(xiàn)軟性絕緣襯墊運行較長時間后存在磨損或老化等問題，球軸承的自定位調(diào)節(jié)能力受襯墊的影響較明顯。因此，在啟動瞬間的沖擊力、轉(zhuǎn)子運行時不平衡離心力和不平衡磁拉力等作用下，電動機可能出現(xiàn)球軸承失位、軸頸承力中心線與軸承座幾何中心線不重合及定轉(zhuǎn)子間氣隙混合偏心［13］等缺陷。

3.1 轉(zhuǎn)子動力學(xué)物理模型

建立電動機轉(zhuǎn)子1#軸承座軸瓦自我調(diào)節(jié)能力不佳時對應(yīng)的簡易結(jié)構(gòu)模型，模擬軸頸承力中心線與軸承座幾何中心線不重合缺陷，如圖5 所示。S?S為軸頸承力中心線，O?O為軸承座的幾何中心線，L為S?S中心線與O?O中心線的間距。轉(zhuǎn)子正常運行時，主要承受質(zhì)量不平衡離心力（Fi）和不平衡磁拉力（Fump）的作用，忽略油膜力等的影響，F(xiàn)i和Fump等效作用在S?S中心線所處軸橫截面上。

圖5 1#軸承座結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Structural model of No.1 bearing seat

3.2 轉(zhuǎn)子徑向振動分析

由于該型電動機轉(zhuǎn)子為剛性轉(zhuǎn)子［14］，將圖5 模型簡化為線性系統(tǒng)，建立雙自由度簡易單輪盤轉(zhuǎn)子徑向運動動力學(xué)方程

其中：m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量；c為阻尼系數(shù)；k為剛度系數(shù)；x/y為位移。

Fi計算公式為

其中：ε為轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量的偏心距；ωr為轉(zhuǎn)子角速度；t為時間；α為不平衡離心力的初始相位角；Fi大小 與ε成正比。

Fump的計算公式［15‐16］為

其中：L為轉(zhuǎn)子長度；R為轉(zhuǎn)子半徑；F1為氣隙磁勢；μ0為空氣磁導(dǎo)率；Λ0為氣隙磁導(dǎo)的常值分量（對該型電機而言這5 個參數(shù)均為常數(shù)）；Λs=Λ0δs為靜偏心引起的磁導(dǎo)分量，δs為氣隙相對靜偏心距；Λdn=Λ0δdn為動偏心引起的磁導(dǎo)分量，δdn為相對動偏心距，n為動偏心數(shù)量；θn為零初始時刻第n個動偏心距離原點的角度；β為氣隙磁勢滯后角；kx，ky分別為考慮滑差率影響的修正系數(shù)。

由式（3）可見：Fump激振力由直流分量、1X分量和2X分量組成；直流分量對應(yīng)的激振力幅值與δs成正比，雖然不引起轉(zhuǎn)子振動，但會產(chǎn)生一個恒定的常力作用在轉(zhuǎn)子上，長期作用會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生變形從而加劇1X響應(yīng)幅值；1X分量對應(yīng)的激振力幅值與δdn成正比；2X分量對應(yīng)的激振力幅值與δs成正比；轉(zhuǎn)子的不平衡磁拉力還會導(dǎo)致兩側(cè)軸瓦承載不均而出現(xiàn)溫差。

根據(jù)線性系統(tǒng)疊加理論可知：式（1）中振動響應(yīng)由Fump和Fi分別激勵后疊加而成，即式（1）的振動響應(yīng)頻率主要由1X和2X分量組成；1X分量的幅值分別 與ε和δdn成正比，2X分量和δs成比例；當(dāng)氣隙混合偏心距以δdn為主時，主要激發(fā)1X的徑向振動；當(dāng)氣隙混合偏心距以δs為主時，主要激發(fā)2X的徑向振動［15］，如圖6 所示。

圖6 S-S 所處截面受力示意圖Fig.6 Force diagram in S-S section

通過對1X分量實施動平衡可以減小ε及對應(yīng)的Fi，也可以減小δdn及對應(yīng)的Fump的1X分量，同時也有助于降低δs及由此激發(fā)的Fump的2X分量。因此，將ε，δs和δdn矢量疊加，提高轉(zhuǎn)子平衡精度降低等效偏心距可以同步降低Fump和Fi及對應(yīng)的徑向振動響應(yīng)幅值。

3.3 轉(zhuǎn)子軸向振動分析

當(dāng)轉(zhuǎn)子球軸承自定位功能受限時，軸瓦烏金面與軸頸無法保持良好接觸，軸頸承力中心線S?S與軸承座幾何中線O?O不重合，間距為L。將S?S所處截面中的Fi和Fump平移到O?O中心線所處橫截面，得到相等的周期性激振力F′i和F′ump及對應(yīng)的周期性力矩Mi和Mump，力矩將導(dǎo)致軸承座產(chǎn)生周期性軸向振動。其中，Mi等于Fi乘以L，Mump等于Fump乘以L，因此軸承座軸向振動的頻譜和相位特征與由Fi和Fump激勵的徑向振動一致。同時，軸向振動也會影響球軸承工作狀態(tài)進而改變氣隙偏差，反過來作用于徑向振動，軸向振動與徑向振動相互影響，發(fā)生了耦合作用。

綜上分析，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)子球軸承無法自定位時，轉(zhuǎn)子軸向振動頻譜主要由1X和2X分量組成；1X幅值 與ε和δdn偏心距成比例，2X幅值和δs成比例；受Fump中直流分量對轉(zhuǎn)子變形作用的影響，軸向振動的幅值/相位曲線會隨時間而變化；升降速過程中氣隙磁導(dǎo)的增減，會導(dǎo)致振幅隨之增減；軸瓦工作狀態(tài)變化時，軸頸承力中心線S?S與軸承座幾何中線O?O間距L的變化也會影響軸向振動幅值。提高轉(zhuǎn)子平衡精度降低等效偏心距或改善軸瓦工作狀態(tài)減小L值，都會同步降低周期性力矩Mi和Mump導(dǎo)致的軸向振幅。

4 軸向振動故障診斷及治理

綜合上述軸向振動現(xiàn)象和機理分析結(jié)果，診斷該電動機軸向振動高缺陷的主要原因是球軸承自定位功能不佳和氣隙靜偏心距超差。更換磨損的軸瓦絕緣襯墊改善軸瓦工作狀態(tài)和將氣隙偏差限值由±10 %優(yōu)化至±3 %可以解決或緩解振動緩慢上漲的缺陷，再提高轉(zhuǎn)子平衡精度減小等效偏心距可以同步降低軸向振幅和徑向振幅。

更換已磨損的軸瓦絕緣襯墊恢復(fù)軸瓦工作狀態(tài)和優(yōu)化氣隙偏差后，分析表1 數(shù)據(jù)判斷轉(zhuǎn)子兩側(cè)H向還存在較明顯的同相不平衡量，經(jīng)過試加重計算出轉(zhuǎn)子動平衡影響系數(shù)后，在轉(zhuǎn)子兩側(cè)各安裝99 g的同相配重塊。再次啟動電動機（2017‐10‐08T17：50：00），各測點振動合格，且振幅基本穩(wěn)定。1#測點A 向的振幅、1X分量的幅值/相位和2X分量幅值/相位的變化趨勢如圖7 和圖8 所示。

圖7 電動機動平衡后軸向振動的一倍頻趨勢圖Fig.7 Trend chart of motor's axial rotation frequency vibra‐tion after dynamic balance

圖8 電動機動平衡后軸向振動的二倍頻趨勢圖Fig.8 Trend chart of motor's axial double rotation frequency vibration after dynamic balance

電動機動平衡后（2017‐10‐08T19：16：53），各測點的振幅、1X幅值/相位和2X幅值/相位見表2。相比表1 的數(shù)據(jù)，動平衡后H 向和A 向測點振幅明顯下降。其中，H 向以1X分量幅值下降為主，A 向以2X分量下降為主，驗證了之前的理論分析結(jié)果。

表2 振動頻譜信息（2017‐10‐08T19:16:53）Tab.2 Vibration spectrum information (2017‐10‐08T19:16:53)

隨后，參照本案例對其他存在類似缺陷的電動機也實施了磨損絕緣墊片更換以恢復(fù)軸瓦工作狀態(tài)、氣隙偏差優(yōu)化與動平衡試驗措施，均取得了良好的減振效果。

5 結(jié)束語

某大型臥式球軸承支承電動機的軸向振動高缺陷主要由于球軸承自我調(diào)節(jié)能力不佳和定轉(zhuǎn)子間氣隙靜偏心超差所致，軸向振動的頻譜和相位特征與徑向振動的相似。當(dāng)氣隙混合偏心距以靜偏心距為主時，軸向振動頻譜以2X為主。該型電動機運行時，軸向振動與徑向振動耦合作用，通過調(diào)整絕緣襯墊恢復(fù)軸瓦工作狀態(tài)和優(yōu)化氣隙偏差的措施可以緩解或解決振動相位緩慢變化的缺陷，同時提高轉(zhuǎn)子平衡精度減小等效偏心距可以同步降低軸向振幅和徑向振幅。