立式屏蔽電機(jī)半速渦動異常振動試驗(yàn)分析*

肖良瑜， 李建偉， 宋大鳳， 李永恒

（1.哈爾濱電機(jī)廠國家水力發(fā)電設(shè)備國家重點(diǎn)試驗(yàn)室 哈爾濱，150040）（2.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長春，130022）

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立式屏蔽電機(jī)半速渦動異常振動試驗(yàn)分析*

肖良瑜1， 李建偉1， 宋大鳳2， 李永恒1

（1.哈爾濱電機(jī)廠國家水力發(fā)電設(shè)備國家重點(diǎn)試驗(yàn)室 哈爾濱，150040）（2.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長春，130022）

針對某型主泵屏蔽電機(jī)在廠內(nèi)試驗(yàn)中出現(xiàn)的異常振動問題進(jìn)行了試驗(yàn)分析研究。首先采用加速度計對屏蔽電機(jī)在變速過程中的振動進(jìn)行了測試，獲得了信號特征及其頻譜成分。接著采用錘擊法對電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的振動特性進(jìn)行了模態(tài)測試，并利用小波對測試信號進(jìn)行“去噪”處理，獲得定、轉(zhuǎn)子準(zhǔn)確的頻譜曲線。結(jié)果表明半速渦動頻率與定子系統(tǒng)固有頻率耦合引發(fā)共振是造成電機(jī)振動異常的主要原因，而多數(shù)情況下，這種耦合是發(fā)生在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)上。在此基礎(chǔ)上，提出了增加試驗(yàn)臨時支撐固定電機(jī)的假泵殼的質(zhì)量，使定子系統(tǒng)固有頻率降低，并調(diào)整軸承間隙來降低半速渦動的激振力幅值，起到了很好的消振效果。

屏蔽電機(jī)；半速渦動；固有頻率；共振；時頻分析

引 言

立式主泵屏蔽電動機(jī)是核動力裝置和核電設(shè)備中的非常重要的部件，其主要部件包括定子、轉(zhuǎn)子、軸承等［1］。屏蔽電機(jī)的長期、連續(xù)、安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，直接涉及到核電裝置或設(shè)備的安全可靠性。電機(jī)的振動會加速電動機(jī)軸承磨損、絕緣壽命縮短，并常常伴有很大噪聲［2-3］。通常在變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)中，要求工作轉(zhuǎn)速振動值必須控制在標(biāo)準(zhǔn)值以下。另外，目前對于這種立式主泵屏蔽電機(jī)振動的研究卻很少。

在采用滑動軸承結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，半速渦動和油膜震蕩引起的故障現(xiàn)象時有出現(xiàn)，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注半速渦動現(xiàn)象及其機(jī)理的研究［4-8］。孟慶豐等［4］利用非接觸式電渦流位移傳感器發(fā)明了一種高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械半速渦動在線穩(wěn)定性特征提取與檢測方法；童小忠等［5］根據(jù)半山1號燃機(jī)軸承上的油膜渦動和油膜振蕩特點(diǎn)，給出了引起轉(zhuǎn)子油膜振蕩的定性原因分析；陳策等［6］針對軸承流固耦合作用產(chǎn)生軸頸渦動現(xiàn)象的機(jī)理，探討了油膜渦動及半速渦動的特征，給出了不同渦動比下油膜壓力分布影響的3個典型區(qū)域及其振動特性。對典型故障案例的分析，可以發(fā)現(xiàn)，半速渦動頻率與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)固有頻率的耦合是最為常見的［5-8］。

然而，筆者在對某型主泵屏蔽電機(jī)進(jìn)行常規(guī)振動測試時，發(fā)現(xiàn)該電機(jī)的半速渦動異常振動并非是半速渦動頻率與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)固有頻率的耦合造成的。文中將結(jié)合該型屏蔽電機(jī)結(jié)構(gòu)及半速渦動振動的特點(diǎn)，利用振動信號的時頻分析和模態(tài)試驗(yàn)分析技術(shù)對異常振動故障進(jìn)行全面測試分析，找出引起異常振動的原因，并提出改進(jìn)處理措施，以大幅降低該電機(jī)的半速渦動振動幅值。

1 半速渦動和振蕩機(jī)理

圖1給出了半速渦動示意圖。設(shè)軸承中心為O，軸中心為O1，軸偏心距為a，軸承的平均間隙為c，軸以角速度ω旋轉(zhuǎn)，軸半徑為R，渦動速度為Ω。不考慮油的泄漏，由流量連續(xù)理論可得流量平衡：

由式（1）解得軸頸中心渦動角速度，即

式中：c/R值很小，可以忽略不計，故Ω≈ω/2。

渦動方向和軸頸旋轉(zhuǎn)方向相同，潤滑油引起的渦動頻率接近或略小于轉(zhuǎn)子工作頻率的一半，系統(tǒng)振動信號中出現(xiàn)明顯的渦動頻率成分。這是判斷系統(tǒng)出現(xiàn)渦動的重要判據(jù)。

圖1　油膜半速渦動示意圖Fig.1 Schematic diagram oil whirl of half speed eddy

隨著轉(zhuǎn)速的升高，渦動頻率隨之升高，但始終保持等于或略小于轉(zhuǎn)動頻率的一半。油膜渦動時的振動幅值一般不大。轉(zhuǎn)速升到臨界轉(zhuǎn)速附近時，半速渦動會被劇烈的臨界共振所掩蓋。越過臨界轉(zhuǎn)速后，油膜半速渦動重新出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速升至兩倍臨界轉(zhuǎn)速時，渦動頻率與轉(zhuǎn)子固有頻率重合，產(chǎn)生共振。此時，振動幅值會劇烈增加，油膜渦動發(fā)展為油膜振蕩。軸承處于自激振動的后期階段。由此可見，只有當(dāng)轉(zhuǎn)速大于兩倍轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速后才可能發(fā)生油膜振蕩故障。油膜振蕩的幅值比油膜渦動要大得多，也遠(yuǎn)大于一般強(qiáng)迫振動。與半速渦動不同，油膜振蕩發(fā)生后，振蕩頻率被“鎖定”，始終保持等于轉(zhuǎn)子固有頻率，不再隨轉(zhuǎn)速升高而變化。因此，油膜振蕩不同于普通的共振，不能用提高轉(zhuǎn)速的方法來消除［8］。

2 故障振動信號特征提取

某型立式主泵屏蔽電動機(jī)，采用兩導(dǎo)水潤滑石墨徑向軸承支撐結(jié)構(gòu)，水溫100℃，環(huán)境壓力13 MPa，工作轉(zhuǎn)速為1 800～3 000 r/min，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。驗(yàn)收試驗(yàn)在工廠試驗(yàn)臺上進(jìn)行。為盡可能與現(xiàn)場安裝在機(jī)器上的支撐結(jié)構(gòu)特性接近，電機(jī)下端法蘭通過螺栓與假泵殼連接后置于試驗(yàn)工作平臺上。屏蔽電機(jī)振動特征測試采用時頻分析方法，通過在上、下軸承座附近安裝的振動PCB 352B加速度傳感器進(jìn)行振動信號的拾取，利用B&K公司PHOTON動態(tài)信號分析儀采集時域數(shù)據(jù)，經(jīng)快速傅里葉變換轉(zhuǎn)化為頻譜圖。通過譜特征分析，并結(jié)合主泵屏蔽電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行異常振動特征識別。試驗(yàn)測試時，電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)逐漸升速至最大工作轉(zhuǎn)速3 000 r/min。

圖2　屏蔽電機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The total structure figure of canned motor

升速過程的振動頻域瀑布圖如圖3所示。從該圖可看出，振動特征主要是轉(zhuǎn)頻振動和半速渦動，且整個升速過程轉(zhuǎn)頻振動幅值都很小。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 350 r/min時開始出現(xiàn)半速渦動，且從1 900 r/min開始，半速渦動幅值超過轉(zhuǎn)頻振動幅值。隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，半速渦動幅值逐漸增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 700 r/min時，幅值達(dá)到最大，振動烈度為5.91 mm/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。隨后半速渦動幅值開始下降，但在2 700～3 000 r/min內(nèi)，半速渦動幅值仍然很大，大大超過了工廠試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)1.2 mm/s的規(guī)定值。表1列出了1 800～3 000 r/min工作轉(zhuǎn)速內(nèi)的振動幅值測量結(jié)果，圖4為振動最大時的時域波形和頻譜圖。從現(xiàn)象上看，這種振動故障與半速渦動引起的故障現(xiàn)象非常相似。

圖3　升速過程屏蔽電機(jī)振動頻域瀑布圖Fig.3 Waterfall in frequency domain for motor in acceleration

表1　不同工作轉(zhuǎn)速下振動幅值Tab.1 Vibration amplitude under different rotation speed

3 振動故障診斷

3.1振動原因分析

從圖3反應(yīng)的屏蔽電機(jī)振動特征來看，在變速過程中明顯存在半速渦動故障特征。引起半速渦動的原因很多，如：轉(zhuǎn)速，軸承載荷，潤滑介質(zhì)的粘度、溫度、壓力，軸頸與軸的間隙等因素［6，9-11］。該電機(jī)在整個升速過程中，轉(zhuǎn)頻振動幅值都很小，基本不隨轉(zhuǎn)速發(fā)生大的變化，從而排除了因電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械不平衡擾動力過大而引起轉(zhuǎn)軸半速渦動的問題。而試驗(yàn)測試時的潤滑系統(tǒng)的水溫、水壓等因素均與以往同型號電機(jī)采用的一樣，這就消除了軸承潤滑水品質(zhì)引起的半速渦動影響。因此，分析認(rèn)為引起半速渦動的原因很可能是軸承間隙不均勻造成，要重點(diǎn)檢查軸承間隙。

此外，從圖4的時域波形可看出，這是典型的共振拍波波形，由此斷定在轉(zhuǎn)速為2 700 r/min附近區(qū)域存在一個共振區(qū)，共振頻率為20.75 Hz。值得關(guān)注的是，該屏蔽電機(jī)升速過程中并沒有出現(xiàn)油膜振蕩的典型故障振動特征，因此半速渦動并沒有發(fā)展成油膜振蕩，也不存在轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速共振現(xiàn)象。故判斷半速渦動幅值迅速增大很可能是與轉(zhuǎn)子或定子固有頻率耦合引發(fā)共振造成的。

圖4　振動最大時的時域波形和頻譜圖Fig.4 Time waveform and frequency spectrum at the maximum vibration

3.2定子、轉(zhuǎn)子模態(tài)試驗(yàn)分析

3.2.1模態(tài)試驗(yàn)理論模型

定子、轉(zhuǎn)子的振動可假設(shè)為一種具有n個自由度的線彈性物理系統(tǒng)運(yùn)動，模態(tài)試驗(yàn)時，當(dāng)在p點(diǎn)激振，l點(diǎn)測量響應(yīng)，得到p點(diǎn)和l點(diǎn)間的位移頻響函數(shù)為［12-14］：

當(dāng)信號為f（t）和x（t）分別為系統(tǒng)的輸入（激勵）和輸出（響應(yīng)）信號時，動態(tài)信號分析儀通常按下列關(guān)系求系統(tǒng)的頻響函數(shù)H（ω）和相干函數(shù)

其中：Gff（ω）為激勵信號f（t）的自功率譜；Gxx（ω）為響應(yīng)信號x（t）的自功率譜；Gfx（ω）為激勵信號f（t）和響應(yīng)信號x（t）的互功率譜。

3.2.2定子、轉(zhuǎn)子模態(tài)試驗(yàn)測試

筆者采用錘擊法對定、轉(zhuǎn)子進(jìn)行模態(tài)測試分析，且敲擊采用固定敲擊點(diǎn)移動響應(yīng)點(diǎn)的錘擊方法。用力錘按X和Y向激振，用加速度傳感器測量其衰減信號，獲得測試結(jié)構(gòu)的固有頻率［15-18］。然而，試驗(yàn)測試過程中，常常會受到周圍環(huán)境干擾的影響（周圍結(jié)構(gòu)的振動、噪聲等），對測試信號帶來“污染”。對于定轉(zhuǎn)子振動系統(tǒng)，在錘擊激勵和隨機(jī)激勵下的振動微分方程可以表示［19-21］為

其中：｛R（t）｝為隨機(jī)激勵。

當(dāng)采用錘擊激振時，力錘激振系統(tǒng)不受外力激振，系統(tǒng)處于自由振動狀態(tài)，因此當(dāng)系統(tǒng)在隨機(jī)力和力錘激振下，響應(yīng)信號的動力學(xué)方程可統(tǒng)一為

其中：x（t）為測得的信號；r（t）為自由響應(yīng)信號；σn（t）為隨機(jī)信號之和。

這種隨機(jī)信號常常會對信號的處理分析帶來困難，有必要對信號進(jìn)行“去干擾”處理。小波變換可以完成對信號的分解與重構(gòu)，在分解和重構(gòu)的過程中，將信號的干擾去掉。其基本原理［11］：在離散小波（DWT）中，在空間Vj=Vj-1+Wj-1上表示信號，也就是對每一個Vj上表示的信號能用上述的兩個空間的基函數(shù)來表示：

小波對信號的分解與重構(gòu)可以通過濾波器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)小波和尺度在空間內(nèi)是正交的，可以用內(nèi)積公式得到系數(shù)c A1（）k和D1（）k：

對于小波分解過程，通過設(shè)計高通和低通濾波器的系數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)。一般來說，噪聲信號多包含高頻率細(xì)節(jié)中，在對信號進(jìn)行小波分解后，可以利用門限閾值等形式對所分解的小波系數(shù)進(jìn)行權(quán)重處理，然后對信號進(jìn)行重構(gòu)達(dá)到信號去噪的目的。

圖5為定子水平X方向振動信號的相干系數(shù)隨頻率的變化，可以發(fā)現(xiàn)測得的信號在150 Hz和220 Hz附近存在相干系數(shù)小于0.95的區(qū)域，水平Y(jié)方向的振動信號相干系數(shù)也存在相似的變化，這里不再贅述。另外從圖6，7可以發(fā)現(xiàn)，原始信號包含了很多的“干擾”，信號曲線上有很多的“毛刺”，若是直接對振動信號進(jìn)行傳統(tǒng)的傅里葉變換，無法準(zhǔn)確確定結(jié)構(gòu)的固有頻率。因此有必要對測得的信號進(jìn)行小波處理，而圖6，7中的小波2層近似信號，是對定子振動信號分解并重構(gòu)的信號后進(jìn)行FFT變換得到較為“干凈”的結(jié)果。表2是定轉(zhuǎn)子固有頻率測試結(jié)果。

圖5　定子水平X方向振動信號的相干系數(shù)Fig.5 Coherency coefficient of stator vibration signal for horizontal direction X

表2　定轉(zhuǎn)子模態(tài)測試結(jié)果Tab.2 Measured results of modal test for stator and motor

從模態(tài)測試結(jié)果來看，轉(zhuǎn)子的1階、2階固有頻率較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于振動的頻率。因此，與轉(zhuǎn)子固有頻率耦合產(chǎn)生共振的因素可以排除。定子固有頻率在水平X，Y兩個方向的結(jié)果略有差別，水平X方向?yàn)?0.31 Hz，而水平Y(jié)方向則為18.75 Hz，這與轉(zhuǎn)速為2 700 r/min附近區(qū)域存在的半速渦動頻率非常接近。由此確定共振是由于半速渦動頻率與電機(jī)定子固有頻率耦合引發(fā)的，這種耦合振動更難以發(fā)覺。這與常規(guī)的渦動頻率與轉(zhuǎn)子固有頻率重合產(chǎn)生共振不同：與轉(zhuǎn)子固有頻率重合產(chǎn)生的共振其特點(diǎn)是，渦動頻率始終等于轉(zhuǎn)動頻率的一半，當(dāng)半速渦動達(dá)到軸承自激振動的后期時，轉(zhuǎn)速大于二倍轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速之后，有可能發(fā)生油膜振蕩；與定子固有頻率重合產(chǎn)生共振不會引起油膜振蕩［6］。

4 故障處理方案及效果

通過上述的分析可看出，屏蔽電機(jī)出現(xiàn)異常振動是由于軸承間隙不均勻造成電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后開始出現(xiàn)半速渦動，且上升至2 700 r/min時，半速渦動頻率與定子機(jī)座固有頻率耦合引發(fā)共振造成的。因此，提出以下處理方案：

（1）降低半速渦動激振力幅值或消除半速渦動激振力：對軸承進(jìn)行研磨，使軸承間隙盡可能均勻，并將間隙調(diào)至設(shè)計最小間隙。

圖6　對定子水平X方向時域信號進(jìn)行去噪處理Fig.6 Denoising process for time signal for horizontal direction X

圖7　對定子水平Y(jié)方向時域信號進(jìn)行去噪處理Fig.7 De-noising process for time signal for horizontal direction Y

（2）通過改變系統(tǒng)剛度或改變結(jié)構(gòu)質(zhì)量及定子固有頻率：由于定子本體已設(shè)計、制造完成，無法再改變，最快捷、經(jīng)濟(jì)的辦法是加大試驗(yàn)時支撐定子本體的假泵殼重量，從而改變工廠試驗(yàn)時定子整體固有頻率值。因電機(jī)在工作轉(zhuǎn)速為1 800～3 000 r/min之間，故必須將定子整體固有頻率降低至15 Hz以下。

軸承研磨、間隙調(diào)整，并更換新假泵殼后，異常振動處理前后對比的結(jié)果見圖8。盡管仍然存在半速渦動，但半速渦動幅值明顯下降，都在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，且因半速渦動與定子固有頻率接近引發(fā)的共振故障明顯消失。

圖8　故障處理前后振動測量結(jié)果比較Fig.8 Comparison of vibration measured results for pre and post fault process

5 結(jié) 論

1）明確了造成半速渦動故障的成因，不僅可能是半速渦動頻率與轉(zhuǎn)子固有頻率重合，還有可能是某一轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)半速渦動頻率與定子整體振動固有頻率耦合造成的；

2）通過調(diào)整軸承間隙以降低半速渦動激振力幅值，并更換質(zhì)量更大的假泵殼來降低定子固有頻率，消除了振動超標(biāo)問題；

3）對信號進(jìn)行小波處理，可以有效地去除電機(jī)振動信號中的“污染”。

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TK733.107

肖良瑜，男，1977年1月生，高級工程師。主要研究方向?yàn)榘l(fā)電設(shè)備結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度有限元分析及發(fā)電機(jī)組的振動噪聲測試。曾發(fā)表《三峽右岸電站26#發(fā)電機(jī)定子機(jī)座變形測試與分析》（《大電機(jī)技術(shù)》，2008年第200卷第5期）等論文。

E-mail：xlyhec@sina.com

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51305155）

2014-03-26；

2014-09-05