動平衡在大型立式泵電機(jī)振動處理的應(yīng)用

劉明利，魏文斌，付江永，王新陽

（山東核電有限公司，山東 煙臺 265116）

0 引言

廠用水泵作為一種大型立式泵， 其安裝精度要求較高，一般要求保證各接觸面有較好的水平度、平整度，接觸務(wù)必密實［1］，否則在連接螺栓緊固后，容易出現(xiàn)軟腳現(xiàn)象， 造成某個方向動剛度不足引發(fā)振動較大，同時也對立式結(jié)構(gòu)的垂直度造成影響，這也是立式泵常見的振動問題。

2018 年 6 月 30 日， 某電站 2 號機(jī)廠用水泵 C首次進(jìn)行電機(jī)單體試轉(zhuǎn)運行試驗，啟動初始，電機(jī)上部振動值東西方向3.8 mm／s，南北方向2.5 mm／s；運行2 h 后，電機(jī)上部振動值東西向4.6 mm／s，南北方向2.2 mm／s。 振動測量部位如圖1 所示。

圖1 廠用水泵振動測量示意圖

2018 年7 月12 日， 在泵廠家技術(shù)人員見證下，對2 號機(jī)廠用水泵C 進(jìn)行了振動測量（聯(lián)軸），運行15 min 后，電機(jī)上部東西方向振動值為6.8 mm／s，南北方向4.2 mm／s；電機(jī)下部東西方向振動值為3.2 mm／s，南北方向 1.4 mm／s。

振動主要以上部為主，其中東西方向振動超標(biāo)。

1 振動分析及故障診斷

1.1 頻譜分析

圖2 為電機(jī)聯(lián)軸上部東西方向振動頻譜圖，圖3為電機(jī)單體上部東西方向振動頻譜圖。 由頻譜分析可知，電機(jī)單體和聯(lián)軸后，振動主要以工頻16.5 Hz頻率為主，無其他故障頻率，屬于普通強迫振動。

圖2 電機(jī)聯(lián)軸上部東西方向振動頻譜圖

圖3 電機(jī)單體上部東西方向振動頻譜圖

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，與其動剛度成反比，可用下式表示［2］：

式中：A為振幅；F為激振力；K為部件動剛度， 表示部件產(chǎn)生單位振幅（位移）所需的交變力。 其中

式中：k為部件靜剛度，表示部件產(chǎn)生單位位移（變形） 所需的靜力；β為動力放大因子；ω為激振力頻率；ζ為相對阻尼系數(shù)。ωn支撐系統(tǒng)自振頻率，其表達(dá)式為。

由上可見， 轉(zhuǎn)子對不平衡的響應(yīng)取決于兩方面的因素：不平衡激振力的大?。晦D(zhuǎn)子系統(tǒng)動態(tài)特性，包括剛度、阻尼、固有頻率。

1.2 固有頻率分析

圖4 為電機(jī)聯(lián)軸時上部東西方向固有頻率圖，一階固有頻率為15.5 Hz，與聯(lián)軸運行時的工頻16.5 Hz 非常接近；圖5 為電機(jī)單體時上部東西方向固有頻率圖，一階固有頻率為15 Hz，與聯(lián)軸運行時的工頻16.5 Hz 同樣接近。

圖4 電機(jī)聯(lián)軸上部東西方向固有頻率

圖5 電機(jī)單體上部東西方向固有頻率

1.3 振動故障綜合分析

通過對固有頻率的測量， 可知連軸時電機(jī)固有頻率15.5 Hz 與工頻16.5 Hz 非常接近， 空載時固有頻率15 Hz 與工頻16.5 Hz 非常接近，因此造成東西方向振動較大的原因在于東西方向發(fā)生結(jié)構(gòu)共振。解決結(jié)構(gòu)共振問題，可以通過調(diào)整連接剛度。增加剛度工作量較大， 減弱剛度將導(dǎo)致連接力矩?zé)o法達(dá)到技術(shù)規(guī)格書要求。因此考慮對電機(jī)進(jìn)行動平衡處理，通過降低激振力以降低振動。

2 動平衡原理

如圖6 所示，假設(shè)有一轉(zhuǎn)子，在校正面Ι、Ⅱ上分別有不平衡量U1及U2，在傳感器方向上兩測量位置A、B 處對于不平衡量U1和U2的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為XA和XB，并且可以表示成［3］：

圖6 動平衡模型

式中：aij（i，j=1，2）為影響系數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)子與軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、尺寸和轉(zhuǎn)速確定以后，aij為常數(shù)。a11和a21是校正面Ι 上單位不平衡量在測量位置A、B 處引起的振動響應(yīng)，a12和a22是校正面Ⅱ上單位不平衡量在測量位置A、B 處引起的振動響應(yīng)。

2.1 單平面動平衡計算

當(dāng)不平衡量集中在一個面上時， 對轉(zhuǎn)子只需進(jìn)行單面平衡［4］。

令U1=U，U2=0，則式（4）和（5）簡化為：

如果已知XA和 a1或XB和a2就可以求出U。

求解步驟：設(shè)轉(zhuǎn)子的初始不平衡力為U0，在相應(yīng)軸承處的影響系數(shù)為a1， 工作轉(zhuǎn)速ω下測出軸承A處的響應(yīng)為XA0。在校正面加配已知的試驗平衡量U1（U1=加重質(zhì)量×加重半徑）后，工作轉(zhuǎn)速ω下測出此時軸承 A 處的響應(yīng)為XA1。 由式（6）得：

將 a1代入（8）：

從而根據(jù)求得的校正量U0對轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡，達(dá)到轉(zhuǎn)子平衡的目的。

2.2 雙平面動平衡計算

當(dāng)轉(zhuǎn)子在兩個校正面I、Ⅱ上有不平衡量分別為U01及U02， 且不同角位置， 需對轉(zhuǎn)子進(jìn)行雙平面平衡。 工作轉(zhuǎn)速ω下測得A、B 兩軸承處的振動響應(yīng)分別為XA0、XB0，則由式（4）和（5）有：

在校正面I 上的已知角位置上加試驗配重U1，在工作轉(zhuǎn)速下測得A、B兩軸承處的振動響應(yīng)XA01和XB01，則有：

取下U1， 然后校正平面Ⅱ的已知角位置上加試驗配重U2，在工作轉(zhuǎn)速下測得A、B 兩軸承處的振動響應(yīng)為XA02和XB02，則有：

根據(jù)式（11）-（16），可以求出U1在兩個軸承處引起的振動響應(yīng)XA1和XB1，U2在兩個軸承處引起的振動響應(yīng)XA2和XB2，即：

由以上可得影響系數(shù)為：

式（11）和（12）消去U02：

同理可求得：

所以，最終配置在校正面I、Ⅱ的校正量，分別與U01、U02大小相等、方向相反。

3 廠用水泵動平衡過程

3.1 對電機(jī)單體進(jìn)行動平衡

1）2018 年 7 月 29 日，電機(jī)單體振動測量，電機(jī)東西方向振動4.0 mm／s，南北方向2.1 mm／s。據(jù)據(jù)該數(shù)據(jù)，進(jìn)行試配重，在電機(jī)上端風(fēng)扇動平衡槽加重，試重為 160 g∠170°。

2）2018 年 9 月 11 日，電機(jī)單體振動測量，電機(jī)東西方向振動 5.27 mm／s，南北方向 4.2 mm／s。 根據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行計算動平衡影響系數(shù)， 之后進(jìn)行加重180 g∠50°。

3）2018 年 9 月 12 日，電機(jī)單體振動測量，電機(jī)東西方向振動2.2 mm／s，南北方向1.0 mm／s，振動值低于標(biāo)準(zhǔn)2.3 mm／s，振動合格，電機(jī)單體動平衡工作結(jié)束。

電機(jī)單體動平衡過程振動值測量如表1 所示。

表1 電機(jī)單體動平衡過程中振動值 單位：mm／s

電機(jī)單體空載動平衡的最終加重方案為圖7所示。

圖7 電機(jī)空載最終加重方案

3.2 對電機(jī)聯(lián)軸后進(jìn)行動平衡

1）2018 年 9 月 13 日 05∶50， 對電機(jī)聯(lián)軸后振動測量，電機(jī)東西方向振動7.06 mm／s，南北方向1.41 mm／s，高于振動報警值 4.5 mm／s。 考慮聯(lián)泵后系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變，決定進(jìn)行聯(lián)泵后動平衡消振，去除空載時動平衡塊，加試重為242g∠110°。

2）2018 年 9 月 15 日 05∶00， 電機(jī)聯(lián)軸后振動測量，電機(jī)東西方向振動4.98 mm／s，南北方向3.48 mm／s。 根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算動平衡影響系數(shù)，在不去除原有平衡塊的基礎(chǔ)上，進(jìn)行加重110 g∠8°。 經(jīng)過精確軸系平衡計算， 等效為同時加重85 g∠350°和39 g∠50°。

3）2018 年 9 月 15 日 21∶00-22∶00， 電機(jī)聯(lián)軸后振動測量，電機(jī)東西方向振動1.91 mm／s，南北方向0.48 mm／s，振動值低于標(biāo)準(zhǔn) 4.5 mm／s，振動合格，聯(lián)泵后動平衡工作結(jié)束。

電機(jī)帶載動平衡過程振動值測量如表2 所示。

表2 電機(jī)帶載動平衡過程中的振動值 單位：mm／s

電機(jī)帶載后動平衡的最終加重方案為圖8 所示。

圖8 電機(jī)聯(lián)軸后的最終加重方案

3 結(jié)論

1）電機(jī)振動主要以1 倍頻為主，無其他故障頻率，屬于普通強迫振動時，采用動平衡、配重的方法，可以較少質(zhì)量不平衡，降低激振力，使振動降低。

2）電機(jī)單體動平衡振動合格后，可以將平衡塊進(jìn)行保存并將安裝角度進(jìn)行標(biāo)記和記錄， 以利于今后電機(jī)單體振動試驗或者品質(zhì)再鑒定等相關(guān)工作。

3）電機(jī)帶泵后動平衡所加動平衡塊與電機(jī)空載動平衡所加動平衡塊位置與質(zhì)量不同，因此，可能導(dǎo)致電機(jī)帶載后振動合格， 電機(jī)空載后振動卻超標(biāo)的問題。對于該問題建議在電機(jī)帶載合格后，將電機(jī)與泵脫開，測量電機(jī)空載時振動值，將此時的振動值作為電機(jī)空載驗收依據(jù)。