兩極感應電機周期性振動故障及抑制方法研究

張澤民，李名殷，謝 軍

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

電機在固定轉速下穩(wěn)定運行時，會出現三種時域振動故障特征(以振速為例，取RMS值)：振幅平穩(wěn)；振幅非周期性波動；振幅周期性波動。其中，振幅平穩(wěn)的情況較為多見，但故障原因較多，需要結合頻譜分析等技術提取故障特征進行診斷。振幅非周期性波動多表現為爬升，如轉子熱彎曲、轉軸裂紋等故障[1]，需結合其他特征進一步分析。振幅周期性波動特征最為明顯，可根據時域監(jiān)測波形直接獲得振幅波動周期、峰峰值等信息。引起振幅周期性波動的原因有很多，最常見的有兩種：動靜摩擦或莫頓效應導致的振幅周期性波動[2]，波動周期一般在1～2 h左右，且振動相位也會出現周期性變化；頻率相近的兩個正弦波疊加形成的拍振[3]，拍周期與兩個振動信號的頻率之差有關。

大中型兩極感應電機極對數少、轉速高，且價格低廉，深受石化、冶金行業(yè)用戶的喜愛。對于極對數較少的兩極感應電機，受徑向電磁力波影響，易出現兩倍電頻振動幅值較大的情況[4]。當感應電機中存在摩擦、零件松動、或軸承橢圓等故障時，可產生兩倍轉頻的機械振動[5]。由于兩極感應電機電頻與轉頻接近，兩種振動信號在某點相遇后會發(fā)生疊加，從而產生拍現象。拍現象在感應電機中時有發(fā)生，早在1992年，Akiyama就對感應電機拍振原理進行了研究[6]，并指出周期為2sf的拍振與動偏心有關。本文基于拍振機理研究兩極感應電機空載下拍振形成原因及解決方法，以降低振動幅值，提升電機品質。

1 拍振原理

拍振是指兩個頻率相近的正弦信號發(fā)生疊加。當兩個信號相位接近同相時，信號相加使振幅變大；當兩個信號相位接近反向時，信號相減使振幅變小。由于兩個信號頻率不同，從而使振幅呈周期性波動，如圖1所示。

圖1 拍振原理示意圖

假設兩個原始信號分別為x1=A1sinω1t和x2=A2sinω2t，疊加信號為：

(1)

其中：

(2)

(3)

根據式(1)和(2)分別可得合成運動周期和拍周期為：

(4)

(5)

2 試驗案例分析

2．1 兩極感應電機2f和2fr拍振原理

兩極感應電機定子繞組接通三相交流電源后，電樞中產生三相對稱電流，氣隙中感應出基波旋轉磁場，磁場旋轉頻率與電網頻率相同。在空間旋轉磁場的作用下，轉子繞組中感應電動勢并產生電流，該電流與氣隙磁場相互作用產生電磁轉矩。定子上某一點在電樞電流達到峰值時產生最大電磁力，如圖2所示。因此每一個電周期內電磁吸引力存在兩個峰值。當電機存在轉子偏心、底腳不平、基礎剛度不足等因素時，轉子徑向受力不均而激發(fā)振動，振動頻率為2f(兩倍電頻)。當電機存在動靜摩擦、零部件松動、軸伸彎曲、軸承橢圓等故障時，會激發(fā)頻率為2fr(兩倍轉頻)的振動。兩極感應電機轉子轉速與定子磁場轉速不同步，兩者之間存在轉差，轉差受負載影響，滿載時轉差率通常為額定轉速的1%，空載時轉差率接近于零[7]。2f和2fr頻率接近，易疊加形成拍振。

圖2 電周期內磁通量和磁拉力示意圖

根據式(2)可知，拍振幅值最小為Amin=A1-A2(假設A1>A2)，最大為Amax=A1+A2，拍振振幅波動幅度為2A2。當感應電機中2f振幅和2fr振幅接近時，拍振波形會呈現大幅度波動，峰值接近2f幅值(或2fr幅值)的兩倍。根據式(5)可得感應電機合成拍振的拍周期為：

(6)

2．2 案例分析

一臺型號為SYBPKS500-2的兩極感應電機，試驗過程發(fā)現軸向振動超標且存在周期性波動，幅值波動周期約230 s。在50 Hz電頻驅動下空載運行，用B&K TYPE 3050-B-060數采系統和PCB 356A16傳感器采集電機軸瓦附近振動加速度數據，一次積分后振速波形如圖3(a)～(c)所示。水平方向振速幅值波動較小且相對平穩(wěn)，垂直方向和軸向振幅波動呈發(fā)散趨勢。選取電機穩(wěn)定運行階段時域振動數據進行頻譜分析，結果如圖4(a)～(c)所示，1fr和2fr轉頻對應振幅較大，其中軸向2fr分量達到了1.7 mm/s。為判別振幅波動原因，對軸向振動數據做時頻分析，400 Hz以內分析結果如圖5所示，結果顯示2fr轉頻幅值波動明顯。對軸向振動數據進行高分辨率頻譜分析，局部放大如圖6所示，存在兩個峰值，99.996 Hz對應幅值1.0 mm/s，100.000 Hz對應幅值1.6 mm/s。兩個頻率接近的信號疊加形成拍振運動，導致幅值波動。將2f=100.0和2fr=99.996代入式(6)可得拍周期Tbeat=250 s，與振動監(jiān)測周期相近。

圖4 振速頻域分析(分辨率0.25 Hz)

圖5 DE端軸向振速時頻圖(分辨率0.5 Hz)

圖6 DE端軸向振速頻譜圖(局部放大圖，線譜分辨率0.002 Hz)

對故障電機采取以下措施：(1)拆除轉子和軸瓦，并校調軸承檔圓度、轉子外圓和定子內圓；(2)分解滑動軸承，發(fā)現擋油環(huán)和盤根安裝不正，軸瓦無明顯擦傷，調整擋油環(huán)和盤根后，復裝軸瓦；(3)復裝電機，并調整定轉子氣隙。修整后電機空載試運行，軸伸端時域波形如圖7(a)～(c)所示，幅值波動范圍減小且穩(wěn)定。頻譜分析如圖8(a)～(c)所示，2fr分量明顯降低，復裝后1fr分量變大，可通過動平衡降低1fr幅值。修整后時頻分析如圖9所示，波動現象仍然存在，但最大振動幅值和波動范圍明顯減小。對軸向振動數據進行高分辨率頻譜分析，結果如圖10所示，99.996 Hz和100.0 Hz對應幅值減小至0.5 mm/s和0.7 mm/s。

圖7 振速時域波形圖-修整后

圖8 振速頻譜分析-修整后(分辨率0.25 Hz)

圖9 DE端軸向振速時頻圖-修整后

圖10 DE端軸向振速頻譜圖-修整后(局部放大圖，線譜分辨率0.002Hz)

對于振幅波動范圍較小電機，應致力于降低平均振幅。圖11(a)～(c)為一臺型號為YBJC4001-2的兩極異步電機時域波形圖，時頻分析和頻譜分析結果，結合斷電試驗，判斷主要振動分量為2f。拆裝電機，校調關鍵部件，并調整定轉子氣隙后，電機振動明顯減小，時域波形、時頻分析和頻譜分析結果如圖11(d)～(f)所示。

圖11 YBJC4001-2振幅波動分析-修整后

3 結論

振幅波動在兩極感應電機中時有發(fā)生，如果幅值波動范圍較大，應首先分析是否為2f和2fr波形疊加導致。當2f和2fr分量對應幅值接近時，拍振幅變化較大，影響電機使用。對于兩極異步電機，應首先考慮調整電機裝配和底腳安裝，降低2fr分量。如果2f分量幅值較大，應同時檢查是否存在定轉子偏心。