大型立式异步电动机振动分析及处理方法

匡 正

(江苏省江都水利工程管理处，江苏江都 225200)

0 引言

大型立式异步电动机相对于同步电动机有着结构简单、维护方便、价格低廉的优点，在部分大中型泵站及火力发电企业的循环水系统获得广泛应用，是应用十分广泛的交流传动机械。但是由于机组结构、电磁因素、安装质量、运行工况等多方面原因所引起的振动严重影响到它所拖动的水泵机组的工作质量和寿命，因此研究大型立式异步电动机组的振动对于水泵机组的平稳运行、安全运行有着十分重要的意义。

1 机组振动原因分析及危害分析

引起大型水泵机组发生振动的原因很多，振源也较复杂，大型立式泵机组振动的原因主要有:

1)机械原因引起的振动:因不平衡、连接不良、接触不良、内部摩擦、轴承因素及基础因素等;

2)液体原因引起的振动:因液体脉动、汽蚀、叶片数、叶片形状不同等因素;

3)电气原因引起的振动:因负荷不平衡、磁通量不平、电源高次谐波、倍频振动、转差率等因素。

这3种因素往往交叉存在，相互作用。运行中的水泵机组当振动超过其允许幅值时，其危害性表现在以下几方面:

① 使电机轴承磨损寿命降低;

② 使电机端部绑线松动相互摩擦，造成绝缘电组降低，绝缘寿命缩短严重时造成绝缘击穿;

③ 机组联轴器不能正常工作，严重时将导致机组密封系统的破坏;

④ 连接部件松弛、应力增大;

⑤ 可能危及泵机组的基础部分;

⑥ 增加泵房内附加噪音;

⑦ 振动加剧也是泵机组发生其他事故的前兆，并诱发其他事故的发生。

安装检修实践中几种较为常见的振动原因分析:

1)磁场不平衡引起振动。在水泵运行中，当电动机突然一相绕组发生短路时，即电动机各相电源磁场不平衡时，定子受到变化的磁场力的作用而振动，此时电动机虽仍在转动，但其他两相电流增大，电动机发出嗡嗡声，其振动频率为转速乘以极数，如果这种振动与定子机架固有频率相同，则会产生强烈的振动。另外，由于电源电压不稳，转子在定子内的偏心和气隙不均匀等原因都会发生由于磁场不平衡而引起的振动。

2)定、转子之间的气隙不均匀引起振动。气隙中所产生的电磁力F(N)为

式中:ε为某极下的位移(cm);δ为定、转子之间的平均间隙(cm);φ为位移与左右相邻中心线的夹角。电动机正常运行时，转子的转动轴线与定子的磁力中心轴线重合，作用在转子上的电磁力均匀对称分布。如果转子与定子间的气隙不均匀，磁极经过最小气隙时单向磁力最大，经过最大气隙时的单向磁力最小，这种电磁力频率为2倍工频，从而引起振动。

3)定子铁心组装结合处松弛。由于定子铁心组装不均匀而形成磁路中磁阻大小不一，如某大型泵站所安装的电动机，其定子铁心采用分瓣现场组装，可能出现这种情况。若接缝不好，好似沿定子铁心周围存在气隙，造成磁通不均匀，使电机振幅增大。

4)转子中心位置偏移。由于转子中心位置发生偏移，同样是电动机磁力不平衡的原因之一。设在最小气隙方向作用于转子的电磁拉力为F0(N)，其数值可按下式决定

式中:p为磁极对数，其余物理量意义如上，由于转子中心位置偏移对于凸极转子，有时成为个别部件损坏的根源。

5)电机定子铁心失圆定子的磁场中心与机械中心不一致。转子动平衡不良，由于质心偏移回转中心引起的力与力矩的不平衡量引起的振动。

2 立式大型异步电动机振动故障分析处理案例一

某大型火力发电企业循环水系统使用由YKSL2300-20/2150-1型立式异步电动机与SEZ2200-1875型大型立式混流泵配套使用，电动机上轴承由推力轴承、径向导轴承组成，下轴承为滚柱轴承，额定功率2300 kW，额定电压10 kV，额定转速295 r/min，水冷全封闭结构，定子20极，转子为双鼠笼结构。循泵机组基本结构如图1所示。该厂2号机组从安装开始就存在缺陷，机组振动较大，且甩油现象十分严重。虽经2次检修甩油问题已经解决，但机组振动问题一直没有消除。

2.1 电动机安装及质量分析

电动机安装主要包括电动机底座、电动机定子、转子及附件的安装。大型立式异步电动机的安装质量控制有几大关键因素:固定部分的垂直同心度、转动部分的高程确定、转动部件轴线的摆度、中心、间隙等。安装要求:电动机本体的水平度≤0.02 mm/m、垂直同心度≤0.02 mm/m、摆度≤0.02 mm/m、空气间隙不均匀度≤10%、导向轴瓦间隙0.10～0.15 mm。安装质量经现场实测，符合技术要求。

图1 立式轴流泵机组示意图

2.2 机组轴线“对中”

为保证机组轴线、上下导轴承中心的垂直度，2号机组电机采用“对中”安装法。以电动机下导轴承中心为固定部分垂直中心基准点，即选择电动机下导轴承中心为固定部分垂直中心基准点，同时也作转动部分定中心的基准点。调整电动机定子与电动机下导轴承窝、电动机上机架，合格后，电动机定子、下轴承支架、上机架在水平方向不再移动。电动机组装后，调整转子的摆度、水平、高程，再以电动机下导轴承中心对中、调上导瓦间隙。安装尺寸满足要求后，即为合格。对中法安装特点:固定部分垂直同心准确可靠，转动部分垂直同心与固定部分垂直同心误差较小，安装精度高，但工作量较大。

2.3 检修后振动试验

经安装检修后，试运行小组安排专门技术人员对该循环泵机组进行试运行，首先进行单台套电机试验运行，并记录了相关技术参数。

表1 2号机振动测量mm

1)电气参数:电流90 A，电压10 kV，功率2 300 kW。

2)振动检测:用手持式DZ-5振动测试分析仪对2号机组振动进行测量，结果见表1。

据产品技术要求该电机振动允许值为0.15 mm，现场检测结果电机的振动量虽在允许值范围内，但由于其他3台同样的机组在检修后，上部的水平方向振动小于0.04 mm，下部的水平方向振动小于0.02 mm。说明2号机组运行时其振动量明显大于其他同型号、同工况的机组。

3)在试运行过程中当运行中的泵机组电源突然中断，振动量也随之突然减少。

2.4 振动原因分析及振动的消除

由于机组异常振动影响安全运行，业主邀生产厂方到现场一起分析原因，共商解决问题的办法。

1)从现场检修资料看，检修程序规范、各项技术参数符合要求，检修质量没有问题。

2)从试运行情况来看，机组的振动在东西向振动偏小、南北向振动偏大，这跟电机底座强度有关，可通过加固底座来解决偏振问题。

3)据现场分析可能引起机组的振动原因有:①安装不良或其他原因引起的振动;②电磁力不平衡引起的电磁振动;③转子不平衡、轴承磨损、径向间隙过大、轴承外圈与端盖配合松、轴颈椭圆，转轴弯曲引起的机械振动。

根据检修后振动试验结果可初步排除引起2号机组振动的原因1)和2)。由于机组在试运行期间突然切断电源，振动也随之突然减少，据此可初步得出机组振动与电磁因素有很大关系。为了能够更加准确的找出故障的原因，电机生产厂方代表要求再次对电机进行检修。检修人员再次对该电机进行检修时，厂方代表全程跟踪，仔细分析每一组数据，严把质量关，排除了由于安装不良及转子不平衡、轴承磨损径向间隙过大、轴承外圈与端盖配合松、轴颈椭圆，转轴弯曲引起的机械振动的可能性。检修结束后再次进行试运行时，机组振动情况依旧。业主方再次组织人员进行分析研究，认为由电磁原因引起的机组振动可能性较大。生产厂方认为，在这种情况下，该机组可作为备用机组使用，并根据现场实际情况，决定在电机底座薄弱的地方进行加固。2007年12月份该企业邀请东南大学的振动专家对该台机组的振动情况进行详细测试和分析，发现机组下部的一倍频振动小于0.01 mm，两倍频、三倍频的振动较大在0.15 mm左右。从测试的情况来看，该机组的振动是由电磁原因引起的与检修质量无关。鉴于以上原因，在2008年3月份，业主决定继续检修该台机组，并请厂方派人过来共同商量对策，厂方提出在定子线圈上增加3根均压线，以减小电磁力不平衡的影响，其他检修工作正常进行。检修结束后再次进行试运行，振动明显减小，机组运行一切正常。

3 立式大型异步电动机振动故障分析处理案例二

另一大型火力发电企业循环水系统选用64LKXA-24.5型立式单级单吸、转子可抽出式斜流泵，出口直径1.60 m，设计扬程24.5 m，该泵配用YKKL1800-12/1703-1型1 800 kW立式异步电机，转速495 r/min。循泵基本结构和图1所示大致相同。

该厂循环水泵机组自安装投运以来，因振动过大一直不能正常运行。厂方曾多次请制造厂家和原安装及检修单位技术人员等来厂针对振动问题进行专题研讨，结果均不理想。

3.1 故障现象及检修过程

该厂7号循泵机组因振动严重超标无法继续运行，测得相关数据如表2所示:

表2 7号机振动测量mm

该电机底座水平振动值达0.06～0.08 mm，垂直振动动达0.05～0.06 mm;电机顶部水平振动最大达0.25 mm，垂直振动达0.08 mm，运行时可见油水管路有明显抖动现象，其它3台振动也偏大，且有增大的趋势。

机组解体后，发现水泵的三道轴颈磨损严重，水泵下导轴颈最大磨损量达5 mm，橡胶轴承也有相应的磨损，电机结构基本正常。机组检修时，同心、摆度等技术参数的误差都很大，通过常规的检修手段，根据规范要求，调整了相应的技术参数。检修后，电机进行了单独试运行，即电机和水泵联轴器脱开启动电机，效果良好，机组底座部振动在0.012 mm左右，机组顶部振动最大值为0.05 mm，符合规范要求。连接电机与水泵联轴器后，运行时电机顶部最大振动为0.15 mm，虽然振动值下降了近0.10 mm，但仍不符合标准要求。为确保发电机冷却水系统的正常运行，不得不采用在电机顶部的风扇上加平衡块的方式减小机组振动。增加平衡块后，机组最大振动降为0.08 mm，但这并不是解决振动的根本方法。机组运行了约5个月，机组振动又逐渐增大到检修前的状态。

因该机组的特殊性和厂方的信任，2006年元月，对7号循泵机组进行了第二次检修。根据以往检修类似机组的经验，检修方法不会存在问题。通过对该机组检修前后情况的分析以及与其它机组的比较，基本排除了水流等其它因素产生振动的可能。再从整体上分析该机组与以往检修过的机组，总体结构基本一样，仅仅是电机的冷却方式不同:即以前检修过的机组电机定子是“水-空”(以下简称“水冷”)冷却方式，现在电机定子冷却方式为强迫风冷。冷却风扇装于电机轴顶部，电机转动时带动风扇转动，经风道至电机定子冷却器。通过对冷却装置的分析，认为机组的振动极有可能是风冷装置引起的。经研究，基本确定了拆除电机顶部的冷却风扇，试运行机组的方案。因当时正处于冬季，室温较低，短时间无风冷运行对电机基本没有损害，厂方也同意了此方案。

利用以往检修方案，机组检修后，电机顶部的冷却风扇未安装，直接进行了整机试运行。试运行效果很好，电机底座部位振动最大仅0.015 mm，电机顶部振动最大值为0.06 mm。

3.2 振动原因分析

对于故障机组的检修，从检修工艺上可以说是格外细心谨慎，不存在连接不良、接触不良、基础或内部摩擦等安装方面的因素。从两次检修解体的结果看，该机组电机的轴承磨损情况均较好，无异常现象。因此，该机组振动是转动部分原因造成的，转动部分引起振动的部件主要有叶轮头、电机转子和电机定子的冷却风扇。叶轮头和电机转子出厂时对平衡要求很高，叶轮头在检修时重新做了平衡试验，符合规范要求。电机转子通过单电机试转时也可以证明平衡是符合要求的。但，因为电机冷却风扇是电机的辅助部件，极易被忽视。

1)检修过程中检查发现，该机组的冷却风扇为焊接件，不是铸造件。制作过程中，极有可能造成整个风扇形状和重量等存在不均匀现象。虽然通过静平衡试验并处理使静平衡符合要求，但动平衡很难保证。如果风扇形状不均匀，会形成风力不平衡现象。

2)单电机试转时振动很小，似乎可以排除风扇的影响，但从机组整体分析，风扇的影响就显而易见了:从机组的结构上看，转动部分是通过电机上导、电机下导以及水泵的三道橡胶轴承限位的(图2)，电机下导为径向滚柱轴承，属无间隙轴承;电机上导、水泵上、中、下导轴承的间隙分别为:0.20，0.60，0.70，0.80 mm(双边间隙)。由图2可知，如果风扇有不平衡现象，即产生一个不平衡位移，运行时整个转动部分就会形成以电机下导为支点的回旋摆动(图3)。因支点到风扇的距离比到水泵下导轴承的距离小得多，因此，在风扇上一个很小的不平衡位移，反映到水导轴承上位移就很大。当机组检修后，因水泵导轴承的限制，开始振动较小(因不平衡位移的影响，振动仍较正常机组大得多)，但因该不平衡位移的存在，大大加剧了轴颈和轴承的磨损。当水导轴承间隙因磨损增大到一定程度，极易出现叶轮碰壳现象，叶轮碰壳后，巨大的冲击力通过水泵固定部分反映到电机上就形成明显的振动，该现象越向电机顶部越明显。

3)单电机试转时，因电机轴短，无其它因素影响，此现象不明显。因此，风扇因素引起的机组振动不是由风扇本身反映出来的，而是通过对水泵的影响，造成水泵运行状况恶化，再反映到电机上造成机组振动加剧，抖动明显的现象。从检修后的机组振动随时间变化的情况看，也符合这一规律。

3.3 循泵机组的改造措施

该机组的改造方案有两种:1)拆除电机原冷却风扇，改造风机的风道，在电机冷却器上方增加两台轴流风机，电机启动时同时启动冷却风机，达到电机定子冷却的目的;2)将风冷装置改为水冷装置。第一种方案需要增加两台风机和相应风机启动的控制及保护回路，而且冷却风机运行时对主机组也会产生一定的影响。第二种方案因水冷却器和风冷却器在密封要求上相差很大，因此需要对冷却器进行大幅度改造，但因该电机上油缸采用的是水冷方式，改水冷后，水源方便，而且水冷却器在类似机组上已有成功使用，效果良好。通过对两种方案可行性和效果比较，决定采用第二种方案。

首先，做2只尺寸和现有电机定子冷却器相同的水冷却器代替原空气冷却器。其次，改造该机组冷却水系统，将冷却水引至水冷却器进口，冷却器出水与回水管路相联。最后，做一个密封盖，以密封上油缸盖因装冷却风扇的需要而预留的圆孔，确保上油缸的密封良好。拆除原风冷装置的辅助部件，确保电机外表的整洁。

改造结束后，机组一直正常运行，机组振动仍维持在试运行时的数值，检修取得了预期的效果。

4 立式大型异步电动机振动故障分析处理案例三

某厂1台高压立式异步电动机振动较大，多次进行中心找正等检修，但未能消除振动，吊开电动机后，发现基础台板由两块钢板拼接而成，一侧钢板稍高，另一侧较低，拼接焊缝又未打磨平，且恰好处在电动机一侧脚板下，电动机虽经找正，但实际上有许多地方形成了点接触面，电动机中心与机械中心已找正只不过是一假象，电动机一运行必将不可避免产生振动。采取用气焊割开拼接处，重新焊接并打磨平整，电动机再次重新找正后，试转振动反而加大，经分析并查找原因后，发现钢板经气割，又经电焊，造成一定的热变形损伤，强度已严重下降，电动机转动后与钢板形成共振，所以振动反而加大，重新做新的基础台面后，才得以消除。

5 结语

1)引起大型立式机组振动的因素很多，因电机和水泵是由不同生产厂家生产，无论是水泵单试还是电机单试，都反映不出此类问题，或者电机单试时效果很好，极易造成电机部分是没有问题的假象，因此该现象在设备生产至出厂的过程中都不易被发现。

2)在进行机组安装检修时一定要注意安装和检修的质量，发现问题要按照一定的程序逐一排查，直到找出问题症结所在。经过多次和水泵及电机生产厂家的技术人员进行接触，了解了该产品在其它单位使用的情况，也有许多厂家因无法根本解决机组振动而不得不采用增加平衡块维持机组运行的措施，造成机组检修周期短，维护费用高的局面。

3)对于一些特殊故障，用常规的方法不能解决时，要大胆分析判断可能产生故障的其他原因。这样能快速解决生产实际，减小损失。

［1］江都水利工程管理处.江都排灌站［M］.北京:水利电力出版社，1979.

［2］赵家礼.电动机修理手册［M］.1988.

［3］中华人民共和国水利部标准.泵站技术规范:安装分册［S］.1987.

［4］湘潭电机厂.YL三相立式异步电动机使用说明书.1996.

［5］长沙水泵厂.64LKXA-24.5型泵安装使用说明书.2005.