旋转设备结构刚度减弱的诊断及振动相位周期变化的分析

师忠玉

（山西大唐国际运城发电有限责任公司，山西 运城 044602）

1 设备简介

某火电厂输煤皮带驱动设备由电动机、液力耦合器和减速机组成。电动机型号 YKK400-4，额定电压 6 kV，额定功率 315 kW，转速1498 r/min。液力耦合器型号 YOXⅡz-600，液压推动器推力 2000 N，推动器行程 60 mm，广东中兴液力传动有限公司生产。减速机为SEW传动设备天津有限公司生产的M3RSF80减速机，传动比为1：32.7407。

电动机安装在约1.2 m高的钢结构支座上，钢结构材质为Q235。

2 设备异常的发现及振动测试分析过程

2.1 设备异常的发现及检查

在点检、巡检设备时发现电机振动大，水平振动为0.39 mm，垂直振动为0.42 mm，轴向振动为0.16 mm。对电机轴承检查无异常，电机直流电阻、绝缘、耐压试验均合格，对轮中心复查无异常，振动大的问题依然存在。

2.2 振动测试

振动测试采用美国NI振动数据采集系统和上海SK振动数据处理软件，振动传感器采用国产速度传感器。振动测点安装在电机自由端、电机驱动端、减速机输入端的轴承处，每处分别安装了水平、垂直和轴向3个测点，振动最大时刻的测试数据如表1所示,电机垂直方向通频振幅、一倍频幅值、一倍频相位随时间变化的趋势如图1所示。

表1 振动最大时刻振动数据列表

图1 电机垂直方向通频振幅、一倍频幅值、一倍频相位趋势图

2.3 其他测试

红外成像检测，电机温度最高点在驱动端轴承壳体处，温度为60℃。减速机温度最高处在第一级齿轮轴承壳体处，温度为60℃。温度均在正常范围内。

运行期间电机电流无变化，且振动二倍频分量较小，初步排除电机电气方面故障原因，应为机械方面的原因。

2.4 振动特征分析及问题的处理

振动特征：振动以一倍频为主；电机驱动端水平振动最大，振幅在6～18 mm/s之间变化；振动幅值周期波动，振动相位发生 360°周期性变化；电机自由端、电机驱动端、减速机输入端振动规律相同。

根据振动特征，不符合滚动轴承的特征频率[1]，可以排除电机轴承方面的原因，也无齿轮的啮合频率，可初步排除减速机齿轮的问题，不对中的特征也不明显，上述的分析也在之前的检查中得到了确认。

旋转设备振动大与两个因素有关，一是激振力大，二是动刚度低，降低振动的所有方法，都是从以上两个大的方面着手，要么降低激振力，要么提高动刚度。

本案例振动故障中，从降低激振力方面分析，引起振动相位周期的变化是必须首先要查明的原因。对于汽轮机振动，相位的周期变化是旋转性不平衡力造成的，而引起旋转不平衡的原因是转子与静止部位的摩擦使转子产生一定量的热弯曲，而且弯曲的方向是周期变化的。该原因在本案例的故障中基本可以排除，因为电机的轴承为滚动轴承，已经检查确认轴承工作正常，那么动静基本没有接触的可能性。

对于组合体的刚度，与3个因素有关[2]：一是各个零部件之间的连接刚度，二是零部件的结构刚度，三是结构的共振程度。如果排除了共振因素，可以说，刚度不足要么是结构刚度不足，要么是连接刚度不足，甚至是两者均有之 (这种情况较少)。目前，判断连接刚度不足的方法比较成熟，进行轴承外振动特性测试，即采用差别振动的方法基本可以诊断连接刚度是否正常[3]；但是判断结构刚度不足的方法，主要有偏心轮激振测试和加重试验两种方法，这两种方法在现场均不方便实施。

本案例中，每次振动幅值最大时，一倍频相位也位于较大值，依据此规律，采用了20 g的试加重量加至液力耦合器外沿螺栓上，在电机水平方向激起了30～50 μm的振动变化量，对此现象的解释，一是轴系短、质量轻，加重反应灵敏；二是电机结构刚度低。对于相位周期变化，不能采用测相平衡法实施动平衡，从现场试验来看，影响系数不但幅值变化大而且角度也很分散，实施动平衡比较困难。

通过加重反应，也说明了动刚度应作为一个检查方向进行排查；进一步通过升降速试验和运行中的振动测试，不符合结构共振的特征；通过垂直差别振动的测试，也排除了连接刚度不足的原因。为了确认是否是钢结构支座的结构刚度不足，进行了不同高度水平振动的测试，测试结果如表2所示。

表2 电机钢结构支座水平方向振动幅值 mm/s

电机支座高度不同，差别振动较大，决定对结构刚度进行排查，采用支撑加固试验的方法，采用千斤顶对电机钢结构支座临时加支撑，振动明显降低。

最终对电机钢结构支座进行焊接支撑，加2个水平和2个垂直共4个支撑槽钢，设备运行后，电机驱动端水平振动降至0.02～0.08 mm，电机非驱动端水平振动降至0.02～0.06 mm，振动达到良好水平。

通过该问题的解决，对于输煤系统同类型多台电动机振动较大的问题，也采用同样的方法分析处理，均使振动降至合格范围之内。

2.5 诊断结构刚度

通过此类问题的振动分析，找到了一种检测结构刚度不足的新方法。对于安装在较高钢结构支座上的旋转设备，振动频率为一倍频，初步排除激振力大、连接刚度不足、共振的因素，可采用此方法检测判断结构刚度的强弱。将此方法暂命名为水平差别振动测试，其规律是，旋转设备支座高度不同，水平方向就存在差别振动，高度差别越大，水平方向差别振动就越大，据此特征可初步判断为旋转设备钢结构支座刚度不足的原因，进而解决振动大的问题，此方法简单实用。

2.6 振动相位周期变化

引起振动周期性不稳定变化的原因，是轴系上存在一个随时间旋转变化的不平衡量，当旋转性不平衡与转子原始不平衡方向一致时，表现为振动最大；相反，当旋转性不平衡与转子原始不平衡方向相反时，表现为振动最小，同时振动相位也呈周期性的变化。

汽轮机发生此振动是旋转热不平衡造成的。但对于本案例，是不可能发生旋转热不平衡的，最大的疑点是液力耦合器的原因，因为液力耦合器工作油是旋转的。为了排查是否是液力耦合器造成的，对另外多台同类型的输煤皮带电动机进行了振动测试，多台同类型的电动机通频振动幅值、一倍频幅值、一倍频相位随时间变化的趋势规律均一致，与图1类似。

对比多台同样结构的电机振动具有相同的特征，只是振幅大小的差异，相位均发生360°的周期变化，分析造成这一现象的原因是液力耦合器的工作方式造成的，这是液力耦合器本身的工作特性决定的，是液力耦合器工作油周期性旋转造成的旋转性质量不平衡。

3 结论

输煤皮带电机振动大的原因是钢结构支座刚度不足造成的。振动相位不稳定且有规律的周期变化是液力耦合器的工作方式引起的。对于结构刚度不足的处理，现场多采用加固的方法处理，但是加固也不是一劳永逸的，随着时间的推移，结构刚度仍有降低的趋势。建议在设计及安装阶段，尽量采用钢筋混凝土基础，同时尽量降低钢结构支座的高度。