基于故障统计的电机振动分析
2023-12-04杨柳雷波但霞石凯刘茵莱崔文青熊鑫
杨柳，雷波，但霞，石凯，刘茵莱，崔文青，熊鑫
（四川长宁天然气开发有限责任公司，四川 成都 610100）
油气管道作为国家重要的基础设施，关系到国家能源安全和社会稳定。工业泵机组是油气管道站场的关键设备，电机作为其中的动力源，电机运行状态对整个油气管路具有重要作用。电机产生振动，会使绕组绝缘和轴承寿命缩短，又容易使附件等疲劳，地脚螺丝松动或断掉。电机的故障诊断技术非常重要，它是确保电机正常、可靠运转的基础，通过开展泵组的远程监测，实现状态监测、故障诊断和故障预测，消除设备隐患和安全运行风险，指导现场预知性维修，节约大量的维修成本。
1 电机故障统计分析
根据现场关键机泵运行过程中基于振动信号的故障统计，电机出现故障数量占比达到30%以上，见图1。通过对电机故障种类进行统计分析，电机机械原因占比高达93%，其中电机轴承故障占比44%，其次分别为支撑刚度低、松动、软脚、不平衡、不对中，见图2。
图1 电机与泵故障占比
图2 电机故障种类
2 电机故障振动特征
2.1 不平衡
转子不平衡是指转子受材料质量、加工、装配以及运行中多重因素的影响，其质量中心和旋转中心之间存在一定量的偏心距，使得转子在工作时形成周期性的离心力干扰，在轴承上产生动载荷，从而引起机器振动的现象。比较常见的电机不平衡包括：转子质量不平衡、转子热态不平衡、转子部件脱落。
不平衡主要征兆与信号特征如下：
（1）一倍频振幅突出，并且占通频振幅总量的80%以上；
（2）振动以径向为主，刚性基础水平方向幅值大于垂直方向；
（3）双通道测量，水平垂直两方向，一倍频相位差90°左右。
2.2 支撑刚度低
基础松动、底座刚度不足、地脚螺栓紧力不足均会导致支撑刚度降低。
2.2.1 基础松动主要征兆与信号特征
（1）一倍频振幅突出；
（2）振动以径向为主，一般垂直方向幅值相对较大；
（3）双通道测量，水平垂直两方向，一倍频相位差0 或180°左右。
2.2.2 底座支撑刚度不足主要征兆与信号特征
（1）一倍频振幅突出；
（2）振动以径向为主，水平方向远大于垂直方向；
（3）电机底脚垂直方向振动远大于轴承座垂直方向。
2.2.3 地脚螺栓紧力不足主要征兆与信号特征
（1）一倍频振幅突出；
（2）振动以径向为主，一般水平方向大于垂直方向；
（3）电机底脚垂直方向振动幅值一般差别较大；
（4）双通道测量，水平垂直两方向，一倍频相位差0 或180°左右。
2.3 软脚
电机4 个底脚没有处于底座支撑的同一个平面，就会出现软脚；如果在这个时候收紧螺栓，就会导致电机定子变形，以及产生附加应力。
电机比较常见的软脚工况，是2 对角软脚或单一软脚。对角型软脚往往表明一个短脚，脚平但不共面；单一软脚常因弯曲或倾斜的脚而造成。底脚螺栓松开，电机底脚向上移动，一般向上位移超过0.05mm 时，表示存在软脚工况，见图3。
图3 电机软脚示意图
图4 电机驱动水平测点频谱
图5 电机驱动垂直测点频谱
软脚主要征兆与信号特征如下：
（1）一倍频振幅突出，或100Hz 幅值明显；
（2）振动以径向为主，水平方向幅值远大于垂直方向；
（3）电机底脚垂直方向振动幅值一般差别较大；
（4）双通道测量，水平垂直两方向，一倍频相位差0 或180°左右。
绝大部分电机都有100Hz（2 倍线频）分量，只要整体振动烈度在允许范围内即可。
2.4 不对中
转子与转子之间的连接对中超出正常范围。引起不对中的原因包括：初始对中超差；管道应力；基础变形；联轴器螺栓松动或膜片变形。
不对中主要征兆与信号特征如下：
（1）一倍频和2 倍频幅值明显；
（2）振动以径向为主；
现场大部分关键泵使用挠性联轴器，一般0.2mm 以下的偏差，对振动无明显影响。
3 基于振动的典型案例
轴承故障占比最高，但是轴承故障相对容易分析判断，所以本部分主要对引起一倍频的故障进行案例分析。通过对32 个电机故障案例进行筛选，选取其中软脚、支撑刚度不足、松动3 类故障。
3.1 电机振动异常案例一
3.1.1 振动情况
某离心泵机组，设备组成：电机+膜片联轴器+双吸离心泵。三相异步电机（表1）2019 年5 月29 日停机，停机前，电机振动基本在3.5mm/s 以下，5 月31 日，电机保养并更换轴承。6 月11 日，开机后电机水平方向振动最大值达到8.0mm/s，后缓慢降低至6.0~6.5mm/s 之间，电机离线测试详细参数（表2）。
表1 电机参数
表2 电机振动参数
3.1.2 振动分析
电机水平方向振动幅值远大于垂直方向；频谱中工频分量占主导。
图6 为机泵示意图，标号 1 ～4 分别为电机底脚处垂直测点，标号5 和6 分别为电机驱动、非驱动轴承座垂直方向测点。与标号对应的数值为测点振动速度值。电机底脚振动幅值大，并且不同底脚之间差异较大；底脚垂直方向振动远大于轴承座垂直方向。
图6 电机底脚测点示意图
6 月11 日15:14，现场松开联轴器单试电机，电机水平方向振动从6.0mm/s 降至3.4mm/s；17:04，进一步松开电机底脚连接螺栓，电机振动值降低至1.78mm/s，见图7。通过电机单试，排除了电机本体故障。
图7 单试电机振动变化
图8 整改前后电机振动趋势对比
3.1.3 诊断结论及措施
诊断结论：电机在保养回装后，出现了较明显的软脚情况，导致电机开机振动增大。
整改措施：现场通过增、减垫片对电机底座找平，找正。
效果：整改后开机，电机水平方向振动幅值降低至3.5mm/s，见图3-5。整改后的电机离线振动参数（表3）。
表3 电机振动参数（整改）
3.2 电机振动异常案例二
3.2.1 振动情况
从案例一整改后的振动情况看，电机水平方向振动幅值3.5mm/s 左右，针对案例一中的振动现象做进一步分析。
3.2.2 振动分析
通过细化电机底脚与底座支撑测点位置，进一步分析电机底脚振动。图9 为电机底脚与底板支撑连接示意图，标号A ～D 为垂直向测点位置。
图9 电机底脚与底板支撑连接示意图
图10 电机底脚与底板支撑连接示意图
通过表4 可以看出，电机低脚找平后，标号为1 的底脚在A ～D 测点位置振动幅值均出现降低。从振动幅值大小分布看，底座支撑振动呈现中间大，两侧小。
表4 电机底脚振动参数（前/后）
3.2.3 诊断结论及措施
诊断结论：（1）底座支撑刚度低；（2）垫片与电机底脚接触面积直接影响支撑刚度。
整改措施，如图11 所示：（1）增大垫片面积，使其余电机地脚接触面积达到80%以上；（2）在底座支撑中间位置增加纵向筋板，提高支撑刚度。
图11 电机底脚与底板支撑连接示意图
图12 电机非驱水平测点频谱
图13 电机非驱垂直测点频谱
图14 电机水平与垂直波形对比
3.3 电机振动异常案例三
3.3.1 振动情况
某离心泵机组，设备组成：电机+膜片联轴器+单级离心泵。三相异步电参数（表5）。电机振动值偏大，电机离线测试详细参数（表6）。
表5 电机参数
表6 电机振动参数
3.3.2 振动分析
电机水平方向、垂直方向振动幅值相对较大；频谱中工频分量占主导；电机驱动端水平与垂直一倍频相位差170°。
图15 为机泵示意图，标号1~4 分别为电机底脚处垂直测点/底座垂直方向测点。与标号对应的数值为测点振动速度值。电机底脚振动幅值大，并且电机底脚与底座幅值差较大，存在相对运动。
图15 电机底脚测点示意图
3.3.3 诊断结论及措施
诊断结论：电机底脚螺栓紧力不足，导致电机存在松动。
整改措施：增大底脚螺栓紧力。
效果：电机水平方向振动幅值降低至1.5mm/s 以下。
4 结语
本文通过总结现场电机振动故障，发现电机机械类故障占到电机振动异常的90%以上，并总结了不平衡、支撑刚度低、基础松动、软脚、不对中5 种电机故障振动特征。通过案例详细介绍了软脚、支撑刚度低、底座松动3 种工频振动故障分析过程，保证了设备安全运行。
