兩極高壓感應(yīng)電機(jī)振動(dòng)問(wèn)題分析及處理

1、兩極高壓感應(yīng)電機(jī)振動(dòng)問(wèn)題分析及處理崔龍妹上海交通大學(xué)自動(dòng)化系摘要：高壓電機(jī)生產(chǎn)和運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到振動(dòng)超標(biāo)的問(wèn)題，尤其是對(duì)于兩極電 機(jī)。振動(dòng)問(wèn)題，會(huì)對(duì)電機(jī)的軸承、絕緣、機(jī)械部件等造成損害，影響電機(jī)性能和 使用壽命，給電機(jī)運(yùn)行的可靠性和持續(xù)性造成威脅。引起電機(jī)振動(dòng)的原因比較復(fù) 雜，有機(jī)械方而、電氣方而和棊礎(chǔ)狀況等因素，需要在故障檢修時(shí)通過(guò)一些測(cè)試 手段找出振動(dòng)原因，并且針對(duì)不同原因采取不同的處理辦法，從而及時(shí)有效的 解決振動(dòng)問(wèn)題。常用的振動(dòng)測(cè)試手段是將振動(dòng)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析， 再結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，找出可能的振源。后續(xù)通過(guò)對(duì)振源或者電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，來(lái)解決 振動(dòng)問(wèn)題。關(guān)鍵詞：振動(dòng);高壓電機(jī);

2、頻譜;作者簡(jiǎn)介：崔龍妹(1988-),河北人，女，工程碩士在讀，研究方向?yàn)榭刂评?論與控制工程，目前在abb高壓電機(jī)有限公司做產(chǎn)品技術(shù)支持工作。0引言電機(jī)是電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的統(tǒng)稱，就感應(yīng)電機(jī)而言，絕大部分作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。所 以電機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題，大多數(shù)是電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題。高壓感應(yīng)電機(jī)原理簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，在各行各業(yè)有廣泛應(yīng)用。感應(yīng)電機(jī)作為一種 旋轉(zhuǎn)設(shè)備，在運(yùn)行屮發(fā)生振動(dòng)，只要在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，是可以接受的。但是 超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)允許值，則可能產(chǎn)生嚴(yán)重危害。電機(jī)振動(dòng)問(wèn)題，是高速感應(yīng)電機(jī)常出現(xiàn) 的一個(gè)問(wèn)題，尤其是對(duì)于兩極電機(jī)。電機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題，給電機(jī)運(yùn)行的可靠性和持 續(xù)性造成很大威脅，長(zhǎng)期網(wǎng)擾著電機(jī)廠商和用戶。電

3、機(jī)振動(dòng)問(wèn)題的危害，主要總結(jié)為以下幾個(gè)方面1-3:(1) 損壞電機(jī)軸承:振動(dòng)過(guò)大時(shí)，振動(dòng)直接傳遞給軸承，造成軸承異常的磨損， 降低使用壽命；(2) 損壞電機(jī)絕緣:振動(dòng)過(guò)大，會(huì)造成定子端部松動(dòng)，絕緣間隙變化，絕緣電阻 降低，甚至造成絕緣摩擦、破損、擊穿等；(3) 損壞機(jī)械部件:振動(dòng)過(guò)大，會(huì)影響處在振動(dòng)中的各個(gè)部件。比如一些緊固螺 栓可能松脫，焊接點(diǎn)可能被震裂，零部件的磨損增加等；(4) 降低電機(jī)效率：電磁原因造成的振動(dòng)問(wèn)題，會(huì)造成電機(jī)異常發(fā)熱，浪費(fèi)能量, 降低效率；(5) 損壞負(fù)載設(shè)備:振動(dòng)往往會(huì)傳輸?shù)奖浑姍C(jī)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載設(shè)備，影響負(fù)載設(shè)備的 正常運(yùn)行；(6) 增加噪音:過(guò)大的振動(dòng)，還會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的噪音

4、，影響工作人員的操作環(huán)境， 以及現(xiàn)場(chǎng)某些設(shè)備的正常運(yùn)行。1電機(jī)振動(dòng)原根據(jù)振動(dòng)理論，如果維持振動(dòng)的能量是由外界激振力提供的，這種振動(dòng)稱為強(qiáng) 迫振動(dòng)。如果維持振動(dòng)的能量是由系統(tǒng)自身運(yùn)動(dòng)提供的，這種振動(dòng)稱為自激振 動(dòng)。電機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題主要是強(qiáng)迫振動(dòng)造成的。另外，電機(jī)設(shè)計(jì)中，徑向?yàn)榧ふ窳?的主要方向，軸向一般情況下振動(dòng)值不會(huì)超過(guò)徑向。如果軸向發(fā)生振動(dòng)超標(biāo)，通 常會(huì)涉及到部件振動(dòng)或者部件故障。引起電機(jī)振動(dòng)問(wèn)題的原因很多，總體來(lái)說(shuō)分為機(jī)械振動(dòng)和電磁振動(dòng)。就目前abb 設(shè)計(jì)范圍的高壓電機(jī)而言，主要考慮由轉(zhuǎn)子不平衡引起的機(jī)械振動(dòng)和由電磁力 引起的電磁振動(dòng)。1.1轉(zhuǎn)子不平衡u1轉(zhuǎn)子不平衡是由轉(zhuǎn)動(dòng)部件質(zhì)量偏心或出現(xiàn)

5、缺損造成，如轉(zhuǎn)子、風(fēng)扇等加工制造上 的公差、組裝安裝不當(dāng)、轉(zhuǎn)動(dòng)件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的變形等。轉(zhuǎn)子不平衡激振力是轉(zhuǎn)速的函數(shù)，因此頻譜中以穩(wěn)定的基頻分量(ix)為主， 其它倍頻幅值很小。在振動(dòng)測(cè)試分析中，可以通過(guò)斷電降速實(shí)驗(yàn)得到不平衡響應(yīng) 頻譜、軸心軌跡等來(lái)判斷。對(duì)于轉(zhuǎn)子不平衡造成的振動(dòng)問(wèn)題，可以利用平衡校驗(yàn)方法進(jìn)行處理，加平衡塊 或減平衡塊來(lái)解決。有時(shí)加減平衡塊無(wú)法解決的，可能需要對(duì)轉(zhuǎn)子部件重新加工， 使其動(dòng)平衡達(dá)到要求。1.2電磁力電磁振動(dòng)是兩極電機(jī)2倍頻(2x)振動(dòng)的主要原因。兩極電機(jī)的磁場(chǎng)在氣隙中分 布不均勻，棊波磁密的作用力以正弦波規(guī)律在閱周上分布，頻率為供電電源的 兩倍?；ù琶茈S著電動(dòng)勢(shì)增加而增

6、加，所以對(duì)于同一臺(tái)電機(jī)來(lái)說(shuō)，電磁振動(dòng)的 振幅會(huì)隨著電源電壓的增大而逐漸增大。感應(yīng)電機(jī)不可避免會(huì)受到電磁力激勵(lì)，理論上激勵(lì)的方向只沿著電機(jī)的徑向。頻 譜中以2倍頻（2x）為主，其它倍頻幅值很小。在振動(dòng)測(cè)試分析中，可以通過(guò)降 壓實(shí)驗(yàn)來(lái)正向判定或者通過(guò)斷電降速實(shí)驗(yàn)排除法判定。1.3共振共振是指機(jī)械系統(tǒng)所受激勵(lì)的頻率與該系統(tǒng)的某階閥有頻率相接近時(shí)，系統(tǒng)振 幅顯著增大的現(xiàn)象。各種電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)都有與共振問(wèn)題相關(guān)的規(guī)定。共振已在電機(jī)設(shè) 計(jì)時(shí)避開或者即使無(wú)法避開也滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。有時(shí)候如果不平衡激振力或者電磁 激勵(lì)很小，但是仍產(chǎn)生了大的振動(dòng)，很可能是因?yàn)楣舱?，才?huì)在小激勵(lì)下也產(chǎn) 生很大的振幅。共振問(wèn)題分析的步驟是找

7、出激振頻率和共振部件，對(duì)應(yīng)的解決方法是降低激振 力和改變共振部件的頻率，分析時(shí)可以借助ansys軟件分析結(jié)果或者模態(tài)測(cè)試 結(jié)果確定共振的部件。2案例分析及處理2.1振動(dòng)分析常用方法振動(dòng)傳感器采集到的信號(hào)，通過(guò)振動(dòng)軟件分析，可以獲得信號(hào)的頻譜閣和波德 圖。頻譜反映了復(fù)雜信號(hào)所含頻率分量，即振動(dòng)信號(hào)的頻域特性。不同故障具有 不同的頻率特征，因此頻譜分析已經(jīng)成為故障診斷的基木工具，在故障診斷中 得到廣泛應(yīng)用。將振動(dòng)幅值和相位隨轉(zhuǎn)速的變化情況以圖形的方式表達(dá)出來(lái)，即 可得到波德圖，又稱相頻圖。波德圖可以用來(lái)判定系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速。頻譜閣和波德閣是目前常用的振動(dòng)分析方法。2.2案例案例1轉(zhuǎn)子不平衡產(chǎn)生的振動(dòng)

8、超標(biāo)abb modular machine amt450l260hz with standard vibration (grade a)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)在美國(guó)，根據(jù)nema mg h2003標(biāo)準(zhǔn)屮關(guān)于電機(jī)振動(dòng)的規(guī)定，grade a 振動(dòng)級(jí)別對(duì)應(yīng)的振動(dòng)限值（電機(jī)中心高450）為速度值0. 12in/s 0-pk。項(xiàng)目有6臺(tái)電機(jī)，分別有不同程度的振動(dòng)超標(biāo)。以下為客戶現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的其中一臺(tái) 超標(biāo)最嚴(yán)重的電機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)（表1）。下載原表表 1 3600rpm, loaded, in/s 0-pk, standard:0. 12in/s 0-pkmotorplacedescriptiondehorveraxlno.5

9、siteloaded0.1540.1480.142電機(jī)返回工廠后，在維修前重新進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表2。表 2 3600rpm, loaded, in/s 0-pk, standard:0. 12in/s 0-pk下載原表motorplacedescriptiondehorveraxino.5fact or vjno load0.18170.065980.144通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，在驅(qū)動(dòng)端dh和非驅(qū)動(dòng)端ndh數(shù)據(jù)中，存在一個(gè) 較大的ix分量（圖1）。表明轉(zhuǎn)子不平衡非常嚴(yán)重。根據(jù)分析結(jié)果，需要重新對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡處理。工廠現(xiàn)冇的動(dòng)平衡機(jī)比較簡(jiǎn)單 粗糙，精度不夠。在新的動(dòng)平衡機(jī)上重新進(jìn)行

10、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡，在額定轉(zhuǎn)速不進(jìn)行了 空載和100%負(fù)載的高速動(dòng)平衡試驗(yàn)，確保轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡有效。再次振動(dòng)試驗(yàn)，滿足nema grade a要求。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。下載原表表 3 3600rpm, no load, in/s 0-pk, standard:0. 12in/s 0-pkmotorplacedescriptiondehorveraxlno.5factoryjno load0.0730.0320.045案例2電磁力和共振產(chǎn)生的振動(dòng)超標(biāo)abb modular machine ami450l260hz with standard vibration (grade a)工程師對(duì)安裝在客戶現(xiàn)場(chǎng)工作臺(tái)

11、的電機(jī)進(jìn)行y模態(tài)測(cè)試，通過(guò)錘擊試驗(yàn)來(lái)分析 響應(yīng)。試驗(yàn)在電機(jī)斷電停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行。模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果如圖2。供解姆pchiii«lh2x 3xdh 0,1817 in/sec (4,6mm/s)ixrdmitomkwa wqmvs mmi 一mi« tm嚅鶫 tuizsambm7tq hr1jm4閣2錘擊試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果下載原閣從圖2可以看出，轉(zhuǎn)子在靜止?fàn)顟B(tài)下，有一個(gè)接近120hz的共振區(qū)。模態(tài)分析軟 件結(jié)果為120. 7hz。這表明兩倍頻的電磁激勵(lì)（2x）引起的振動(dòng)被共振條件放 大。120. 7hz的模態(tài)形狀主要包括水平和垂直振動(dòng)，推測(cè)電機(jī)所在的工作臺(tái)剛度 不夠。對(duì)工作臺(tái)的剛度進(jìn)行

12、測(cè)試，在每個(gè)電機(jī)地腳附近選擇6點(diǎn)測(cè)試，共24個(gè)被測(cè)點(diǎn)。 選擇高質(zhì)量的采樣進(jìn)行分析，以排除周圍噪音的干擾。最后測(cè)得工作臺(tái)的動(dòng)態(tài)剛 度如圖3所示。很明顯工作臺(tái)的剛度隨頻率變化，在120hz左右的平均剛度人約為0.6gn/m，在 其他頻率段剛度平均值約為0. 2gn/m。在柔性棊礎(chǔ)下，電機(jī)的自然頻率和模態(tài)， 與在剛性基礎(chǔ)下有很大區(qū)別。abb的電機(jī)，尤其是高速電機(jī)，對(duì)于基礎(chǔ)選擇有嚴(yán) 格要求，也有明確的說(shuō)明，節(jié)選部分如下：1 ? 1 1 7. t *rsimmnnim vmkmwc賦t 1. *<«*圖3安裝有電機(jī)的工作臺(tái)動(dòng)態(tài)剛度測(cè)試結(jié)果下載原圖“基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和安裝對(duì)高速電機(jī)尤為重耍。大型

13、電機(jī)通常設(shè)計(jì)為剛性安裝于剛度 大、質(zhì)量大的基礎(chǔ)上?！?(“the design and execution of the foundation is especially important for high speed motors. large electric motors are typical 1y designed to be rigidly mounted on a massive, stiff foundation. )abb的高壓電機(jī)，尤其是兩極電機(jī)，在設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求，轉(zhuǎn)速 范圍避開可能的共振頻率，比如電機(jī)固有頻率，以及電磁力2倍頻(2x)。電機(jī) 安裝的基礎(chǔ)，也

14、要求必須為剛性基礎(chǔ)，才能避免共振發(fā)生。如果客戶基礎(chǔ)剛度不 夠，電機(jī)無(wú)法通過(guò)更改某個(gè)部件避開共振頻率，也無(wú)法消除振動(dòng)問(wèn)題。所以這種 狀況下，還是要求客戶遵照技術(shù)協(xié)議的條款，提高工作臺(tái)剛度，使電機(jī)系統(tǒng)共 振頻率遠(yuǎn)離電磁激勵(lì)(2x)的頻率120hz，從而降低電機(jī)振動(dòng)。3結(jié)論電機(jī)是由基座、定子、轉(zhuǎn)子、軸承等組成的復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)吋存在著機(jī) 械-電磁-熱耦合問(wèn)題，任何的加工制造設(shè)計(jì)安裝誤差都可能導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)。借助一定的測(cè)試及采集振動(dòng)數(shù)據(jù)能夠?qū)ο嚓P(guān)振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行分析。對(duì)于得到的振動(dòng) 數(shù)據(jù)，通過(guò)頻譜分析主要是為了看出激振力的類型，ix通常和轉(zhuǎn)子不平衡相關(guān), 2x通常和電磁力有關(guān)，其他的頻率通常和部件缺陷有關(guān)。振動(dòng)是否有共振發(fā)生， 如果是共振，通過(guò)頻譜看出共振頻率，根據(jù)設(shè)計(jì)中積累的頻率或者進(jìn)行模態(tài)實(shí) 驗(yàn)得出共振的部件。得出振動(dòng)根源以后，根據(jù)不平衡力、電磁力或者其他力產(chǎn)生的原因，給出對(duì)應(yīng)解 決的方法。共振問(wèn)題還可能牽扯到電機(jī)所在的傳動(dòng)系統(tǒng)、基礎(chǔ)等。通過(guò)以上的