楊小春

作者通聯(lián)：西安高壓電器研究院有限責(zé)任公司 西安市西二環(huán)北段18號 710077

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一、概述

西安高壓電器研究院TИ-25-2型發(fā)電機(jī)組（前蘇聯(lián)上世紀(jì)50年代產(chǎn)）為大型發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)額定容量31250kV·A，額定轉(zhuǎn)速3000r/min。主要用途是為高壓電器產(chǎn)品做短路試驗提供沖擊電源，運(yùn)行模式是由電網(wǎng)提供的電源，驅(qū)動交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過聯(lián)軸器帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電，軸系構(gòu)成如圖1。機(jī)組在2011年大修后進(jìn)行全面測試，發(fā)現(xiàn)其測速電機(jī)（2kW交流電機(jī)）振動過大，垂直方向最大振幅為220μm，大大高于振動標(biāo)準(zhǔn)值（50μm），使機(jī)組的安全運(yùn)行存在嚴(yán)重隱患。

圖1 機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

二、振動測試與故障診斷

為了查明振動過大的原因，對測速電機(jī)進(jìn)行振動測試，測點布置見圖2，測試結(jié)果見表1。由表1可以看出，機(jī)組尾部測速電機(jī)垂直方向振動過大，且倍頻分量占通頻振幅的80%以上，說明機(jī)組受到了某種倍頻（100Hz）激振力的影響，引起了垂直方向的共振，即激振力的頻率與發(fā)電機(jī)及基礎(chǔ)固有頻率接近時振動合拍后被放大。究竟是什么原因引起了測速電機(jī)共振，進(jìn)一步作如下分析與診斷。

圖2 測點布置示意

1.引起機(jī)組倍頻共振的原因分析

（1）支撐系統(tǒng)剛度不足，其自身固有頻率降低后接近倍頻激振力的頻率，從而引起共振。支撐系統(tǒng)的固有頻率是該系統(tǒng)在外力作用后自身振動的頻率，這種頻率與該系統(tǒng)的連接狀況及每個部件的剛度有關(guān)。一般說來，系統(tǒng)連接狀況越好，每個部件剛度越大，其固有頻率越高，反之其固有頻率就越低。

表1 測速電機(jī)振動值 μm

（2）激振力過大且含有較多的倍頻分量，有的機(jī)組存在其中某個缺陷，而有的機(jī)組同時存在以上兩種缺陷，共振問題顯得特別突出。按照由易到難的原則，首先測試了機(jī)組支撐部分的振動值（圖2），以確定系統(tǒng)剛度是否有問題，測試結(jié)果見表2。

由表2數(shù)據(jù)可以看出：①基礎(chǔ)振動過大（32μm）,說明測速電機(jī)存在的倍頻振力，引起了整個系統(tǒng)的振動。該機(jī)組正常情況下基礎(chǔ)振動應(yīng)在6～15μm。②連接部件之間的振動差別很小，即測點1和測點2及測點3和測點4的振動值之差很小，最大為10μm。按照長期積累的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，一般振動值差<20μm，用扳手緊固螺栓時發(fā)現(xiàn)很緊，即可認(rèn)為該螺栓緊力不存在問題。③機(jī)組支架振動大（110μm）且連接螺栓無緊力不足情況。這說明支架結(jié)構(gòu)剛度很差，由圖2可以看出支架尾部懸臂過長，在電機(jī)振動沖擊下，支架會產(chǎn)生彈性變形引起支架振動，當(dāng)尾部固有頻率接近倍頻（100Hz）時，就容易發(fā)生共振，由于該機(jī)組系前蘇聯(lián)上世紀(jì)50年代產(chǎn)品，當(dāng)時對振動問題認(rèn)識不夠，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。

表2 測速電機(jī)支撐部分振動值 μm

2.引起振動的激振力來源及性質(zhì)

由振動的基本理論和長期的實踐經(jīng)驗證明，現(xiàn)場運(yùn)行的機(jī)組激振力倍頻分量主要有下列因素引起。

（1）轉(zhuǎn)子彎曲或裂紋。

（2）電磁激振，由不均勻電磁力引起（氣隙不均勻時會產(chǎn)生）的振動。

（3）固定式聯(lián)軸器對中不良引起的軸頸晃動。

針對以上可能原因，對機(jī)組進(jìn)行檢查和測試。首先外觀檢查了轉(zhuǎn)子，無裂紋和其他缺陷，所以第一種原因可以排除；振動是在測速電機(jī)空載下測得的，空載時電機(jī)電磁力為0，第二種原因也可排除；問題在固定式聯(lián)軸器對中上，為此用兩個百分表反復(fù)測量，發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器對中不良，徑向偏差達(dá)230μm（標(biāo)準(zhǔn)值≤50μm）。所以引起倍頻振動的激振力可以斷定是由于聯(lián)軸器對中不良所致。

三、消除振動的措施及效果

（1）首先用兩塊百分表認(rèn)真調(diào)整了聯(lián)軸器對中，調(diào)整后中心最大偏差為20μm。在其他因素不變的情況下，重新測量測速電機(jī)振動，得出測點1、2的垂直方向振幅分別為53μm、88μm，振動有明顯減小，這說明引起共振的倍頻激振力已基本消除，但振動仍然未達(dá)到合格范圍，需要做進(jìn)一步調(diào)整。

（2）在檢查支撐剛度時，發(fā)現(xiàn)測速電機(jī)支架尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，懸臂太長，在垂直激振力的作用下使其產(chǎn)生彈性變形，在激振力以倍頻（100Hz）的頻率反復(fù)作用下，其支架尾部就會產(chǎn)生共振（支架臺面振動為110μm）。因為支架在垂直、水平兩個方向上的固有頻率不同，所以在同樣的激振力作用下，水平方向未發(fā)生共振，振動不大；而垂直方向發(fā)生了共振，導(dǎo)致振動過大。查明原因后，設(shè)法改變支架在垂直方向上的固有頻率，就能避免發(fā)生共振。具體措施是將一方木鑲在尾部與地板之間，形成支撐（圖2），加支撐后測點1、2垂直方向振動值分別為10μm和16μm，通頻振幅也已降至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的優(yōu)秀值（20μm）以內(nèi)，說明機(jī)組共振現(xiàn)象已消除（后又將方木支撐改為角鋼支撐，振動值又有所降低）。

四、總結(jié)

當(dāng)機(jī)組發(fā)生倍頻共振時，基本原因有兩個方面：一是機(jī)組存在某種激振力，其頻率接近倍頻，應(yīng)根據(jù)振動學(xué)基本理論和長期的工作經(jīng)驗準(zhǔn)確判斷激振力的發(fā)生機(jī)理，并采取相應(yīng)的措施消除這種激振力。二是機(jī)組的支撐系統(tǒng)剛度發(fā)生了變化，其固有頻率接近倍頻，系統(tǒng)的剛度包括連接剛度和結(jié)構(gòu)剛度。連接處螺栓緊力降低時，連接剛度就隨之降低，系統(tǒng)的固有頻率就會降低；由系統(tǒng)中的各個部件自身結(jié)構(gòu)決定了結(jié)構(gòu)剛度，當(dāng)某個部件或幾個部件存在材料、形狀等問題時，系統(tǒng)剛度就會降低。一般來講，材質(zhì)較軟的部件，結(jié)構(gòu)剛度就低，形狀有細(xì)長、薄、懸臂等情況時，結(jié)構(gòu)剛度也會下降。測速電機(jī)振動問題就是因為支撐系統(tǒng)有懸臂結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致固有頻率降低產(chǎn)生了共振。長期實踐證明，某種激振力突然增大時，往往是機(jī)組發(fā)生故障的表現(xiàn)，因此，查找激振力增大原因是保障機(jī)組安全運(yùn)行的重要步驟。

1 張游祖，施維.汽輪發(fā)電機(jī)的振動及轉(zhuǎn)子找平衡.水利電力出版社，1996

2 王繼海.發(fā)電廠設(shè)備檢修技術(shù).水利電力出版社，1995