陶佳林

（核電運(yùn)行研究（上海）有限公司設(shè)備可靠性研究所，上海 200126）

0 引言

風(fēng)機(jī)在核電廠的正常運(yùn)行中承擔(dān)著重要角色。在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中，受到現(xiàn)場安裝、設(shè)備本體加工精度、設(shè)備調(diào)試、運(yùn)行等各種因素的影響，經(jīng)常會遇到各種各樣的振動問題。大量實(shí)踐表明對于皮帶傳動的懸臂式風(fēng)機(jī)，除了最常見的不平衡問題外，周期性波動也是較為常見的一種振動問題。某核電廠以安全殼排風(fēng)機(jī)B（MA-02B）為代表的4 臺風(fēng)機(jī)反復(fù)出現(xiàn)周期性波動振動問題。這些風(fēng)機(jī)設(shè)備處于輻射控制區(qū)內(nèi)，反復(fù)處理振動問題對輻射劑量控制存在有一定的隱患。

因此，以MA-02B 風(fēng)機(jī)為典型對象，通過振動時域和頻域分析方法，結(jié)合設(shè)備故障機(jī)理分析和設(shè)備維修歷史對比，對振動問題進(jìn)行深入研究，確定了振動主要原因，徹底解決該振動問題，提高了設(shè)備可用性和可靠性。

1 風(fēng)機(jī)概況及存在問題

核電廠安全殼排風(fēng)機(jī)在機(jī)組正常運(yùn)行期間，向安全殼內(nèi)提供間斷的室外氣流，凈化過濾安全殼內(nèi)氣體放射性。在機(jī)組冷停堆時，提供連續(xù)供氣，降低人員進(jìn)入時的放射性風(fēng)險，是放射性控制的重要設(shè)備。

現(xiàn)場測量安全殼排風(fēng)機(jī)B 的振動，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)驅(qū)動電機(jī)自由端水平方向和電機(jī)驅(qū)動端軸向方向振動相比其他測點(diǎn)其他方向大，并且振動表現(xiàn)為明顯的周期性波動特征，其中電機(jī)自由端水平方向波動范圍為6.2～9.7 mm/s，驅(qū)動端軸向方向波動范圍為7.3～9.8 mm/s，波動周期均為10 s 左右。

2 風(fēng)機(jī)振動問題分析

根據(jù)振動處理的思路：①對動態(tài)測量特征進(jìn)行細(xì)致分析，結(jié)合故障形成機(jī)理，判斷出可能故障原因；②結(jié)合靜態(tài)安裝特征和工單歷史進(jìn)行印證分析；③定位故障原因并確定其置信概率高低。對該懸臂風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)的動態(tài)特征、靜態(tài)特征和工單歷史檢查分析如下。

2.1 動態(tài)測量特征

動態(tài)測量特征主要有：①相比較其他類型設(shè)備振動特征，風(fēng)機(jī)的驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動端存在明顯的軸向振動；②時域方面：風(fēng)機(jī)的驅(qū)動電機(jī)自由端水平方向和電機(jī)驅(qū)動端軸向方向振動有明顯的波動情況，波動周期約為10 s；③風(fēng)機(jī)的驅(qū)動電機(jī)自由端水平方向振動明顯高于垂直方向振動，差別達(dá)到400%以上。

2.2 靜態(tài)安裝特征

靜態(tài)安裝特征：①風(fēng)機(jī)整體坐落在彈簧基礎(chǔ)之上，風(fēng)機(jī)的電機(jī)部分側(cè)裝在風(fēng)機(jī)箱體上，屬于典型的懸臂式風(fēng)機(jī)；②風(fēng)機(jī)的葉輪部分與電機(jī)部分是皮帶連接，屬于非剛性直聯(lián)；③風(fēng)機(jī)框架為10 mm 厚的鋼板焊接而成，電機(jī)安裝基礎(chǔ)則為5 mm厚的C 型鋼板（相比框架剛度，電機(jī)安裝基礎(chǔ)C 型板剛度比框架剛度薄弱）。

2.3 檢修工單歷史特征

檢修工單歷史特征主要有：①該設(shè)備歷史上也存在振動異?，F(xiàn)象，經(jīng)過更換皮帶后，振動有所下降，但3 個月后振動又重新上漲；②風(fēng)機(jī)空載振動小于1.0 mm/s，帶載后振動上漲，最高達(dá)到9.8 mm/s；③調(diào)整風(fēng)機(jī)皮帶輪對中后，振動略有下降，但不明顯。

2.4 問題分析

2.4.1 驅(qū)動電機(jī)軸向振動

該風(fēng)機(jī)的驅(qū)動電機(jī)存在明顯的軸向振動，說明該風(fēng)機(jī)系統(tǒng)存在軸向的激振力，該軸向振動往往與不對中有關(guān)，不對中的產(chǎn)生原因及其特征表現(xiàn)：

造成不對中的原因主要有3 種：制造誤差、安裝誤差以及其他運(yùn)行影響。

（1）制造誤差。在聯(lián)軸器或皮帶輪加工過程中，由于工藝或測量等原因造成端面與軸心線不垂直或不同心。這種情況的聯(lián)軸器處會產(chǎn)生一個附加彎矩，但這個彎矩的大小和方向不隨時間及運(yùn)行條件的變化而變化，只相當(dāng)于在聯(lián)軸器處施加了一個不平衡力，其結(jié)果是在聯(lián)軸器附近產(chǎn)生較大的1 倍頻振動，可通過加平衡塊的方法容易消除[1]。

（2）安裝誤差。由于安裝過程中，導(dǎo)致聯(lián)軸器兩端的兩個連接面不平行或不同心量過大，造成對中不良。當(dāng)連接面平行但不同心時，主要引起徑向振動，并且振動頻率主要以1 倍頻和2 倍頻為主[2]，同時也存在多倍頻的諧波振動，不對中越嚴(yán)重，2 倍頻所占的比例越大。當(dāng)連接面不平行但同心時，主要導(dǎo)致軸向振動較大，振動頻率為1 倍頻，可通過校正安裝誤差容易消除。

（3）其他運(yùn)行影響。除了以上原因外，機(jī)組在運(yùn)行過程中由于溫度等因素造成的不對中，其主要原因有：基礎(chǔ)受熱不均；機(jī)組各部件的熱膨脹變形和扭曲變形；地基下沉不均等[3]。該情況下一般會與機(jī)組振動與工況和運(yùn)行時間有明顯的相關(guān)性，并且往往隨著運(yùn)行時間的增加，振動會快速上漲，并且上漲到一定量時趨于穩(wěn)定。

結(jié)合該風(fēng)機(jī)靜態(tài)安裝的特點(diǎn)：設(shè)備通過皮帶連接，非剛性直連，判斷風(fēng)機(jī)側(cè)皮帶輪和電機(jī)側(cè)皮帶輪存在不對中的可能，如圖1 所示。

圖1 設(shè)備對中情況示意

結(jié)合工單歷史：調(diào)整風(fēng)機(jī)皮帶輪對中后，振動略有下降，但不明顯，表明風(fēng)機(jī)對中情況的調(diào)整和優(yōu)化，有利于風(fēng)機(jī)振動水平的改善，靜態(tài)不對中可能是故障原因之一，但并不是主要原因。

2.4.2 風(fēng)機(jī)振動波動

風(fēng)機(jī)振動有明顯的波動情況，波動周期約為10 s。通常風(fēng)機(jī)振動表現(xiàn)為有規(guī)律的波動，往往與拍振有一定的關(guān)系，拍振產(chǎn)生的原因及其特征：

通常系統(tǒng)中存在兩個頻率略有差別的振源時，由于周期相差不大，每過一個周期兩個振動信號的相位差就會有較小的變化，隨著時間的推移，相位差會由0°到360°作周期性的變化，振動幅值呈現(xiàn)出隨時間時大時小的現(xiàn)象，拍振在波形上特征較為明顯，如圖2 所示。

圖2 拍振波形圖

對于拍振的處理，一般從三方面進(jìn)行消除：①隔斷振動傳遞路徑，如改變設(shè)備支撐情況；②使兩個頻率分隔，如改變皮帶驅(qū)動設(shè)備的皮帶輪大小，使得兩激振頻率離開足夠的距離；③減弱分振動的強(qiáng)度，如對不平衡的轉(zhuǎn)軸進(jìn)行精細(xì)動平衡，降低分振動強(qiáng)度。

2.4.3 綜合分析

結(jié)合設(shè)備靜態(tài)安裝特點(diǎn)：皮帶連接風(fēng)機(jī)和電機(jī)部分的皮帶輪大小相同，考慮受皮帶輪加工精度影響，風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率和電機(jī)運(yùn)行頻率可能存在細(xì)微差別以及皮帶通過頻率的倍頻與電機(jī)/風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)頻接近，也可能產(chǎn)生拍振。

結(jié)合工單歷史：經(jīng)過更換皮帶后，振動有所下降，但一段時間后振動又重新上漲。表明皮帶是風(fēng)機(jī)振動的其中一個敏感因素，皮帶隨著時間運(yùn)行會產(chǎn)生磨損，可能會引起激振力的增加，導(dǎo)致振動增加。

風(fēng)機(jī)的驅(qū)動電機(jī)自由端水平方向振動明顯高于垂直方向振動；通常同一測點(diǎn)不同方向振動測量值會存在一定差別，一般情況小于3 倍。但當(dāng)振動差別大于3 倍甚至是5 倍以上時，往往與共振有一定的關(guān)系。一般電廠風(fēng)機(jī)主要存在以下3 種共振相關(guān)的故障[4]：①轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速安全裕度不夠；②基礎(chǔ)不牢或支撐銹蝕裂紋；③軸承支撐設(shè)計剛度不足。

結(jié)合設(shè)備靜態(tài)安裝特點(diǎn)，設(shè)備電機(jī)安裝基礎(chǔ)相對薄弱，水平方向和垂直方向的剛度差別較大，水平方向的固有頻率可能會接近風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行頻率，從而導(dǎo)致水平方向振動較大。此外由于周期性波動的頻率非常低（接近0.1 Hz），因此判斷如果產(chǎn)生共振，較大可能是電機(jī)基礎(chǔ)薄弱產(chǎn)生軸向搖擺引起。風(fēng)機(jī)周期性波動激振力來源于皮帶輪之間動態(tài)不對中引起的軸向作用力，主要原因?yàn)殡姍C(jī)基礎(chǔ)剛度薄弱，受到皮帶拉力后，引起電機(jī)支撐的細(xì)微變形，細(xì)微的變形使得原來電機(jī)側(cè)皮帶輪和風(fēng)機(jī)側(cè)皮帶輪之間的平行對中狀態(tài)受到破壞，產(chǎn)生了起始的軸向作用力。

同時由于電機(jī)基礎(chǔ)剛度薄弱，產(chǎn)生軸向搖擺，頻率為波動頻率，偏擺到最左側(cè)位置時，軸向正作用力最大；偏擺到中間位置時，電機(jī)側(cè)皮帶輪和風(fēng)機(jī)側(cè)皮帶輪平行對中狀態(tài)恢復(fù)，無軸向作用力；偏擺到最右側(cè)位置時，軸向負(fù)作用力最大，從而在偏擺過程中作簡諧運(yùn)動，擺動頻率即為波動頻率。如果加強(qiáng)電機(jī)基礎(chǔ)支架剛度，將電機(jī)變形控制在可接受范圍內(nèi)，將避免原來電機(jī)側(cè)皮帶輪和風(fēng)機(jī)側(cè)皮帶輪之間的平行對中狀態(tài)被明顯破壞，產(chǎn)生的軸向作用力將明顯減小。設(shè)備同時受到軸向作用力減小和電機(jī)基礎(chǔ)剛度增強(qiáng)的作用后，產(chǎn)生的偏擺簡諧振動即可明顯降低。

基于以上分析，對周期性波動振動原因判斷如下：

（1）電機(jī)基礎(chǔ)薄弱產(chǎn)生軸向搖擺現(xiàn)象。

（2）風(fēng)機(jī)側(cè)皮帶輪和風(fēng)機(jī)側(cè)皮帶輪之間存在靜態(tài)對中不良情況。

（3）風(fēng)機(jī)皮帶磨損老化。

置信概率分別是：原因1＞原因2＞原因3。

3 風(fēng)機(jī)振動問題治理

3.1 治理過程

根據(jù)設(shè)備振動先易后難的治理原則，首先對設(shè)備對中進(jìn)行檢查調(diào)整以及更換皮帶，調(diào)整后振動均未有明顯下降。后將電機(jī)5 mm 厚的基礎(chǔ)支撐板更換成10 mm 厚的基礎(chǔ)支撐板，更換后帶載測量，振動波動范圍從7.3～9.8 mm/s 下降至1.2～3.9 mm/s，下降接近60%，效果良好（表1）。

表1 安全殼排風(fēng)機(jī)B（MA-02B）振動治理前后振動數(shù)據(jù) mm/s

3.2 治理結(jié)果

將此治理方法應(yīng)用到其他皮帶傳動懸臂式風(fēng)機(jī)的振動治理中，發(fā)現(xiàn)更換電機(jī)基礎(chǔ)支撐板后振動有明顯下降（表2）。

表2 其他3 臺安全殼排風(fēng)機(jī)振動治理前后振動數(shù)據(jù) mm/s

4 結(jié)論

通過采用加強(qiáng)電機(jī)基礎(chǔ)支架剛度，使得電機(jī)變形控制在可接受范圍內(nèi)，保證產(chǎn)生的變形不明顯破壞原來電機(jī)側(cè)皮帶輪和風(fēng)機(jī)側(cè)皮帶輪之間的平行對中狀態(tài)，促使產(chǎn)生的軸向作用力明顯減小，并在軸向作用力減小和電機(jī)基礎(chǔ)剛度增強(qiáng)的共同作用后，達(dá)到明顯降低偏擺簡諧振動的目的。

給出分析方法和采取風(fēng)機(jī)振動波動治理方法是某電廠技術(shù)人員細(xì)致分析設(shè)備結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)行特性，結(jié)合故障機(jī)理診斷進(jìn)行綜合分析的良好實(shí)踐，該方法通過在某電廠其他同類風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用得到了充分的驗(yàn)證，對于皮帶傳動懸臂式風(fēng)機(jī)周期性波動問題的處理有著重要的指導(dǎo)意義。