付江永， 劉明利， 王鴻雁

(山東核電有限公司, 山東煙臺(tái) 265116)

立式長(zhǎng)軸泵在核電站中應(yīng)用廣泛，但由于其軸系長(zhǎng)、重心較高、機(jī)座尺寸小等，容易引起其配套電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振。筆者利用頻譜分析及固有頻率分析方法，結(jié)合某核電站服務(wù)水泵配套電動(dòng)機(jī)振動(dòng)異常的案例，研究結(jié)構(gòu)共振的機(jī)理，采取合理可行的處理措施，以尋求有效降低振動(dòng)的方法，為今后類似問題的故障診斷及快速處理提供參考。

1 振動(dòng)現(xiàn)象

1.1 泵結(jié)構(gòu)

核電站服務(wù)水泵位于核電站循環(huán)水泵房?jī)?nèi)，從電站海水入口渠吸水，向設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的熱交換器輸送海水，在核電站停堆、熱備用、啟動(dòng)和正常功率運(yùn)行模式下，通過設(shè)備冷卻水系統(tǒng)向核電站核島內(nèi)各種設(shè)備提供冷卻。服務(wù)水泵為立式、單級(jí)長(zhǎng)軸離心泵，配備立式空冷式電動(dòng)機(jī)，聯(lián)軸器采用剛性聯(lián)軸器。水泵主要技術(shù)參數(shù)見表1，泵組結(jié)構(gòu)及振動(dòng)測(cè)點(diǎn)見圖1。

表1 核電站服務(wù)水泵的基本參數(shù)

1—上軸承東西方向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)；2—上軸承南北方向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)；3—上軸承東西方向錘擊位置；4—上軸承南北方向錘擊位置；5—下軸承東西方向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)；6—下軸承南北方向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)

圖1 泵組結(jié)構(gòu)及振動(dòng)測(cè)點(diǎn)示意圖

1.2 振動(dòng)測(cè)量

服務(wù)水泵組在調(diào)試期運(yùn)行過程中出現(xiàn)配套電動(dòng)機(jī)振動(dòng)大故障，經(jīng)解體檢修未發(fā)現(xiàn)泵組本體缺陷，重新安裝后振動(dòng)依然無法降低。運(yùn)行時(shí)泵組振動(dòng)速度測(cè)量結(jié)果見表2，服務(wù)水泵電動(dòng)機(jī)上、下軸承東西方向振動(dòng)超過報(bào)警值(2.8 mm/s)。對(duì)電動(dòng)機(jī)上軸承進(jìn)行相位差測(cè)量及頻譜分析，測(cè)得電動(dòng)機(jī)上軸承南北和東西方向振動(dòng)相位差為180°，電動(dòng)機(jī)上軸承頻譜圖見圖2，電動(dòng)機(jī)下軸承頻譜圖見圖3。

表2 服務(wù)水泵振動(dòng)速度測(cè)量結(jié)果 mm/s

圖2 電動(dòng)機(jī)上軸承振動(dòng)頻譜圖

圖3 電動(dòng)機(jī)下軸承振動(dòng)頻譜圖

1.3 振動(dòng)分析

由頻譜分析可知，振動(dòng)主要以1倍頻為主，無其他故障頻率，屬于普通強(qiáng)迫振動(dòng)[1]。對(duì)普通強(qiáng)迫振動(dòng)而言，部件呈現(xiàn)的振幅與作用在部件上的激振力成正比，與其動(dòng)剛度成反比：

A=F/K

(1)

式中：A為振幅；F為激振力；K為部件動(dòng)剛度，表示部件產(chǎn)生單位振幅(位移)所需的交變力。

K=k/β

(2)

(3)

因此轉(zhuǎn)子對(duì)不平衡的響應(yīng)取決于兩方面的因素：(1)不平衡激振力的大?。?(2)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，包括剛度、阻尼和固有頻率。

1.3.1 不平衡激振力故障排查

從式 (1)中可以看出，激振力增加必然導(dǎo)致振幅增加。轉(zhuǎn)子上激振力的來源主要有轉(zhuǎn)子殘余不平衡量以及電動(dòng)機(jī)與泵的對(duì)中情況。經(jīng)查看泵組出廠數(shù)據(jù)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子及泵轉(zhuǎn)子均做過動(dòng)平衡試驗(yàn)，數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求；選取電動(dòng)機(jī)上軸承東西方向及南北方向進(jìn)行振動(dòng)相位測(cè)量，測(cè)點(diǎn)位置見圖1中1、2點(diǎn)。經(jīng)測(cè)量電動(dòng)機(jī)上軸承南北方向與東西方向振動(dòng)相位差為180°，不符合不平衡的振動(dòng)特征，因此基本可排除不平衡故障。另一方面通過查看維修記錄，電動(dòng)機(jī)與泵聯(lián)軸器對(duì)中控制在50 μm范圍內(nèi)，同時(shí)頻譜中無不對(duì)中的故障頻率，因此排除不對(duì)中產(chǎn)生激振力的可能。

1.3.2 系統(tǒng)固有動(dòng)態(tài)特性分析及共振原因分析

由式(3)可知，當(dāng)系統(tǒng)ωn接近或等于ω時(shí)，若阻尼較小，則β達(dá)到最小值，振動(dòng)幅度將在外部激振力作用下變得非常大，即為共振。由表2可知，電動(dòng)機(jī)上軸承東西方向振動(dòng)明顯大于南北方向振動(dòng)。由于電動(dòng)機(jī)為立式安裝，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的激振力在南北方向及東西方向上一致，引起南北方向和東西方向振動(dòng)差異的原因在于動(dòng)剛度不同，現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)的支架在東西方向上存在檢修口，并且布置了出水管道，這兩方面的原因在一定程度上導(dǎo)致了東西方向和南北方向剛度的差異，進(jìn)而引起了電動(dòng)機(jī)南北方向和東西方向振動(dòng)的差異。

錘擊試驗(yàn)頻譜見圖4和圖5。

圖4 南北方向錘擊試驗(yàn)結(jié)果

圖5 東西方向錘擊試驗(yàn)結(jié)果

基于以上分析，現(xiàn)場(chǎng)決定對(duì)電動(dòng)機(jī)上軸承進(jìn)行錘擊試驗(yàn)以測(cè)量泵組固有頻率[2]。由于泵組質(zhì)量較大，進(jìn)行錘擊試驗(yàn)時(shí)需要較大的激振力，為防止過大的激振力損壞軸承，錘擊試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)選擇在電動(dòng)機(jī)上部軸承室下方的電動(dòng)機(jī)外殼處(見圖1中3、4點(diǎn))。經(jīng)測(cè)量，電動(dòng)機(jī)上軸承東西方向固有頻率為15 Hz，電動(dòng)機(jī)上軸承南北方向固有頻率為13 Hz。

泵組轉(zhuǎn)速頻率為16.5 Hz，泵組共振的避開率為±10%，即要求在14.85～18.15 Hz不應(yīng)存在共振頻率，而東西方向的固有頻率為15 Hz，恰好落入此頻率范圍內(nèi)，引起了結(jié)構(gòu)共振。南北方向固有頻率為13 Hz，與轉(zhuǎn)速頻率差值相比東西方向較大，振動(dòng)較小。從固有頻率的測(cè)量結(jié)果及振動(dòng)測(cè)量結(jié)果分析，引起泵組系統(tǒng)東西方向振動(dòng)大的原因可能為結(jié)構(gòu)共振。

2 振動(dòng)處理

如果存在結(jié)構(gòu)共振，可以從改變剛度或改變參振質(zhì)量來改變結(jié)構(gòu)的固有頻率[3]。 對(duì)于已有的結(jié)構(gòu)而言，改變質(zhì)量往往不現(xiàn)實(shí)，比較多的是從改變系統(tǒng)剛度著手。由于系統(tǒng)剛度除了與機(jī)架及基礎(chǔ)本身剛度相關(guān)外，還與各結(jié)合面間的連接剛度有關(guān)，這種連接包含軸承座、端蓋以及相關(guān)管道的連接狀況。現(xiàn)場(chǎng)采取兩種方案嘗試改變固有頻率：(1)增加泵組系統(tǒng)剛度以提高固有頻率；(2)減弱泵組系統(tǒng)剛度以降低固有頻率。

2.1 增強(qiáng)系統(tǒng)剛度試驗(yàn)

系統(tǒng)剛度包括各結(jié)合面的連接剛度以及支架的結(jié)構(gòu)剛度[4]。為增強(qiáng)各結(jié)合面的連接剛度，一方面對(duì)電動(dòng)機(jī)支架法蘭面進(jìn)行重新加工，在回裝過程中使水平度控制在優(yōu)秀水平；另一方面加大電動(dòng)機(jī)與支架結(jié)合面、電動(dòng)機(jī)支架與泵支架結(jié)合面連接螺栓的力矩。為了保證連接效果，對(duì)螺栓緊固次序進(jìn)行嚴(yán)格控制，即同時(shí)緊固對(duì)角方位結(jié)合面上的螺栓，分1～3次均勻地增加緊力，逐步將螺栓同步緊固到位，可以有效防止端面連接不緊，同時(shí)避免法蘭面受力不均。為增加電動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)剛度，現(xiàn)場(chǎng)在電動(dòng)機(jī)支架東南西北四個(gè)方向各架設(shè)1個(gè)千斤頂，并嚴(yán)格控制千斤頂?shù)捻斏Χ取?/p>

起機(jī)后進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，電動(dòng)機(jī)上軸承東西方向振動(dòng)速度下降至5.5 mm/s，但南北方向振動(dòng)速度上升至4.7 mm/s，超過標(biāo)準(zhǔn)值(2.8 mm/s)。增強(qiáng)剛度后經(jīng)錘擊試驗(yàn)?zāi)媳狈较蚬逃蓄l率為15 Hz，東西方向固有頻率為18.5 Hz，結(jié)果見圖6、圖7。由振動(dòng)測(cè)量結(jié)果及固有頻率測(cè)量結(jié)果可以看出泵組系統(tǒng)剛度及固有頻率提高量有限，雖然東西方向振動(dòng)由所下降，但南北方向振動(dòng)卻明顯上升，原因?yàn)椋涸谫|(zhì)量不變的條件下，南北方向系統(tǒng)剛度的提高必然導(dǎo)致其固有頻率的上升，南北方向最初固有頻率為13 Hz，剛度提高后，其固有頻率上升并落入了共振區(qū)間內(nèi)，從而導(dǎo)致振動(dòng)明顯上升，而東西方向由于泵組剛度提高后其固有頻率偏離了共振區(qū)間，振動(dòng)則有所下降。

圖6 增強(qiáng)剛度后南北方向錘擊試驗(yàn)結(jié)果

圖7 增強(qiáng)剛度后東西方向錘擊試驗(yàn)結(jié)果

2.2 減弱系統(tǒng)剛度試驗(yàn)

為減弱泵組系統(tǒng)剛度以降低固有頻率，現(xiàn)場(chǎng)撤掉千斤頂后，降低各結(jié)合面連接螺栓的力矩，并松開電動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)支架結(jié)合面西北角處的連接螺栓，電動(dòng)機(jī)東西方向振動(dòng)速度突降至3.3 mm/s，南北方向振動(dòng)速度降低至1.81 mm/s，但東西方向振動(dòng)速度仍然不能滿足2.8 mm/s的標(biāo)準(zhǔn)。為進(jìn)一步調(diào)整系統(tǒng)的固有頻率，現(xiàn)場(chǎng)在電動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)支架結(jié)合面西北角處增加了厚度為2 mm的青稞紙墊片，一方面增加阻尼部件可抑制共振的發(fā)生，另一方面在電動(dòng)機(jī)與支架結(jié)合處制造出虛腳，連接剛度會(huì)下降，泵組的固有頻率將隨之降低。減弱系統(tǒng)剛度后固有頻率測(cè)量結(jié)果見圖8、圖9。

圖8 減弱剛度后南北方向錘擊試驗(yàn)結(jié)果

圖9 減弱剛度后東西方向錘擊試驗(yàn)結(jié)果

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后振動(dòng)速度測(cè)量結(jié)果見表3，通過適當(dāng)降低泵組固有頻率，電動(dòng)機(jī)上軸承東西方向和南北方向振動(dòng)均滿足振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 調(diào)整固有頻率后的振動(dòng)速度測(cè)量結(jié)果 mm/s

3 處理效果

比較表2和表3可以看出，電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)特征由東西方向振動(dòng)較大變化為南北方向振動(dòng)較大。產(chǎn)生這種變化的原因?yàn)椋航档捅媒M系統(tǒng)的剛度使得東西方向固有頻率偏離了共振區(qū)間，振動(dòng)出現(xiàn)了大幅下降；而根據(jù)式(1)可知?jiǎng)偠鹊南陆当厝粚?dǎo)致振幅的上升，所以南北方向剛度下降，使得南北方向振動(dòng)略有上升。

經(jīng)過以上分析，采取連接剛度避開固有頻率的方法須慎重考慮，只有系統(tǒng)本身的剛度足夠高時(shí)，方可采取這種方法。對(duì)于本文所涉及的泵，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的剛度已經(jīng)較高，這一點(diǎn)可以通過增加系統(tǒng)剛度的嘗試中看出，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施增加剛度的措施后，其固有頻率的上升量較小，原因在于其結(jié)構(gòu)本身的剛度及連接剛度已經(jīng)在較高水平，難以通過臨時(shí)措施提高其固有頻率。

4 結(jié)語

通過對(duì)服務(wù)水泵配套電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)問題處理，可以得到以下結(jié)論：

(1) 頻譜分析與固有頻率分析方法可快速準(zhǔn)確診斷結(jié)構(gòu)共振故障。

(2) 對(duì)于本身剛度已經(jīng)較高的結(jié)構(gòu)，減弱剛度及增加阻尼是解決結(jié)構(gòu)共振故障的一種有效方法。

(3) 在通過調(diào)整剛度解決結(jié)構(gòu)共振問題時(shí)，須兼顧各方向固有頻率與剛度的關(guān)系，防止出現(xiàn)一個(gè)方向振動(dòng)降低，而另一方向振動(dòng)上升的現(xiàn)象。