两极感应电机周期性振动故障及抑制方法研究
时间：2023-02-11 11:55:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张泽民，李名殷，谢 军
(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)
电机在固定转速下稳定运行时，会出现三种时域振动故障特征(以振速为例，取RMS值)：振幅平稳；
振幅非周期性波动；
振幅周期性波动。其中，振幅平稳的情况较为多见，但故障原因较多，需要结合频谱分析等技术提取故障特征进行诊断。振幅非周期性波动多表现为爬升，如转子热弯曲、转轴裂纹等故障[1]，需结合其他特征进一步分析。振幅周期性波动特征最为明显，可根据时域监测波形直接获得振幅波动周期、峰峰值等信息。引起振幅周期性波动的原因有很多，最常见的有两种：动静摩擦或莫顿效应导致的振幅周期性波动[2]，波动周期一般在1～2 h左右，且振动相位也会出现周期性变化；
频率相近的两个正弦波叠加形成的拍振[3]，拍周期与两个振动信号的频率之差有关。
大中型两极感应电机极对数少、转速高，且价格低廉，深受石化、冶金行业用户的喜爱。对于极对数较少的两极感应电机，受径向电磁力波影响，易出现两倍电频振动幅值较大的情况[4]。当感应电机中存在摩擦、零件松动、或轴承椭圆等故障时，可产生两倍转频的机械振动[5]。由于两极感应电机电频与转频接近，两种振动信号在某点相遇后会发生叠加，从而产生拍现象。拍现象在感应电机中时有发生，早在1992年，Akiyama就对感应电机拍振原理进行了研究[6]，并指出周期为2sf的拍振与动偏心有关。本文基于拍振机理研究两极感应电机空载下拍振形成原因及解决方法，以降低振动幅值，提升电机品质。
拍振是指两个频率相近的正弦信号发生叠加。当两个信号相位接近同相时，信号相加使振幅变大；
当两个信号相位接近反向时，信号相减使振幅变小。由于两个信号频率不同，从而使振幅呈周期性波动，如图1所示。
图1 拍振原理示意图
假设两个原始信号分别为x1=A1sinω1t和x2=A2sinω2t，叠加信号为：
(1)
其中：
(2)
(3)
根据式(1)和(2)分别可得合成运动周期和拍周期为：
(4)
(5)
2．1 两极感应电机2f和2fr拍振原理
两极感应电机定子绕组接通三相交流电源后，电枢中产生三相对称电流，气隙中感应出基波旋转磁场，磁场旋转频率与电网频率相同。在空间旋转磁场的作用下，转子绕组中感应电动势并产生电流，该电流与气隙磁场相互作用产生电磁转矩。定子上某一点在电枢电流达到峰值时产生最大电磁力，如图2所示。因此每一个电周期内电磁吸引力存在两个峰值。当电机存在转子偏心、底脚不平、基础刚度不足等因素时，转子径向受力不均而激发振动，振动频率为2f(两倍电频)。当电机存在动静摩擦、零部件松动、轴伸弯曲、轴承椭圆等故障时，会激发频率为2fr(两倍转频)的振动。两极感应电机转子转速与定子磁场转速不同步，两者之间存在转差，转差受负载影响，满载时转差率通常为额定转速的1%，空载时转差率接近于零[7]。2f和2fr频率接近，易叠加形成拍振。
图2 电周期内磁通量和磁拉力示意图
根据式(2)可知，拍振幅值最小为Amin=A1-A2(假设A1>A2)，最大为Amax=A1+A2，拍振振幅波动幅度为2A2。当感应电机中2f振幅和2fr振幅接近时，拍振波形会呈现大幅度波动，峰值接近2f幅值(或2fr幅值)的两倍。根据式(5)可得感应电机合成拍振的拍周期为：
(6)
2．2 案例分析
一台型号为SYBPKS500-2的两极感应电机，试验过程发现轴向振动超标且存在周期性波动，幅值波动周期约230 s。在50 Hz电频驱动下空载运行，用B&K TYPE 3050-B-060数采系统和PCB 356A16传感器采集电机轴瓦附近振动加速度数据，一次积分后振速波形如图3(a)～(c)所示。水平方向振速幅值波动较小且相对平稳，垂直方向和轴向振幅波动呈发散趋势。选取电机稳定运行阶段时域振动数据进行频谱分析，结果如图4(a)～(c)所示，1fr和2fr转频对应振幅较大，其中轴向2fr分量达到了1.7 mm/s。为判别振幅波动原因，对轴向振动数据做时频分析，400 Hz以内分析结果如图5所示，结果显示2fr转频幅值波动明显。对轴向振动数据进行高分辨率频谱分析，局部放大如图6所示，存在两个峰值，99.996 Hz对应幅值1.0 mm/s，100.000 Hz对应幅值1.6 mm/s。两个频率接近的信号叠加形成拍振运动，导致幅值波动。将2f=100.0和2fr=99.996代入式(6)可得拍周期Tbeat=250 s，与振动监测周期相近。
图4 振速频域分析(分辨率0.25 Hz)
图5 DE端轴向振速时频图(分辨率0.5 Hz)
图6 DE端轴向振速频谱图(局部放大图，线谱分辨率0.002 Hz)
对故障电机采取以下措施：(1)拆除转子和轴瓦，并校调轴承档圆度、转子外圆和定子内圆；
(2)分解滑动轴承，发现挡油环和盘根安装不正，轴瓦无明显擦伤，调整挡油环和盘根后，复装轴瓦；
(3)复装电机，并调整定转子气隙。修整后电机空载试运行，轴伸端时域波形如图7(a)～(c)所示，幅值波动范围减小且稳定。频谱分析如图8(a)～(c)所示，2fr分量明显降低，复装后1fr分量变大，可通过动平衡降低1fr幅值。修整后时频分析如图9所示，波动现象仍然存在，但最大振动幅值和波动范围明显减小。对轴向振动数据进行高分辨率频谱分析，结果如图10所示，99.996 Hz和100.0 Hz对应幅值减小至0.5 mm/s和0.7 mm/s。
图7 振速时域波形图-修整后
图8 振速频谱分析-修整后(分辨率0.25 Hz)
图9 DE端轴向振速时频图-修整后
图10 DE端轴向振速频谱图-修整后(局部放大图，线谱分辨率0.002Hz)
对于振幅波动范围较小电机，应致力于降低平均振幅。图11(a)～(c)为一台型号为YBJC4001-2的两极异步电机时域波形图，时频分析和频谱分析结果，结合断电试验，判断主要振动分量为2f。拆装电机，校调关键部件，并调整定转子气隙后，电机振动明显减小，时域波形、时频分析和频谱分析结果如图11(d)～(f)所示。
图11 YBJC4001-2振幅波动分析-修整后
振幅波动在两极感应电机中时有发生，如果幅值波动范围较大，应首先分析是否为2f和2fr波形叠加导致。当2f和2fr分量对应幅值接近时，拍振幅变化较大，影响电机使用。对于两极异步电机，应首先考虑调整电机装配和底脚安装，降低2fr分量。如果2f分量幅值较大，应同时检查是否存在定转子偏心。
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