基于模型的离心压缩机电机振动应用研究

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在石化企业离心压缩机应用广泛，但其结构复杂且长期连续高速运转，极容易发生设备故障，造成巨大的经济损失和人员伤亡.究其原因，振动问题是生产中的主要故障来源.近年来，人们越来越关注离心压缩机的振动问题，国内外关于离心压缩机振动的机理、信号分析、检测和诊断方法有很多研究，并已取得不少成果 .但对离心压缩机电机引起的振动故障却重视不够 ，因为其振幅较小 ，振动不够强烈往往被忽视.目前 ，在离心压缩机电机的研究上，对振动故障的频谱分析较多，而对振动原因的系统归纳总结较少[2-a]；对电机临界转速的计算方法很多，而建立振动模型、判断振动原因的很少 6.针对龙岩市化工厂-台 H125～7/0.98离心式压缩机工作中振动值超标的实际故障，从压缩机电机振动机理分析入手，系统总结振动的原因，并利用模型精确计算判断振动的根源 ，模型和诊断有机结合可快速明确振动的原 因和改进方法.此法对其他的振动故障分析及诊断也有-定的借鉴作用。

1 电机振动机 理分析电机是离心压缩机 的动力装置 ，电机振动的主要原 因有机械 、电气和安装方面等。

1.1 电机振动产生的危害离心压缩机电机振动造成的危害主要体现在以下 6个方面：1)降低效率 ，消耗能量 ；2)加剧电机轴承的磨损；3)发生碰摩，振动会使转子磁极松动，动静件相互摩擦；4)绝缘击穿，引发事故，振动导致电机端部绑线松动 ，绝缘电阻变低 ；5)轴弯曲断裂 ，无法工作 ，停机停产 ；6)影响压缩机主要部件 ，缩短 寿命 ，或引发其他部件损伤，导致事故发生。

1.2 电机振动的原因1.2.1 机械原 因电机转子的扭转、弯 曲及轴承等是造成电机振动的机械原因。

1)弯曲振动 由于制造、安装、运转等原因，容易引起电机转子的质量不平衡.电机转子的宽径比较大，其质量不平衡主要表现为动不平衡 ，造成转子的弯曲振动 ，这是 电机振动最常见 的表现之-.另外转子固有振动特性也会造成振动.如转子的临界转速与电机工作转速接近 ，就会产生振动。

2)扭转振动 输入扭矩的变化会引起电机转子系统 的扭转振动 ，变化 的扭矩在转子截面产生变化的扭转剪切应力，造成转子的疲劳破坏，不但使电机振动加剧，而且减少转子寿命。

3)电机轴承引起的振动轴承的制造精度，对电机振动有重要影响，轴承的形位公差及游隙尺寸大等都可能导致电机的振动.轴收稿 日期 ：2012-10-25作者简介：陈虹微(1968-)，女，辅龙岩人，副教授，主要从事振动与噪声学研究· 69 ·徐州工程学院学报(自然科学版) 2012年第 4期承 的润滑油或润滑脂黏度的选择也影响轴承 ，黏度低使润滑失效，产生剧烈摩擦 ，轴承迅速磨损 ，造成间隙过大，引起系统振动 ；润滑油脂黏度过高会使其对滚动体的阻尼作用降低，影响振动的控制效果.润滑油的油膜涡动和油膜振荡 ，也会引起系统的振动7]。

1.2.2 电气原因电气原 因引发的电机振动 ，主要是 由气隙不均匀 ，定子绕组损坏等造成的。

1)气隙不均匀引起的振动 气隙不均使 电机工作中的激磁电流发生较大变化 ，从而产生单边次拉力 ，严重时会发生动静件碰摩，产生振动，甚至使电机发生扫膛。

2)定子绕组损坏引起的振动 在定子绕组中存在组件间电磁作用力 、磁拉力、线圈热胀冷缩造成 的力的影响，引起 了绕组的系统频率或者倍频率振动。

3)电磁力引起的振动 叠片铁心是电机定子铁心常用的结构形式 ，在电磁力的作用下，叠片铁心中会产生变化的磁通 ，从而产生变化的磁场 ，造成铁心的轴向振动.如果铁心间未压贴紧密 ，则会产生剧烈振动 、冲击和噪声。

1.2.3 安装原因安装原因引发的电机振动主要是电机与负载之间的连接、机座的松动、变形等因素造成的。

1)连接不当引起的振动 电机与负载机械之间的安装连接不对中，必然造成电机运行时的干扰力 ，使得机组产生振动。

2)机座松动 、变形引起的振动 机座浇注上有缺陷 ，基础强度不够，激振力使机座变形 、松动等可造成电机振动。

1.3 电机振动的特征离心压缩机电机的振动信号大多数是-些周期信号、准周期信号、或平稳随机信号，其各组成部分振动故障的共同特征是故障频率都与转子的转速有关，等于转子的回转频率及其倍频或分频。

针对龙岩市化工厂离心压缩机的电机振动的实际故障 ，从表 1的振动数据可以看 出该电机垂直方 向峰值达 7.08 mm/s，水平方向峰值达到 7.31 mm/s.振动的主要频率是 50 Hz的基频 ，另外还有少量 的二倍频及更高次谐波频率.基频振动幅值大 ，高次谐波振动值很小.根据 国标 GB 10068-2000对电机振动限值(普通级为 2.8 mm/s，优等级为 1.8 mm/s)的规定 ，并结合 电机学知识 ，可知电磁振动主要发生在高频端 ，电机断电时电磁力消失 ，电磁振动也将不存在.因此 ，可以断定该 电机的振动是机械原因造成的，而非电磁原因。

表 1 H125-7/O.98离心式压 缩机电机 实际振动测量值造成机械振动的原 因可能有以下几方面：电机的工作频率与其转子的固有频率接近 ，或机座的固有频率接近基频和倍频 ；机座或转子的刚性较低 ；平衡精度低 ，转子静不平衡或动不平衡等.为了判别原因，首先我们对机座刚性进行检查 ，采用加固、加重和去重法改变机座刚性，分别试验测试振动值 ，结果电机振动值基本不变.然后我们对转子进行动平衡试验 ，校核其平衡精度，同样不存在问题.因此，我们可以断定 电机振 动的机械原因就是转子的临界转速。

2 电机振动模型从电机振动故障特征可知，不同原因引发的振动有不同的振动频率和振幅，而振动频率又与转速有关。

临界转速是指数值等于转子固有频率时的转速，转子如果在临界转速下运行，会出现剧烈的振动，而且轴的弯曲度明显增大 ，长时间运转还会造成轴的严重弯曲变形甚至折断.电机转子的振幅在临界转速时达到最大值.-个转子有几个临界转速 ，分别叫做-阶临界转速，二阶临界转速等，临界转速的大小与轴的结构 、粗细、叶轮质量及位置、轴的支承方式等因素有关，特别是实际工作 中由于-些 因素的改变，而导致临界转速的改· 70 ·陈虹微，等：基于模型的离心压缩机电机振动应用研究变.-般将工作转速与临界转速的比值 -0.85～1.15的范围称为共振区，如工作转速为 2 900 r/rain时 ，相应的共振区为 2 465～3 335 r/min.如果 电机转速在共振区内，那么 ，振动就会增大 ，振动值就会超标.实际工作转速与临界转速之比- 0.85～ 1.15. . (1)n(1)式称为离心压缩机电机振动模型公式.如工作转速与临界转速之比在此 区域 ，则发生较大振动，据此可迅速判断电机振动原因.此模型公式中的关键问题是如何求解临界转速。

2.1 求解的基础振动微分方程可表示为[F][M]X)[c]X)[K]X-[F ]sin ， (2)式中：IF]为柔度矩阵；[M]为质量矩阵，对角矩阵，当转子结构-定时，易于建立；x)为加速度列向量；[c]为阻尼矩阵；[K]为刚度矩阵； 为速度列向量；[F ]为单边磁拉力与惯性力合并的激振力矩阵。

轴上任意-振动质点 的运动皆为简谐运动 ，速度方程为X - A cos( )， (3)加速度方程为X --ogA sin(wt )， (4)式 中：i- 1，2，3，， ；A 为 振 幅 (m)；叫 为振 动 的 固有 圆频 率 (rad/s)；T 为时 间 (s)； 为 振 动 的相位角 (rad)。