文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2025）07-082-04中圖分類號：TK268

★操豐付江永（國核示范電站有限責任公司，山東榮成264300）

★張婷婷（國核電站運行服務技術有限公司，上海200000）

關鍵詞：頻譜分析；結構共振；臥式電機

1　引言

主給水泵是核電站的主要設備，其可用性直接影響機組的發電能力^[1]。目前國內核電廠電動主給水泵組通常采用雙軸伸電機作為驅動機，其可以實現同時驅動主給水泵及前置泵。由于雙軸伸電機的結構特點，導致其軸向剛度較低^[2]，在工作狀態下容易產生較大的軸向振動^[3-4]。本文針對某核電廠主給水泵組配備的雙軸伸電機單體在運行過程中出現的振動問題，對其軸向振動產生的原因進行了分析，通過固有頻率分析、頻譜分析、相位分析等技術確定引起電機軸向振動問題緩慢上升的原因是由轉子軸頸在軸承中的位置發生變化引起。

2　泵組及振動故障簡介

2.1　泵組概述

本文研究對象為某核電廠1號機組，該機組通過一臺雙軸伸三相異步電動機對前置泵和主給水泵同時提供驅動，電機軸的一端直接連接前置泵，另一端通過增速齒輪箱連接主給水泵。該雙軸伸電機型號為YKS1000-4型，中心高為1000mm，額定功率為10250kW，極數為4，轉速1495rpm。電機采用全封閉、鼠籠型結構，冷卻方式為空-水冷，電機兩側為球面滑動軸承。主給泵組的各部分布置情況及雙軸伸電機的外形如圖1所示。

圖1泵組結構布置及雙軸伸電機外形圖

2.2　振動現象

2022年10月20日振動診斷人員對A列主給水泵組電機在單體運行狀態下的振動進行檢測，測試數據顯示電機前置泵側軸向振動幅值出現緩慢上升，振動幅值超過單體運行階段電機振動限值2.3mm/s。具體測量數據如表1所列。

表1A列主給水泵組電機振動測量數據（單位：mm/s）

測量結果顯示，主給水泵電機隨運行時間增長其振動幅值存在緩慢上升的趨勢。振動診斷人員對C列主給水泵電機振動進行測量，結果如表2所列，可以看出主給水泵C列電機振動偏大，已經接近振動限值，且振動幅值最大點同樣位于振動軸向位置。為了進一步確認水泵電機產生振動且振動處于軸向位置的原因，從電機供應商處取得了電機出廠時的振動測試數據（如表3所示），通過對該振動測量數據對比可以發現電機在出廠時其軸向振動幅值已經達到2.1mm/s，接近驗收值2.3mm/s。經過對同類型設備及制造廠內的振動試驗數據進行分析，得出該水泵電機振動問題應該屬于雙軸伸電機的結構設計或制造問題，與出廠后設備現場安裝關系較小。

表2C列主給水泵組電機振動測量數據（單位：mm/s）

表3A泵制造廠試驗振動測量數據（單位：mm/s）

3　故障診斷

3.1　激振力來源分析

通過對A列主給水泵電機前置泵側軸向振動進行頻譜分析，得到圖2（a）所示的頻譜，頻譜分析結果顯示電機軸向振動主要以2倍頻（50Hz）振動為主，占據振動總量的90%以上，其他振動成分幅值較小。對C列主給水泵電機軸向振動頻譜分析結果顯示其振動頻率分布情況與A泵軸一致，頻譜如圖2（b）所示。對于帶載運行的電機而言，2X軸向振動激振力往往由聯軸器的角不對中等安裝問題導致，對于單體運行的電動機，軸向振動激振力可能來源于設備本體的電氣故障或機械故障^[5]。其中，電氣故障主要包括電機磁力中心不對稱，電機氣隙不均勻或電機繞組故障；機械故障主要包括電機轉子存在局部彎曲，且彎曲位置可能發生在軸承處或兩端轉子的揚度不一致，電機軸向存在共振等問題^[6~7]。對比A/C列泵的振動特點，該振動問題的原因可能是共性問題。

圖2（a）A列（b）C列主給水泵電機前置泵側軸向振動頻譜

斷電試驗可用于快速判斷電機振動激振力來自電氣故障還是機械故障。在斷電瞬間，電磁力突然消失，如振動幅值隨之突然減小，振動主要由電氣原因引起；如振動無明顯變化，振動原因與電磁力無關，振動主要由機械故障引起。為了快速驗證軸向振動的來源，開展了電機斷電試驗。在電機斷電瞬間，軸向主要振動頻率50Hz處幅值無明顯變化，而是隨著惰轉時間的延長緩慢降低。通過斷電試驗可以判斷，激振力主要來源于機械故障。

為了進一步明確軸向激振力的來源，振動診斷人員對A列主給水泵電機兩端軸承進行了振動相位測量，結果如表4所示。

表4A列主給水泵電機各處相位差數據（單位：°）

圖3（a）軸向左右兩側相位差測點（注1）

（b）軸向上下兩側相位差測點（注2）

通過對相位測量幾多進行分析，發現電機在運行過程中其兩端軸承上下、前后測點的相位差均出現變化，且前置泵側軸承處軸向相位變化最大，電機齒輪箱側軸向相位差變化相對較小。相位的變化表示軸頸在軸承中的運動狀態及位置可能出現了變化，進而導致振動故障。因此，可以判定電機振動故障的原因是軸徑與軸承的機械故障^[8]。

3.2　固有頻率分析

通過建立電機的結構模型，對其固有頻率進行計算，結果顯示電機的一階模態頻率為21.394Hz（1283.64rpm），電機的二階模態頻率為49Hz左右。接著對電機軸向進行固有頻率進行測量，測量結果如圖4所示，其固有頻率出現在49Hz左右，與建模計算結果一致。

圖4固有頻率測量結果

主給水泵雙軸伸電機要求其兩端軸承均采用異型座式球面滑動軸承結構，此軸承在整個軸承的高度方向上沒有其它約束，在軸向方向約束低，軸向支撐剛度較差。其整體固有頻率與由電機軸徑軸承機械故障產生2X激振力頻率接近，因此會對2X激振力產生的振動產生共振放大^[9]。

4　振動問題的處理

對于滑動軸承，潤滑油的油壓及油溫會影響油膜厚度，油膜厚度的變化直接導致軸頸位置的變化^[10]。對于本文研究的雙軸伸電機，由于其轉子長度較長，屬于柔性轉子，因此其在自重作用下存在靜撓度，具體表現為轉子水平放置時兩端或者軸頸會向上揚起，其揚起量稱為揚度^[11~12]。由于轉子軸向方向的重量及剛度不均勻導致兩端揚度不同，引起電機轉子的自身重力軸向分力指向揚度小的一端，轉軸旋轉一周時，引起轉子交替出現兩次軸向力，產生2X振動^[13]。因此，通過電機前置泵側和齒輪箱側振動測量結果及相位變化量可初步判斷前置泵側軸承端轉子揚度相對較小。此外，還可以得出振動故障隨運行時間的增長而增大現象的原因是由于隨著運行時間增長，油溫升高使得油膜厚度減小，進而導致兩端轉子揚度的差異性增大，使得振動幅值增大。通過上述分析，可以初步判斷主給水泵電機軸向振動緩慢上升至超標的原因是轉子軸頸在軸承的位置發生緩慢變化，疊加軸向共振引起。

為了驗證上述結論并解決電機振動問題，本文采用調整軸承油壓的方式。對于主給水泵電機，其油溫無法進行調節，僅能調整油壓，根據油壓與油膜厚度的關系可知，油壓越高，油膜越厚。另外，油膜厚度與油膜剛度存在一定關系。一般認為，油膜厚度越高，油膜剛度降低，剛度降低可以使得固有頻率降低，進而在一定程度上避開共振區間。在軸承結構已經確定的情況下，對軸承油壓進行調整可以快速開展。

根據主給泵電機運行維護手冊，油壓允許的調整范圍為0.05~0.1MPa。因此，本文分別以將油壓調整至0.05MPa和0.08MPa狀態進行振動測量。當油壓調整為0.05MPa時，電機軸向振動幅值約為3.0mm/s；而油壓調整為0.08MPa時，電機軸向振動幅值為2.1~2.2mm/s，振動降低至合格范圍內（振動限值2.3mm/s）。總體幅值下降約0.7mm/s。為了排除測量結果的偶然性，分別采用上述實驗方案進行了3次重復實驗，三次實驗結果一致，在經過油壓調整后，電機振動均能恢復至合格振動范圍，且振動幅值保持穩定。

5　結論

通過對主給水泵電機的振動問題進行研究，得出以下結論：

（1）對于雙軸伸電機，由于其結構特點，軸向約束力較小，剛度較低，容易引起軸向振動故障；

（2）在電機運行過程中，水泵電機轉子軸頸位置發生變化并疊加結構共振會導致電機軸向振動緩慢上升并超出合格閾值；

（3）軸承潤滑油的油壓及油溫會影響其油膜厚度進而影響軸頸在軸承中的位置，因此可通過調整油壓對振動進行抑制。

作者簡介：

操　豐（1983-），男，安徽潛山人，高級工程師、碩士，現就職于國核示范電站有限責任公司，主要研究方向為核電廠旋轉設備振動治理、材料監督及無損檢測。

付江永（1986-），男，山東濰坊人，高級工程師，碩士，現就職于國核示范電站有限責任公司，主要研究方向為核電廠旋轉設備振動治理、性能試驗。

張婷婷（1984-），女，甘肅白銀人，學士，現就職于國核電站運行服務技術有限公司，主要研究方向為核電廠旋轉設備振動監測及治理、核電廠冷源安全等。

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摘自《自動化博覽》2025年7月刊