基于故障統計的電機振動分析

楊柳，雷波，但霞，石凱，劉茵萊，崔文青，熊鑫

（四川長寧天然氣開發有限責任公司，四川 成都 610100）

油氣管道作為國家重要的基礎設施，關系到國家能源安全和社會穩定。工業泵機組是油氣管道站場的關鍵設備，電機作為其中的動力源，電機運行狀態對整個油氣管路具有重要作用。電機產生振動，會使繞組絕緣和軸承壽命縮短，又容易使附件等疲勞，地腳螺絲松動或斷掉。電機的故障診斷技術非常重要，它是確保電機正常、可靠運轉的基礎，通過開展泵組的遠程監測，實現狀態監測、故障診斷和故障預測，消除設備隱患和安全運行風險，指導現場預知性維修，節約大量的維修成本。

1 電機故障統計分析

根據現場關鍵機泵運行過程中基于振動信號的故障統計，電機出現故障數量占比達到30%以上，見圖1。通過對電機故障種類進行統計分析，電機機械原因占比高達93%，其中電機軸承故障占比44%，其次分別為支撐剛度低、松動、軟腳、不平衡、不對中，見圖2。

圖1 電機與泵故障占比

圖2 電機故障種類

2 電機故障振動特征

2.1 不平衡

轉子不平衡是指轉子受材料質量、加工、裝配以及運行中多重因素的影響，其質量中心和旋轉中心之間存在一定量的偏心距，使得轉子在工作時形成周期性的離心力干擾，在軸承上產生動載荷，從而引起機器振動的現象。比較常見的電機不平衡包括：轉子質量不平衡、轉子熱態不平衡、轉子部件脫落。

不平衡主要征兆與信號特征如下：

（1）一倍頻振幅突出，并且占通頻振幅總量的80%以上；

（2）振動以徑向為主，剛性基礎水平方向幅值大于垂直方向；

（3）雙通道測量，水平垂直兩方向，一倍頻相位差90°左右。

2.2 支撐剛度低

基礎松動、底座剛度不足、地腳螺栓緊力不足均會導致支撐剛度降低。

2.2.1 基礎松動主要征兆與信號特征

（1）一倍頻振幅突出；

（2）振動以徑向為主，一般垂直方向幅值相對較大；

（3）雙通道測量，水平垂直兩方向，一倍頻相位差0 或180°左右。

2.2.2 底座支撐剛度不足主要征兆與信號特征

（1）一倍頻振幅突出；

（2）振動以徑向為主，水平方向遠大于垂直方向；

（3）電機底腳垂直方向振動遠大于軸承座垂直方向。

2.2.3 地腳螺栓緊力不足主要征兆與信號特征

（1）一倍頻振幅突出；

（2）振動以徑向為主，一般水平方向大于垂直方向；

（3）電機底腳垂直方向振動幅值一般差別較大；

（4）雙通道測量，水平垂直兩方向，一倍頻相位差0 或180°左右。

2.3 軟腳

電機4 個底腳沒有處于底座支撐的同一個平面，就會出現軟腳；如果在這個時候收緊螺栓，就會導致電機定子變形，以及產生附加應力。

電機比較常見的軟腳工況，是2 對角軟腳或單一軟腳。對角型軟腳往往表明一個短腳，腳平但不共面；單一軟腳常因彎曲或傾斜的腳而造成。底腳螺栓松開，電機底腳向上移動，一般向上位移超過0.05mm 時，表示存在軟腳工況，見圖3。

圖3 電機軟腳示意圖

圖4 電機驅動水平測點頻譜

圖5 電機驅動垂直測點頻譜

軟腳主要征兆與信號特征如下：

（1）一倍頻振幅突出，或100Hz 幅值明顯；

（2）振動以徑向為主，水平方向幅值遠大于垂直方向；

（3）電機底腳垂直方向振動幅值一般差別較大；

（4）雙通道測量，水平垂直兩方向，一倍頻相位差0 或180°左右。

絕大部分電機都有100Hz（2 倍線頻）分量，只要整體振動烈度在允許范圍內即可。

2.4 不對中

轉子與轉子之間的連接對中超出正常范圍。引起不對中的原因包括：初始對中超差；管道應力；基礎變形；聯軸器螺栓松動或膜片變形。

不對中主要征兆與信號特征如下：

（1）一倍頻和2 倍頻幅值明顯；

（2）振動以徑向為主；

現場大部分關鍵泵使用撓性聯軸器，一般0.2mm 以下的偏差，對振動無明顯影響。

3 基于振動的典型案例

軸承故障占比最高，但是軸承故障相對容易分析判斷，所以本部分主要對引起一倍頻的故障進行案例分析。通過對32 個電機故障案例進行篩選，選取其中軟腳、支撐剛度不足、松動3 類故障。

3.1 電機振動異常案例一

3.1.1 振動情況

某離心泵機組，設備組成：電機+膜片聯軸器+雙吸離心泵。三相異步電機（表1）2019 年5 月29 日停機，停機前，電機振動基本在3.5mm/s 以下，5 月31 日，電機保養并更換軸承。6 月11 日，開機后電機水平方向振動最大值達到8.0mm/s，后緩慢降低至6.0~6.5mm/s 之間，電機離線測試詳細參數（表2）。

表1 電機參數

表2 電機振動參數

3.1.2 振動分析

電機水平方向振動幅值遠大于垂直方向；頻譜中工頻分量占主導。

圖6 為機泵示意圖，標號 1 ～4 分別為電機底腳處垂直測點，標號5 和6 分別為電機驅動、非驅動軸承座垂直方向測點。與標號對應的數值為測點振動速度值。電機底腳振動幅值大，并且不同底腳之間差異較大；底腳垂直方向振動遠大于軸承座垂直方向。

圖6 電機底腳測點示意圖

6 月11 日15:14，現場松開聯軸器單試電機，電機水平方向振動從6.0mm/s 降至3.4mm/s；17:04，進一步松開電機底腳連接螺栓，電機振動值降低至1.78mm/s，見圖7。通過電機單試，排除了電機本體故障。

圖7 單試電機振動變化

圖8 整改前后電機振動趨勢對比

3.1.3 診斷結論及措施

診斷結論：電機在保養回裝后，出現了較明顯的軟腳情況，導致電機開機振動增大。

整改措施：現場通過增、減墊片對電機底座找平，找正。

效果：整改后開機，電機水平方向振動幅值降低至3.5mm/s，見圖3-5。整改后的電機離線振動參數（表3）。

表3 電機振動參數（整改）

3.2 電機振動異常案例二

3.2.1 振動情況

從案例一整改后的振動情況看，電機水平方向振動幅值3.5mm/s 左右，針對案例一中的振動現象做進一步分析。

3.2.2 振動分析

通過細化電機底腳與底座支撐測點位置，進一步分析電機底腳振動。圖9 為電機底腳與底板支撐連接示意圖，標號A ～D 為垂直向測點位置。

圖9 電機底腳與底板支撐連接示意圖

圖10 電機底腳與底板支撐連接示意圖

通過表4 可以看出，電機低腳找平后，標號為1 的底腳在A ～D 測點位置振動幅值均出現降低。從振動幅值大小分布看，底座支撐振動呈現中間大，兩側小。

表4 電機底腳振動參數（前/后）

3.2.3 診斷結論及措施

診斷結論：（1）底座支撐剛度低；（2）墊片與電機底腳接觸面積直接影響支撐剛度。

整改措施，如圖11 所示：（1）增大墊片面積，使其余電機地腳接觸面積達到80%以上；（2）在底座支撐中間位置增加縱向筋板，提高支撐剛度。

圖11 電機底腳與底板支撐連接示意圖

圖12 電機非驅水平測點頻譜

圖13 電機非驅垂直測點頻譜

圖14 電機水平與垂直波形對比

3.3 電機振動異常案例三

3.3.1 振動情況

某離心泵機組，設備組成：電機+膜片聯軸器+單級離心泵。三相異步電參數（表5）。電機振動值偏大，電機離線測試詳細參數（表6）。

表5 電機參數

表6 電機振動參數

3.3.2 振動分析

電機水平方向、垂直方向振動幅值相對較大；頻譜中工頻分量占主導；電機驅動端水平與垂直一倍頻相位差170°。

圖15 為機泵示意圖，標號1~4 分別為電機底腳處垂直測點/底座垂直方向測點。與標號對應的數值為測點振動速度值。電機底腳振動幅值大，并且電機底腳與底座幅值差較大，存在相對運動。

圖15 電機底腳測點示意圖

3.3.3 診斷結論及措施

診斷結論：電機底腳螺栓緊力不足，導致電機存在松動。

整改措施：增大底腳螺栓緊力。

效果：電機水平方向振動幅值降低至1.5mm/s 以下。

4 結語

本文通過總結現場電機振動故障，發現電機機械類故障占到電機振動異常的90%以上，并總結了不平衡、支撐剛度低、基礎松動、軟腳、不對中5 種電機故障振動特征。通過案例詳細介紹了軟腳、支撐剛度低、底座松動3 種工頻振動故障分析過程，保證了設備安全運行。