文献标识码：B文章编号：1003-0492（2025）07-082-04中图分类号：TK268

★操丰付江永（国核示范电站有限责任公司，山东荣成264300）

★张婷婷（国核电站运行服务技术有限公司，上海200000）

关键词：频谱分析；结构共振；卧式电机

1　引言

主给水泵是核电站的主要设备，其可用性直接影响机组的发电能力^[1]。目前国内核电厂电动主给水泵组通常采用双轴伸电机作为驱动机，其可以实现同时驱动主给水泵及前置泵。由于双轴伸电机的结构特点，导致其轴向刚度较低^[2]，在工作状态下容易产生较大的轴向振动^[3-4]。本文针对某核电厂主给水泵组配备的双轴伸电机单体在运行过程中出现的振动问题，对其轴向振动产生的原因进行了分析，通过固有频率分析、频谱分析、相位分析等技术确定引起电机轴向振动问题缓慢上升的原因是由转子轴颈在轴承中的位置发生变化引起。

2　泵组及振动故障简介

2.1　泵组概述

本文研究对象为某核电厂1号机组，该机组通过一台双轴伸三相异步电动机对前置泵和主给水泵同时提供驱动，电机轴的一端直接连接前置泵，另一端通过增速齿轮箱连接主给水泵。该双轴伸电机型号为YKS1000-4型，中心高为1000mm，额定功率为10250kW，极数为4，转速1495rpm。电机采用全封闭、鼠笼型结构，冷却方式为空-水冷，电机两侧为球面滑动轴承。主给泵组的各部分布置情况及双轴伸电机的外形如图1所示。

图1泵组结构布置及双轴伸电机外形图

2.2　振动现象

2022年10月20日振动诊断人员对A列主给水泵组电机在单体运行状态下的振动进行检测，测试数据显示电机前置泵侧轴向振动幅值出现缓慢上升，振动幅值超过单体运行阶段电机振动限值2.3mm/s。具体测量数据如表1所列。

表1A列主给水泵组电机振动测量数据（单位：mm/s）

测量结果显示，主给水泵电机随运行时间增长其振动幅值存在缓慢上升的趋势。振动诊断人员对C列主给水泵电机振动进行测量，结果如表2所列，可以看出主给水泵C列电机振动偏大，已经接近振动限值，且振动幅值最大点同样位于振动轴向位置。为了进一步确认水泵电机产生振动且振动处于轴向位置的原因，从电机供应商处取得了电机出厂时的振动测试数据（如表3所示），通过对该振动测量数据对比可以发现电机在出厂时其轴向振动幅值已经达到2.1mm/s，接近验收值2.3mm/s。经过对同类型设备及制造厂内的振动试验数据进行分析，得出该水泵电机振动问题应该属于双轴伸电机的结构设计或制造问题，与出厂后设备现场安装关系较小。

表2C列主给水泵组电机振动测量数据（单位：mm/s）

表3A泵制造厂试验振动测量数据（单位：mm/s）

3　故障诊断

3.1　激振力来源分析

通过对A列主给水泵电机前置泵侧轴向振动进行频谱分析，得到图2（a）所示的频谱，频谱分析结果显示电机轴向振动主要以2倍频（50Hz）振动为主，占据振动总量的90%以上，其他振动成分幅值较小。对C列主给水泵电机轴向振动频谱分析结果显示其振动频率分布情况与A泵轴一致，频谱如图2（b）所示。对于带载运行的电机而言，2X轴向振动激振力往往由联轴器的角不对中等安装问题导致，对于单体运行的电动机，轴向振动激振力可能来源于设备本体的电气故障或机械故障^[5]。其中，电气故障主要包括电机磁力中心不对称，电机气隙不均匀或电机绕组故障；机械故障主要包括电机转子存在局部弯曲，且弯曲位置可能发生在轴承处或两端转子的扬度不一致，电机轴向存在共振等问题^[6~7]。对比A/C列泵的振动特点，该振动问题的原因可能是共性问题。

图2（a）A列（b）C列主给水泵电机前置泵侧轴向振动频谱

断电试验可用于快速判断电机振动激振力来自电气故障还是机械故障。在断电瞬间，电磁力突然消失，如振动幅值随之突然减小，振动主要由电气原因引起；如振动无明显变化，振动原因与电磁力无关，振动主要由机械故障引起。为了快速验证轴向振动的来源，开展了电机断电试验。在电机断电瞬间，轴向主要振动频率50Hz处幅值无明显变化，而是随着惰转时间的延长缓慢降低。通过断电试验可以判断，激振力主要来源于机械故障。

为了进一步明确轴向激振力的来源，振动诊断人员对A列主给水泵电机两端轴承进行了振动相位测量，结果如表4所示。

表4A列主给水泵电机各处相位差数据（单位：°）

图3（a）轴向左右两侧相位差测点（注1）

（b）轴向上下两侧相位差测点（注2）

通过对相位测量几多进行分析，发现电机在运行过程中其两端轴承上下、前后测点的相位差均出现变化，且前置泵侧轴承处轴向相位变化最大，电机齿轮箱侧轴向相位差变化相对较小。相位的变化表示轴颈在轴承中的运动状态及位置可能出现了变化，进而导致振动故障。因此，可以判定电机振动故障的原因是轴径与轴承的机械故障^[8]。

3.2　固有频率分析

通过建立电机的结构模型，对其固有频率进行计算，结果显示电机的一阶模态频率为21.394Hz（1283.64rpm），电机的二阶模态频率为49Hz左右。接着对电机轴向进行固有频率进行测量，测量结果如图4所示，其固有频率出现在49Hz左右，与建模计算结果一致。

图4固有频率测量结果

主给水泵双轴伸电机要求其两端轴承均采用异型座式球面滑动轴承结构，此轴承在整个轴承的高度方向上没有其它约束，在轴向方向约束低，轴向支撑刚度较差。其整体固有频率与由电机轴径轴承机械故障产生2X激振力频率接近，因此会对2X激振力产生的振动产生共振放大^[9]。

4　振动问题的处理

对于滑动轴承，润滑油的油压及油温会影响油膜厚度，油膜厚度的变化直接导致轴颈位置的变化^[10]。对于本文研究的双轴伸电机，由于其转子长度较长，属于柔性转子，因此其在自重作用下存在静挠度，具体表现为转子水平放置时两端或者轴颈会向上扬起，其扬起量称为扬度^[11~12]。由于转子轴向方向的重量及刚度不均匀导致两端扬度不同，引起电机转子的自身重力轴向分力指向扬度小的一端，转轴旋转一周时，引起转子交替出现两次轴向力，产生2X振动^[13]。因此，通过电机前置泵侧和齿轮箱侧振动测量结果及相位变化量可初步判断前置泵侧轴承端转子扬度相对较小。此外，还可以得出振动故障随运行时间的增长而增大现象的原因是由于随着运行时间增长，油温升高使得油膜厚度减小，进而导致两端转子扬度的差异性增大，使得振动幅值增大。通过上述分析，可以初步判断主给水泵电机轴向振动缓慢上升至超标的原因是转子轴颈在轴承的位置发生缓慢变化，叠加轴向共振引起。

为了验证上述结论并解决电机振动问题，本文采用调整轴承油压的方式。对于主给水泵电机，其油温无法进行调节，仅能调整油压，根据油压与油膜厚度的关系可知，油压越高，油膜越厚。另外，油膜厚度与油膜刚度存在一定关系。一般认为，油膜厚度越高，油膜刚度降低，刚度降低可以使得固有频率降低，进而在一定程度上避开共振区间。在轴承结构已经确定的情况下，对轴承油压进行调整可以快速开展。

根据主给泵电机运行维护手册，油压允许的调整范围为0.05~0.1MPa。因此，本文分别以将油压调整至0.05MPa和0.08MPa状态进行振动测量。当油压调整为0.05MPa时，电机轴向振动幅值约为3.0mm/s；而油压调整为0.08MPa时，电机轴向振动幅值为2.1~2.2mm/s，振动降低至合格范围内（振动限值2.3mm/s）。总体幅值下降约0.7mm/s。为了排除测量结果的偶然性，分别采用上述实验方案进行了3次重复实验，三次实验结果一致，在经过油压调整后，电机振动均能恢复至合格振动范围，且振动幅值保持稳定。

5　结论

通过对主给水泵电机的振动问题进行研究，得出以下结论：

（1）对于双轴伸电机，由于其结构特点，轴向约束力较小，刚度较低，容易引起轴向振动故障；

（2）在电机运行过程中，水泵电机转子轴颈位置发生变化并叠加结构共振会导致电机轴向振动缓慢上升并超出合格阈值；

（3）轴承润滑油的油压及油温会影响其油膜厚度进而影响轴颈在轴承中的位置，因此可通过调整油压对振动进行抑制。

作者简介：

操　丰（1983-），男，安徽潜山人，高级工程师、硕士，现就职于国核示范电站有限责任公司，主要研究方向为核电厂旋转设备振动治理、材料监督及无损检测。

付江永（1986-），男，山东潍坊人，高级工程师，硕士，现就职于国核示范电站有限责任公司，主要研究方向为核电厂旋转设备振动治理、性能试验。

张婷婷（1984-），女，甘肃白银人，学士，现就职于国核电站运行服务技术有限公司，主要研究方向为核电厂旋转设备振动监测及治理、核电厂冷源安全等。

参考文献：

[1] 楼安平. 核电厂主给水泵振动高原因分析[J]. 产业与科技论坛, 2019, 18 (11) : 45 - 46.

[2] 白照昊, 张磊. 双轴伸结构电机转子的动力学分析与结构优化[J]. 电机与控制应用, 2020, 47 (06) : 52 - 57.

[3] 朱鹏程. 核电站主给水泵组振动超标分析[J]. 产业与科技论坛, 2020, 19 (06) : 47 - 48.

[4] 舒相挺, 杨璋, 徐逸哲, 等. 某核电厂主给水泵电动机轴向振动故障诊断[J]. 振动测试与诊断, 2021, 41 (03) : 527 - 531、623.

[5] 茆秋华. 汽轮发电机组轴向振动分析及处理[J]. 电工技术, 2018, (03) : 90 - 91、134.

[6] 徐建国. 大型高速电机轴向振动的分析和处理[J]. 电机技术, 2013, (04) : 38 - 39.

[7] 徐元周. 滑动轴承电机轴向振动超标诊断与处理[J]. 防爆电机, 2017, 52 (03) : 43 - 44、55.

[8] 薛海军. 高压泵电机转子轴向窜动故障分析与处理[J]. 甘肃冶金, 2014, 36 (01) : 108 - 110.

[9] 付江永, 刘明利, 王鸿雁. 核电站立式长轴泵电动机振动故障诊断及处理[J]. 发电设备，2019, 33 (03) : 201 - 20

[10] 史冬岩, 张成, 任龙龙, 等. 滑动轴承压力分布及动特性系数[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2011, 32 (09) : 1134 - 1139.

[11] 王宗勇, 马春华, 龚斌, 等. 转子系统碰摩条件分析[J]. 中国机械工程, 2007, (09) : 1013 - 1016.

[12] 叶小月, 潘协波. 汽轮机转子扬度的计算方法[J]. 机械工程师, 2009, (01) : 167 - 168.

[13] 赵耀俊. 旋转机械振动频谱中二倍频分量高故障分析及处理[J]. 内蒙古电力技术, 2018, 36 (05) : 39 - 42.

摘自《自动化博览》2025年7月刊