核电站冷冻水循环泵电动机组振动故障研究

核电站冷冻水循环泵电动机组振动故障研究

史历锋

福建福清核电有限公司 福建 福清 350318

摘要：通过采用频谱分析、有限元计算技术在循环水泵电动机组振动故障中应用，采用Pro/E软件针对核电站冷冻水循环泵-电动机组进行建模，然后通过ANSYS软件进行模型分析。从理论角度上分析确定振动故障出现的原因，从而针对性的改善设备，设计更加优质的泵类设备结构，制定合理的振动故障诊断技术。

关键词：核电站；冷冻水循环泵；电动机组；振动故障

振动情况作为水泵、电机组设备可靠运行的关键评估指标，若是出现了振动异常情况就会阻碍设备的安全运行，继而导致发电机与管理出现振动，轴承等零件也会因此发生损坏、联接部件也会发生松动，严重的时候也会导致部件出现变形，有极高发生断裂的几率，导致机组停运。本文通过分析频谱分析以及有限元计算方法在核电站冷冻水循环泵-电动机组振动故障诊断中的应用效果，为电机组安全运行奠定基础。

1. 频谱分析技术

在信号分析理论的基础上，振动信号包括若干不同频率、阈值、相位简谐分量的函数。采用快速博立叶快速手段计算振动的频率和相位，此分析方法为频谱分析方法，频谱技术也成为了转动设备振动故障诊断的主要技术。

不同的故障对应的频率特点见表1。比较常见的故障为：转子不平衡故障、气流激振和油膜振动故障、轴承早期故障，分别为转速频率、低频频率和高频频率。不同的故障频率特点之间有一定的相似性，根据故障频率也无法判断故障的成因，因此无法针对故障进行窒息分析，关于振动故障的分析要结合相关实验数据进行判断。

表1 故障的频率特点

电气缺陷导致的振动故障的原因如下：转子线圈匝间短路、转子和定子间气隙不均匀、定子铁芯等都是导致振动故障的主要因素。最常见的原因为转子与定子间气隙不均匀，当磁极通过最小空气间隙的过程中，单向磁拉力会急剧提高到最大值；当磁极通过最大空气间隙的时候，单向磁拉力为最小值，因此由于磁拉力不平衡会出现振动的故障^[1]。

2. 有限元分析技术

有限元分析技术，通过连续求解区域为有限、具有相互联系的单元组合体，将结构分析问题转变为结构型问题。如果振动的频率与系统固定频率相近的时候，振动幅度A明显提高，系统也会呈现为共振的状态。旋转机械进行振动分析的过程中，固有频率相关的转速为临界转速，在达到临界转速之前，振动幅度会随着转速的加快而提高，临界转速后，振动幅值随着转速的增大而减少^[4]。

异步电机在运营阶段，以及产生的电磁噪声和振动问题在电磁力的影响引发电机强迫振动的发生，如果电机结构发生了共振，电极的噪声和振动频率也会提高。为了改善噪声与振动的频率，就可以将试验验证与有限元分析技术结合起来，分析电机结构振动的特点从而制定改善对策。

3. 振动故障的诊断

1. 分析振动

核电站冷冻水循环泵结构型为卧式离心泵，泵组的参数见表2。在现场调试的环节，通过Enpac2500双通道频谱分析仪采集电机振动值，电机非驱动端振动速度有效值达到13.6mm/s，超过振动要求值的测点分布点见图2，速度频谱和gSE包络谱图见图3和图4。

表2 泵组主要性能参数^[2]

图2 电机振动测点分布

图3 电机非驱动端视屏方向振动速度频谱

图4 电机非驱动端水平方向gSE包络谱

（二）故障诊断

从振动速度的频率分析，电机的非驱动端方向的诊断成分与转速频率的2倍频最为相似，原因为：基础变形引发不对称磁拉力故障，gSE包络谱中的轴承故障频率和谐波承故障频率分别为：保持架为20.5Hz、滚子为105.5Hz、轴承外圈为155.7Hz、轴承内圈为253.5Hz。经过完善的排查，泵组对中满足了相应的技术需求，并且通过对电机及基座的固有频率进行检测，现场调试的固有频率见图5。电极结构中的一阶固有频率为107.5Hz，底座的一阶固有频率为780Hz，电机的一阶固有频率大概为71.5Hz。电机水平方向上的耦合固有频率为107.5Hz处于电机元转中电磁激振频率的±10z%左右，从而会导致电机结构共振，振动频率超标^[3]。

图5 电机及底座改造前的结构一阶固有频率测试

4. 故障诊断的对策

1. 构建改造方案模型

在频谱分析技术的基础上，为了改善电机及底座的固有频率共振消除的问题，针对底座支撑部位实施改善，采用Pro/E软件构建改进前后的实体模型。

2. 改造方案的有限元分析

电机及带底座的主要零部件实施合理简化后导入到ANSYS软件中，采用20节点的Solid45三维立体单元进行网络划分、有限元模型的构建。见表3。

表3 有限元模型参数

对电机及带底座改造前后的装配体实施振动模态分析，前2阶固有频率明显提高，1阶固有频率从110.826Hz提高到135.537Hz，2阶固有频率从200.553Hz提高到270.812Hz，从而避开了电磁激振的共振区，动态刚度得到改善^[4]。见表4。

表4 改造前后固有频率的相关参数分析

5. 小结

本文通过对频谱分析技术和有限元方法在核电站冷冻水循环泵-电动机组发生的振动问题进行分析，判断振动故障的类型，制定合理的改善对策。通过构建底座改造方案的模型，并且对模型的特点进行分析，实施试验验证，分析振动问题发生原因，制定相应的解决方案，为泵类振动故障的诊断和结构优化都提供了有力的参考。

参考文献：

[1] 雒晓辉,许德忠,赵亮,等. 核电站冷冻水循环泵电动机组振动故障分析[J]. 水泵技术,2015(5):45-48,38.

[2] 汪飞鹏,李娜,曾国靖. 冷冻水循环泵电机振动原因分析及处理[J]. 电工技术,2021(15):186-187,191.

[3] 龚贵辉,刘海蛟. 核电厂风冷机组和冷冻水循环泵供电可靠性研究[J]. 中国核电,2018,11(2):245-248.

[4] 黄建恩. 空调系统冷冻水循环水泵变频运行的节能机理[J]. 节能技术,2005,23(2):139-142.