30MW發(fā)電機(jī)軸承振動(dòng)分析與治理1

1、30MW發(fā)電機(jī)軸承振動(dòng)分析與治理*（云南*公司，云南*）摘要本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，主要討論公司30MW發(fā)電機(jī)后軸承的振動(dòng)分析與治理。針對(duì)發(fā)電機(jī)后軸承軸向振動(dòng)大多次診斷治理，揭示出導(dǎo)致該機(jī)組振動(dòng)大的主要原因是軸承支撐動(dòng)剛度不足、磁場(chǎng)中心偏離、負(fù)荷階躍頻繁等，經(jīng)過(guò)治理，使發(fā)電機(jī)后軸承軸向振動(dòng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的合格范圍，確保機(jī)組安全可靠地運(yùn)行。關(guān)鍵詞： 振動(dòng)分類； 振動(dòng)故障診斷； 軸承支撐動(dòng)剛度； 磁場(chǎng)中心； 負(fù)荷階躍；1前言振動(dòng)是汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中常見的主要故障之一，嚴(yán)重時(shí)會(huì)形成振動(dòng)事故，后果不堪設(shè)想。汽輪發(fā)電機(jī)組的軸承設(shè)計(jì)壽命與主體設(shè)備相同，在我國(guó)一般為30年，如果軸承制造或安裝質(zhì)量不符合規(guī)范，軸承

2、壽命將會(huì)急劇下降，幾個(gè)月就會(huì)損壞，在特殊的事故情況下，甚至幾分鐘就會(huì)損壞，機(jī)組無(wú)法安全持續(xù)運(yùn)行。造成巨大經(jīng)濟(jì)損失或人身傷害事故，所以，軸承使用壽命更具有“重于泰山”的現(xiàn)實(shí)意義。1.1機(jī)組介紹CN30-8.83/（1.6）型汽輪發(fā)電機(jī)組由南京汽輪電機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司生產(chǎn)， 2011年11月出廠， 2012年11月安裝，2013年11月投產(chǎn)使用。 型式為高壓、單缸、帶非調(diào)整抽汽、冷凝式汽輪機(jī)組，配置QFJ-33-2型發(fā)電機(jī)。圖1為軸系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 2機(jī)組振動(dòng)分類機(jī)組振動(dòng)分類合理與否，直接反映了人們對(duì)振動(dòng)故障認(rèn)識(shí)的深入程度，而且對(duì)故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性，起著至關(guān)重要的作用。機(jī)組振動(dòng)分類見表1。表

3、1主要適用于汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)分析，其它轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械振動(dòng)可供參考。表1機(jī)組振動(dòng)的分類振動(dòng)性質(zhì)振動(dòng)類別振動(dòng)頻率 Hz振源相應(yīng)振動(dòng)波形強(qiáng)迫振動(dòng)普通強(qiáng)迫振動(dòng)f=n/60n-轉(zhuǎn)速（rpm）轉(zhuǎn)子不平衡離心力；固定式聯(lián)軸器不同心、不平直和軸頸不圓；不對(duì)稱電磁力近似正弦波高次諧波共振f=nK/60K=2,3,4引起普通強(qiáng)迫振動(dòng)三種振源的非基波分量正弦波分諧波共振f=n/60K電磁激振f=nP/60P-轉(zhuǎn)子磁極個(gè)數(shù)電磁力近似正弦波拍振f=(n1-n2)/60振動(dòng)頻率相近的兩種振動(dòng)的疊加包絡(luò)線是正弦曲線撞擊振動(dòng)f=nt/60t-在主軸上產(chǎn)生振動(dòng)的齒輪齒數(shù)齒牙沖擊力近似為脈沖波隨機(jī)振動(dòng)連續(xù)頻譜流體沖擊力和大部件松動(dòng)時(shí)的

4、沖擊力隨機(jī)波 自激振動(dòng)軸瓦自激半速渦動(dòng)f=n/120油膜力暫態(tài)：隨機(jī)波穩(wěn)態(tài)：正弦波油膜振蕩fnc/60nc-轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速參數(shù)振動(dòng)f=nP/60交變的擾曲引起的慣性力近似正弦波汽流激振f=nc/60汽流不穩(wěn)定力正弦波 是指振動(dòng)為單一形勢(shì)時(shí)的振動(dòng)波形，而不是指在軸承上檢測(cè)到的波形。3機(jī)組振動(dòng)情況3.1機(jī)組振動(dòng)歷史情況3.1.1 2013年11月9日發(fā)電機(jī)組第一次并網(wǎng)發(fā)電，運(yùn)行僅15分鐘，因4#瓦振動(dòng)大手動(dòng)打閘停機(jī)。 3.1.2 2013年11月16日10點(diǎn)，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后加負(fù)荷到1.77MW，發(fā)現(xiàn)瓦振較大，打閘停機(jī)過(guò)程中，汽缸出現(xiàn)激烈振動(dòng)。3.1.3 停機(jī)后，對(duì)4#瓦探頭更換，并緊固地腳螺栓，1

5、4瓦開瓦檢查修刮，于2013年11月27日開機(jī)，開機(jī)過(guò)程未出現(xiàn)振動(dòng)。28日由于振動(dòng)大停機(jī)，振動(dòng)曲線如圖2。3.1.4 2013年12月10日負(fù)荷加到9.9MW時(shí)，發(fā)現(xiàn)4#瓦振動(dòng)較大，并有上升的趨勢(shì)，汽機(jī)緊急打閘停機(jī)，停機(jī)過(guò)程中出現(xiàn)較大振動(dòng)。圖2機(jī)組2013年11月28日振動(dòng)曲線3.2振動(dòng)數(shù)據(jù)3.2.1試車期間不正常振動(dòng)停機(jī)部分參數(shù)見表2 表2 試車期間不正常振動(dòng)停機(jī)部分參數(shù)停機(jī)時(shí)間壓力MPa溫度進(jìn)汽量t/h負(fù)荷MW瓦號(hào)及最大振動(dòng) m停機(jī)方式4.48495.231.538.774# 165計(jì)劃滑停7.21477.511.970.90無(wú)瓦振計(jì)劃滑停6.07487.112.031.55無(wú)瓦振計(jì)劃滑停

6、4.85484.115.561.872# 77.0計(jì)劃滑停7.34525.943.019.94# 109自動(dòng)停機(jī)3.98454.910.210.59無(wú)瓦振計(jì)劃滑停5.35508.940.118.14# 81.8自動(dòng)停機(jī)2.64451.113.910.594# 96.0計(jì)劃滑停2.94466.020.591.494# 93.4手動(dòng)急停1.32367.924.1704# 74.6手動(dòng)急停 3.2.2振幅與頻率關(guān)系見表3表3 振幅與頻率關(guān)系4振動(dòng)故障診斷4.1故障診斷故障診斷是指研究人員在將實(shí)際機(jī)組的振動(dòng)現(xiàn)象、特征與樣本故障現(xiàn)象、特征進(jìn)行比對(duì)的過(guò)程中，采用了演繹推理中的反向推理思維模式，這種以故障源

7、為樣本進(jìn)行對(duì)比的思維方法，即為故障診斷，這種診斷故障的思維模式，一直延用至今。4.2軸承支撐動(dòng)剛度不足4.2.1振幅與激振力和支撐動(dòng)剛度的關(guān)系在線性系統(tǒng)中，部件呈現(xiàn)的振幅與作用在該部件上的激振力成正比，與它的動(dòng)剛度成反比，見式4-1： A=P/Kd （4-1）式中 A-振幅； P-激振力； Kd-部件動(dòng)剛度。對(duì)于每一類振動(dòng)而言，又可分為激振力和支撐動(dòng)剛度兩個(gè)故障原因，肯定和排除其中一個(gè)原因，便可以解決問(wèn)題。從理論上來(lái)講，減小分子和增大分母的效果是一樣的。4.2.2 #4軸承座動(dòng)剛度是機(jī)組軸系中的薄弱環(huán)節(jié)4.2.21軸承座軸向振動(dòng)機(jī)理提起軸承座的軸向振動(dòng)，我們很容易聯(lián)想到轉(zhuǎn)軸的軸向竄動(dòng)或沿軸方向

8、的振動(dòng)。事實(shí)上，當(dāng)轉(zhuǎn)軸沿軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)于支撐轉(zhuǎn)子的軸承來(lái)說(shuō)，由于軸頸與軸瓦之間處于液體摩擦狀態(tài)且軸頸沿軸向運(yùn)動(dòng)速度很小，其摩擦系數(shù)很低（0.02-0.03），因此傳給軸承座的軸向力微不足道，它不可能引起軸承座的軸向振動(dòng)，所以有些資料分析認(rèn)為發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子磁力中心偏差及轉(zhuǎn)子兩端風(fēng)壓不均衡，會(huì)引起軸承座的軸向振動(dòng)，是一種誤解。從大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐來(lái)看，絕大多數(shù)機(jī)組徑向振動(dòng)不大時(shí)，只要消除軸承座連接剛度不足的缺陷，即可消除過(guò)大的軸向振動(dòng)。眾所周知，物體在某一方向上力的直接作用下會(huì)產(chǎn)生位移。而當(dāng)作用力沒(méi)有通過(guò)物體重心或是物體支撐剛度不對(duì)稱時(shí)，物體會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，并在與作用力不同的方向上產(chǎn)生位移分量。這是造成

9、機(jī)組軸承座軸向振動(dòng)的主要原因；此外還有一個(gè)原因是軸向共振。4.2.22常見的4種軸承座軸向振動(dòng)情況一是軸頸承力中心點(diǎn)沿軸向周期性變化。由于轉(zhuǎn)子撓曲，永久彎曲或熱彎曲，在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下軸頸在軸瓦內(nèi)的油膜承力中心點(diǎn)將隨轉(zhuǎn)速周期性地沿軸向變化。由于軸承座和基礎(chǔ)組成的支承系統(tǒng)具有一定的彈性，在油膜承力中心點(diǎn)周期變化的作用下，軸承座將沿某一底邊發(fā)生周期性的軸向偏轉(zhuǎn)。即使軸承座固定螺絲很緊，這種現(xiàn)象也難以避免。當(dāng)軸承座連接剛度不足時(shí)，這種現(xiàn)象更為明顯。二是軸承座支承剛度不對(duì)稱。軸承座支承剛度不對(duì)稱一般是軸承座局部不穩(wěn)定引起的，特別是二次灌漿局部松裂，軸承座與臺(tái)板局部結(jié)合不良，這種現(xiàn)象在發(fā)電機(jī)軸承上較為常見，這

10、是由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子剛性較差，運(yùn)轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)子在撓曲力的作用下軸承座臺(tái)板的二次灌漿承受了較大的交變應(yīng)力。三是激振力投影點(diǎn)與軸承底座幾何中心不重合。激振力投影點(diǎn)與軸承座軸向中心不重合，即使支承剛度對(duì)稱在徑向激振力作用下，軸承座也會(huì)產(chǎn)生軸向偏轉(zhuǎn)。四是軸承座軸向共振。當(dāng)軸承座軸向自振頻率與轉(zhuǎn)子工作頻率接近或成整數(shù)倍時(shí)，軸承座會(huì)產(chǎn)生軸向共振。這種現(xiàn)象較容易發(fā)生在軸承座寬度較小的發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁機(jī)軸承上，特別是當(dāng)軸承座、臺(tái)板、基礎(chǔ)間連接不穩(wěn)固時(shí)更容易發(fā)生。4.2.23機(jī)組#4軸承座動(dòng)剛度不足的分析結(jié)合前兩節(jié)的理論分析，查閱廠家圖紙，本機(jī)組軸系共有4個(gè)軸承，3個(gè)支撐架，見圖1，前兩個(gè)支撐架的墊鐵外形尺寸及塊數(shù)為210&

11、#215;110×9=0.21 m2，而#4軸承座的為100×100×10=0.1 m2， 后者為前者的一半，#4軸承座支撐剛度相對(duì)不足。另外在安裝過(guò)程中，后軸承座上裝設(shè)有絕緣板，多2層鐵板墊，因此降低了支撐剛度。實(shí)際中也證明，在多次振動(dòng)測(cè)量中，#4軸承座軸向振動(dòng)最大達(dá)（0.03-0.04mm）,其他方向及軸承座的振動(dòng)僅為0.02mm以下。4.3軸承座激振力分析由表3可知，軸承振動(dòng)主要分布在0.5X和2X倍通頻，對(duì)比表1得知，主要是半速渦動(dòng)和電磁激振兩種振動(dòng)。電磁激振在“軸承座軸向振動(dòng)機(jī)理”一節(jié)中已講過(guò)影響甚微，但在實(shí)際過(guò)程中，每次開機(jī)增加勵(lì)磁之前，振動(dòng)都良好，增

12、加勵(lì)磁之后振動(dòng)才隨之增大，是以作為原因之一處理。本機(jī)組是余熱發(fā)電機(jī)組，負(fù)荷及進(jìn)汽參數(shù)受上道工序影響極大，如負(fù)荷階躍就很頻繁，每天10-15次，負(fù)荷階躍是指每分鐘升降10%的額定負(fù)荷，由于負(fù)荷急劇變化，引起軸向推力的大幅變化和軸系不穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子受熱變化彎曲度改變，軸向振動(dòng)過(guò)大引起垂直（測(cè)點(diǎn)）振動(dòng)大停機(jī)。5對(duì)策實(shí)施5.1增加#4軸承支撐動(dòng)剛度5.1.1 2013年11月，緊固4個(gè)軸承地腳螺栓，加大4#瓦軸承壓蓋緊力0.05mm至0.09mm。5.1.2 2013年12月11日用2根木棒頂住4#軸承座和勵(lì)磁罩之間，增加支撐剛度及改變軸承座自振頻率，2014年2月后改用具有一定彈性的100的2根橡

13、膠棒支撐，見圖3。5.1.3 考慮到振動(dòng)對(duì)汽機(jī)島及人員的傷害，2013年12月23日停機(jī)后，由甲方主持，設(shè)計(jì)院出圖，土建施工單位對(duì)勵(lì)磁小間橫梁等進(jìn)行加固，見圖4。圖3 膠木棒支撐 圖4 勵(lì)磁小間加固5.2調(diào)整磁場(chǎng)中心 2013年12月10日汽機(jī)緊急打閘停機(jī)，停機(jī)過(guò)程中出現(xiàn)較大振動(dòng)。并在發(fā)電機(jī)尾部出現(xiàn)異響，懷疑發(fā)電機(jī)制造缺陷，停機(jī)后，廠家人員到現(xiàn)場(chǎng)檢查設(shè)備，查找異物，調(diào)整磁場(chǎng)中心，發(fā)電機(jī)定子向汽輪機(jī)端移動(dòng)1.5mm。5.3其他措施5.3.1 針對(duì)半速渦動(dòng)，2013年11月和2014年1月停機(jī)期間，檢查、修刮各軸瓦，調(diào)整安裝間隙，調(diào)整潤(rùn)滑油溫度、壓力，油循環(huán)過(guò)濾，檢驗(yàn)合格。5.3.2 經(jīng)過(guò)對(duì)多次振

14、動(dòng)大停機(jī)的統(tǒng)計(jì)分析，得出運(yùn)行中負(fù)荷階躍、啟動(dòng)升溫過(guò)快和停機(jī)降溫過(guò)快，#4瓦最先振動(dòng)。部門討論制定應(yīng)對(duì)措施，要求上一道工序穩(wěn)定工況，有效控制沖轉(zhuǎn)前主蒸汽參數(shù)、停機(jī)負(fù)荷、停機(jī)壓力、上下缸溫差，特別是在停機(jī)時(shí)，取得了很好的效果。5.4效果檢驗(yàn)2014年2月8日開機(jī)，開機(jī)過(guò)程中及帶負(fù)荷之后振動(dòng)都小于0.02mm，自此之后，未發(fā)生過(guò)超標(biāo)振動(dòng)，保證了汽輪發(fā)電機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，根據(jù)我國(guó)電力工業(yè)技術(shù)管理法規(guī)中的軸承振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，振動(dòng)值達(dá)到優(yōu)秀。6結(jié)論6.1當(dāng)作用力沒(méi)有通過(guò)物體重心或是物體支撐剛度不對(duì)稱時(shí)，物體會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，并在與作用力不同的方向上產(chǎn)生位移分量。這是造成機(jī)組軸承座軸向振動(dòng)的主要原因；此外還有一個(gè)原因是軸向共振。6.2本機(jī)組#4軸承軸向振動(dòng)大的主要原因是軸承座支撐動(dòng)剛度不足，次要原因是電磁激振和負(fù)荷階躍。6.3停產(chǎn)大修時(shí)，應(yīng)徹底檢查發(fā)電機(jī)后軸承各接觸面等安裝問(wèn)題，以增強(qiáng)軸承座的支撐剛度，改善軸承振動(dòng)情況。6.4本文所