高速交流牵引电机振动问题分析

洪凤平， 陈超玉， 郑宇华， 王长江

(南车株洲电机有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引 言

由于电机转子中心惯性轴线与回转轴线并不完全重合，旋转时将产生惯性力，对支撑处的轴承产生动压力从而引起电机振动。高速交流牵引电机的额定运行速度约4140r/min，最高运行速度可达6120r/min，电机振动会加剧轴承与轴颈的磨损，造成轴承早期失效甚至抱死，给高速铁路的安全运营带来极大隐患。因此，分析及解决高速交流牵引电机振动问题对于确保高速铁路持续可靠运营具有重要意义。

1 电机概述和振动特点

4台300kW高速交流牵引电机于同一批次生产，组装后在试验台进行出厂试验的振动试验项目中，转速2000r/min以内振动平稳。当转速达到3000r/min后，传动端及悬挂部位振动速度出现超标。转速达到3600r/min及以上时，轴向、径向及悬挂部位振动开始整体上升。其中，传动端水平向及悬挂端轴向振动速度上升明显。图1是按照《GB 10068—2008 轴中心高为56mm及以上电机的机械振动 振动的测量、评定及限值》，置于弹性垫上的测量点示意图。

图1 振动速度测量点

图中，1、2、3点分别表示传动端轴向、径向水平方向及垂直方向，4、5、6点分别表示非传动端轴向、径向水平方向及垂直方向，7、8、9点分别表示悬挂端轴向、径向水平方向及垂直方向。

表1选取了其中2台电机在3000r/min及6000r/min 时的振动速度数据。

表1 2台300kW高速交流牵引电机振动数据 (单位： mm·s-1)

2 诊 断

2.1 电气原因

电机振动在电磁方面的原因如下： (1) 三相电压不平衡；(2) 转子笼条断裂；(3) 三相电流不平衡，各相电阻电抗不平衡；(4) 电机自身设计缺陷，定转子配合问题。

2.2 机械原因

高速三相异步电动机发生剧烈振动时通常在机械方面的原因主要有以下几种情况： (1) 电机转子动平衡不良；(2) 轴伸弯曲；(3) 轴承中心不正；(4) 轴颈、轴套配合紧力不够，引起轴承跑内圈，轴承跑外圈；(5) 轴承间隙过大；(6) 其他机械部分引起。

从实际的检测结果发现，电机振动增大后，电机电压及电流并无明显变化，电机本身也无发热等现象，排除电气故障原因，初步诊断为电机自身机械方面引起。

同时，电机转子平衡块检查无异常，组装后的轴承游隙约0.025mm，转轴跳动量小于 0.04mm，检查电机底角及轴承座固定螺栓，均无松动迹象。用听诊器倾听两侧轴承声音，也未见异常。

但是，在该型电机基础上改进的350kW高速交流牵引电机，各转速下振动速度却无异常。

3 振动分析

3.1 问题查找

通过详细比对分析，除线圈匝数增加、铁心加长外，该两种型号电机在转轴锥度部位也存在一定差异。350kW电机转轴与联轴节采用的是纯锥度配合，锥度为1/50。300kW电机转轴与联轴节采用的是锥度加键的配合形式，锥度为1/10，转轴上存在一个键槽。

为验证转轴键槽所引起的不平衡量对电机振动是否存在较大影响，根据《GB/T 16908—1997 机械振动 轴与配合件平衡的键准则》中半键准则，在键槽部位安装了一个仿轮廓形半键(即动平衡用半键)后，重新对该4台电机进行振动试验。表2再次选取了先前2台电机安装半键后3000r/min 及6000r/min时的振动速度数据。

从数据中可看出，安装半键后的2台电机振动速度均在限值以内，对另外2台电机进行的前后对比试验中，也同样得出相同结论。因此，可初步判断，转轴键槽所引起的不平衡量是造成电机振动的主要原因。

表2 安装半键后的振动数据 (单位： mm·s-1)

3.2 振动微分方程建立

图2 不平衡转换图

他们引起的电机垂直方向振动的分量为Fp=Fsin(ωt+φ1)和Tp=Tsin(ωt+φ2)。根据牛顿运动定律和转动方程式，Fp和Tp初相角为零时，电机在X-θ坐标系(θ为电机前后绕重心上下旋转的角度，逆时针为正)的振动微分方程式如下：

IÖ-(k1f1-k2f2)x+(k1f1+k2f2)θ=Tsinωt

当电机轴向对称时，即有l1=l2=l/2，d1=d2=d/2，r1=r2=r，f1=f2=f/2，k1=k2=k/2，可求得2、5点的振速幅值。其中，l1、l2分别为电机重心到2、5点的距离。

V2.5=-(m1±m2)rω/M∓(m1∓m2)rdlω/4I

正负号上下(前后)分别用于2、5测点的振速。

对于该4台轴伸端存在键槽的电机，属于单面不平衡情况，振速幅值算式可进一步简化，从而得到：

V2.5=-m1rω/M∓m1rdlω/4I

转子的转动惯量可参照圆柱体的转动惯量算式I=mr2/2进行计算。其中，r为圆柱体半径，m为圆柱体重量。

表3列出了键槽引起的不平衡量造成的电机振动的计算值与试验值。从表中可看出，测点2与测点5振速的计算值与试验值十分接近。但由于计算值没有考虑轴承、电磁以及动平衡后残余不平衡量的影响，计算值与试验值整体存在一定的偏差。

表3 键槽不平衡量引起的电机振动值

图3、图4、图5分别示出了无半键时，4台电机测点2、5、1的振速随电机转速不断提高的变化情况。图6、图7、图8分别示出了安装半键后，4台电机测点2、5、1的振速随电机转速不断提高的变化情况。

图3 4台电机测点2振动速度变化曲线(无半键)

图4 4台电机测点5振动速度变化曲线(无半键)

图5 4台电机测点1振动速度变化曲线(无半键)

图6 4台电机测点2振动速度变化曲线(有半键)

图7 4台电机测点5振动速度变化曲线(有半键)

图8 4台电机测点1振动速度变化曲线(有半键)

3.3 分析结论

(1) 转子轴伸端键槽所引起的不平衡是造成电机振动的主要原因。通过设计专门的仿轮廓半键工装安装至键槽内，填充键槽造成的转子不平衡量，电机振动超差问题得到解决。

(2) 对于键槽一类的单面不平衡情况，不平衡量发生端的振动值要明显大于另一端，与振动微分方程的推导过程分析相一致。

(3) 从推导得出的振速算式可看出，除角速度外，转子两校正平面的不平衡量、不平衡半径、电机质量等其他参数均为定值，因此振动速度与旋转角速度实际应当呈线性关系，与图2测点2的振动速度变化取线相吻合。

(4) 从图4、图5的振动速度曲线可看出，在1000～3000r/min转速范围内，电机非键槽端径向及键槽端轴向振动速度并未与角速度呈现线性关系，这是由于转动惯量I的计算值偏小、振动主要受电磁、轴承等其他因素影响造成，这也是表3中测点5在转速3000r/min时振速与计算值偏差较大的原因。当转速高于3000r/min后，振动速度与角速度开始呈现明显的线性关系，由键槽引起的不平衡量对振动逐渐起主导作用。

(5) 在以往的不平衡量对电机振动的影响分析文献中认为，转子残余不平衡量是电机径向振动的主要原因。但是，从图5测点1电机转子键槽端轴向的振动速度变化曲线中可看出，电机轴向振动速度在转速高于3000r/min时，与角速度也开始呈现明显的线性比例关系。由此说明，对于转轴锥度小、键槽倾斜度大的电机，其键槽部位不平衡量所形成的离心力不再完全垂直于电机旋转轴线，而是存在一定的倾斜角度，形成轴向方向的激振力分量，从而对电机轴向振动造成影响，其也同样可以通过振动微分方程进行分析计算。因此，在类似该类型电机的轴向振动分析过程中，不能单纯考虑轴承径向游隙及轴向尺寸累计误差等因素。

4 结 语

高速交流牵引电动机是轨道牵引动力的来源，是动车组最重要的部件之一，其可靠性直接关系到车辆能否正常运行，而电机振动更是直接影响轴承的使用寿命乃至电机的运行安全。本文对于振动问题的分析同样适用于其他由于残余不平衡量引起的电机振动。

【参考文献】

[1] 张效良.由旋转不平衡引起电机振动的计算[J].电机技术，1989(2)： 12-16.

[2] 陈明.残余不平衡量对电机振动的影响[J].防爆电机，1994(2)： 8-12.

[3] 刘喜庆.转子不平衡引起的轴承与轴颈碰摩[J].电站系统工程，1994(5)： 3-9.

[4] 马立群，李成花.电厂引风机电机振动值超标分析处理[J].机电信息，2011(9)： 72.