YLST500-4电机变频改造后振动原因分析及处理

沙角A电厂 刘永生

1 引言

随着国家能源战略的深入，很多电厂对定速运行、节流调节导致功耗较高的凝结水泵电动机进行变频改造[1]，达到了良好的节能效果。某电厂330MW 汽轮机组配置凝结水泵组变频改造后取得较好经济性能，但是泵组配置的YLST500-4电机长期运行中在低转速区域电机上机架振动异常增大，导致水泵无法在低速区域经济安全运行。本文通过对该案例振动成因进行了探讨分析，并提出了解决问题的方法，为类似变频改造后电机产生的振动问题处理提供参考。

2 案例设备概括

某电厂汽轮机组为上海汽轮机生产的N300-170/537/537汽轮机组，配置有2台100%容量的沈阳水泵股份有限公司生产的9LDTN-6-A 凝结水泵组。凝结水泵是6 级叶轮的立式筒袋型离心泵[2]，水泵组转子重量和运行中产生的轴向力由设置在电机上部机架内部的推力瓦轴承承担。水泵组配用拖动电机是湖南湘潭电机厂80年代生产的立式异步电动机，型号为YLST500-4，额定转速1487r/min，功率1000kW。

随着电机变频节能技术的逐渐成熟，某电厂#5机B凝结水泵电机于2015年进行变频节能改造，改造后机组系统实现节能降耗，具有良好的经济性。

虽然改造取得良好节能效果，但变频改造后的凝结水泵电机在28～35Hz 频率区域出现了大幅值振动。在分析机组正常运行最小负荷下的凝结水泵最小流量及最小扬程的需求后，设定电机工作频率区域为35～48Hz，凝结水泵组可以在合格的振动幅值范围内正常运行。但是在设备运行中仍然发现凝结水泵电机出现振动幅值缓慢爬升的现象，凝结水泵电机在工作频率区域35～38Hz 出现较大的振动幅值，最高达0.32mm，电机上机架中的推力轴承各瓦块温差达8℃以上，无法继续在变频条件下安全运行，此时改造前凝结水泵轴承振动测量报表见表1。

表1 改造前凝结水泵轴承振动测量报表

3 振动原因分析

凝结水泵电机长期以来转速进入下限频率区域时存在上机架振动超标问题，迫切需要及时采取可靠的措施进行减振处理，以保障设备的经济、可靠、安全地运行。

参照电机在运行中劣化的各种表现形式，结合电机的结构图纸、设备台账等，对导致泵组振动的劣化成因进行深入调查和分析，如凝结水泵基础平台发生沉降现象、电机箱体刚度下降、电机定子和转子绝缘变差、现存检修工艺存在缺陷等问题，最终分析出导致泵组振动加大的原因是上机架刚度不足。

YLST500-4型电机上机架结构如图1所示，电机转子由安装在上、下机架轴承室内的32000 系列滚子轴承和6000系列滚动轴承联合定位固定。双滚动轴承配置结构的主要作用是承受电机径向力，确保转子轴线始终与电机箱体保持同心。电机上机架内安装有推力瓦轴承，承担泵、电机转子重量和水泵组运行中产生轴向推力。

图1 YLST500-4型电机上机架结构

双滚动轴承与推力瓦轴承联合设计结构的立式电机具有滚动轴承的优缺点。减振能力差的特点，决定了电机的安装精度要求较高，表现为电机装配过程对泵组整个轴线摆动度、垂直度要求高。具体包括有3 个方面：一是水泵基础台板机架水平度要求较高。电动机箱体不垂直，将可能使双滚动轴承或上机架盖板径向承载超限，因此基础台板机架法兰水平度应小于0.02mm/m。二是推力轴承镜板水平度要求较严格[3]。如果镜板水平不合格，将导致推力轴承的各推力瓦块受力不均匀而超温和电机轴摆度过大。由于两端盖板的滚动轴承抗振性较差，容易因此诱发大幅振动，为此要求镜板面安装水平度小于0.02mm/m。三是转子轴线与箱体垂心线重合度要求精确。该类型的电机承担水泵转子的重量和轴向力，为此电机轴与泵轴连成一条轴线。电动机箱体内两端滚动轴承与箱体动静间隙很小，为防止整条轴线摆度过大，电机滚动轴承承受的冲击力过大，甚至造成动静部分碰磨，要求电机转子轴线竖直度为0.02mm/m。其中水泵基础台板机架水平度与转子轴线与箱体垂心线重合度安装要求互相影响，因此本电机装配条件要求比较严苛，上述某一条件不满足就有振动突增的风险。

在检查电动机的轴摆度时发现电动转子空转时摆度合格，但当电动机与水泵对中完并连接上联轴器后，再次检查摆度不合格，此时拆开上机架检查孔检查推力轴承的各推力瓦有松动现象，主要原因是电机上轴承支架盖板存在平面变形缺陷，进一步检查发现缺陷在本厂同类电动机上普遍存在。深入论证分析可能与厂家的设备使用说明书的检修步骤说明不完善和多年来检修程序存在瑕疵有关，具体有以下几点。

一是设备说明书的检修步骤说明不完善。电机设备说明书的检修步骤要求先严格找正推力镜板水平使电机转轴竖直，然后直接组装盖板和径向滚动轴承。这种组装方法没有考虑到电机自身结构在长期运行中存在箱体和连接法兰变形、转子弯曲等问题，直接按推力镜板找水平得到的电机转轴竖直线与两端滚子轴承定位的轴线将产生较大的偏差。

二是检修程序存在瑕疵。检修程序没有综合考虑到电机转子和水泵转子连接成一条弯曲轴线时产生的变化。泵组台板在运行中无可避免地产生沉降，检修时轴间对中存在误差或其他原因都将使电机基础水平发生了变化且难以纠正，泵组整个轴线将发生偏斜现象。

原有的装配方法将使电机转轴线与物理垂线不重合，即电机箱体两端盖板的径向滚动轴承定位的电机轴和按物理竖直线调整的推力瓦水平面不垂直。这个不垂直量的产生将使运行中凝结水泵电机推力轴瓦上的各个瓦块受力不一致，导致推力轴承内个别推力轴瓦温度较高，推力轴瓦温差变大。按照反作用定理，上机架盖板和滚动轴承也承受较大的交变应力和比上机架刚度设计值大得多的转动惯量。长期承受超标载荷的轴承组振动将逐渐增大，承受冲击力较大的上支承盖板产生挠性变形，使电机承载能力下降，导致电机振动幅值逐步放大，进入恶性循环。

4 改进方案

凝结水泵基础是较大型的建筑工程，因此凝结水泵基础在长期运行发生沉降后，重新调整泵的基础台板水平是一项经费支出较高、工程量大、工期长的工作，对电厂维护检修工作是较沉重的负担。根据目前现场条件，要维持凝结水泵长期安全正常运行，同时满足电机在变频节能改造后的运行条件，只能加强该类型电机的箱体与上机架刚度，实施现场动平衡校正从减少电机激振力着手。但实施现场动平衡校正只能减少剩余不平衡量导致的激振动现象，不能彻底解决泵组长期运行中存在共振动问题，因此必须改造电机上机架或箱体结构，增加刚度，改进电机组装工艺，充分利用滚子轴承的自调能力，减少基础沉降对电机冲击力的影响。

4.1 消振改进采取的方法

改进电机盖板，增强上机架的刚度。不改动电机整体结构，更换原有已变形的盖板，重新设计一个增加1 倍厚度的新盖板，新盖板增加两个调整推力头镜板水平用的检修孔，各观察孔和检修孔间加焊肋条增强，以增加盖板承受径向载荷能力。改进时要注意校正上下轴承中心孔连线和电机箱体中心线的同心度合格。对凝结水泵电机上机架进行加厚盖板改造，达到提高上机架刚度、增加电机承受冲击载荷的能力。改善电机检修装配流程，安装时始终确保电机轴线与推力镜板垂直，减少电机运行中的激振力，达到消振的目的。新装配工艺方法如下。

一是先置入推力轴承并调整好高度，转子重量转移到推力轴瓦上，粗调整镜板水平，装复推力头等。二是安装上盖板径向轴承和上盖板并紧固好连接螺栓。三是打开盖板上的全部观察孔，推动各推力轴瓦检查松紧情况，依据推力瓦受力情况调节推力轴瓦支柱螺栓，顶高或放低推力轴瓦，使各推力轴瓦受力均匀。四是把电机轴分为8 等份，转动电机轴在各点停下检查各推力轴瓦松紧情况，顶高或放低推力轴瓦，使各推力轴瓦受力均匀。五是盘动电机转轴几圈，依步骤三调整，直至推力轴瓦在整圈各点推力轴瓦无松动为止。六是完成上述工作后，检查电机轴摆度合格，为连接泵轴做好准备。

经检修单位安装人员确证，上述安装过程步骤简单易行，推力瓦接触情况也比较真实，只需要电机轴弯曲和泵组对中合格基本可以保证整个轴线摆度合格。通过上述简单工艺流程改进方案，以较低的成本减少凝结水泵电机轴承组在泵组基础发生沉降时承受的冲击力，防止电机刚度在运行中劣化，确保电机保持长期、安全、节能地运行。

4.2 改进后分析对比

安装好的#5 机B 凝结水泵组根据机组运行需要标定凝结水泵最低变频转速为1060r/min 后投入运行进行检验。B 凝结水泵组电机振动测量结果显示效果显著，最大振动幅值不大于0.025mm，电机推力瓦温最大温度不大于50℃，各瓦温差不大于2℃，各参数都达到优秀值。此时B 凝结水泵组电机改进后凝结水泵轴承振动测量报表见表2。

表2 改进后凝结水泵轴承振动测量报表

至此，在不增加检修工艺复杂性、工作量情况下，#5 机B 凝结水泵电机通过加装改进型盖板、改进检修工艺，泵组在运行中上机架最大振动幅值从0.32mm下降至0.025mm，下降幅度超过92%,各推力瓦温差下降7℃，下降幅度超过77%，水泵组运行条件改善程度显著。

5 结论

研究人员通过对各种立式泵和电机检修中的实践和摸索，打破固有理念，从现场实际情况出发，解决立式泵电机调整推力瓦平面与电机两端盖板径向轴承中心线垂直度调整、立式泵转轴与电机轴连接的摆度问题的工艺方法，通过加厚盖板提高电机上机架刚度解决了长期影响机组可靠性的凝结水泵电机变频运行振动大的问题。此次改造项目的成功满足了机组提高长期安全性运行要求，为类似变频改造后电机产生的振动问题处理提供参考。