电机振动特性测试安装条件研究

刘金旭 丁天慧

（中国船舶重工集团公司第712研究所， 武汉 430064）

安装条件对电机的振动测量结果有很大的影响，在设备的振动测量、评定试验中，相关国家标准对设备的安装条件都有明确的要求。例如GB10068-2000《轴中心高为 56 mm及以上电机的机械振动 振动的测量、评定及限值》[1]中，要求“将电机悬挂在弹簧上或安装在有弹性的支撑件（弹簧、橡胶垫等）上”。如果条件不允许，设备刚性安装时，要求“在电机底脚上（或在座式轴承或定予底脚附近的底座上）的水平与垂直两方向所测得的最大振动速度应不超过临近轴承上沿水平或垂直方向测得的最大振动速度的25%”。

在行业标准里，对振动测试试验中设备的安装条件也给出了明确要求。例如 GJB4058-2000《舰船设备噪声、振动测量方法》[2]要求“设备与基础之间应采用弹性安装方式，隔振器宜选用安装实际隔振器；若无条件实现实际隔振器安装，可选用其他隔振器，但隔振器的数量、安装位置和动刚度间的匹配应接近实际使用情况”等等。

然而，在实际中，由于现场条件限制，试验场地的安装条件和标准的规定是有一定差距的。试验中常发现，相关振动测试标准虽然规定明确，但是实际工作中却难以操作[3]。

本文通过对设备-隔振器-安装基础的系统振动特性进行理论分析，提出了用隔振器的隔振效果来评价弹性安装条件是否影响到设备振动特性测试的评价方法。并针对一台风机在不同的隔振器安装条件下的振动特性进行了相关试验，试验结果表明，用隔振效果来评价安装条件对设备的振动特性测试的影响是合适、方便易行的。

1 电机振动的系统分析

1.1 电机的振动特点

引起旋转电机振动的因素很多，按振动本身的性质可以分为强迫振动、自激振动等；按激励源的物理性质可以分为机械激振、气体与流体动力激振以及电磁力激振等；按振动的频域特性可以分为同步振动和亚同步振动。同步振动在频域表现为回转频率及其倍频。亚同步振动在频域表现为分数谐波和低频有色噪声。各种振动分量的特征频率可以表示为：

式中：f：电机设备机械振动特征频率，Hz；n：转子旋转速度，rpm；k：谐波频率倍数。

谐波频率倍数k与振动源的特性相关，同步振动情况下k＞1，在少数亚同步振动数情况下k＜1。在设备正常运行没有振动故障的情况下，谐波频率倍数k≥ 1，且为整数。

1.2 系统振动响应分析

振动分析的参数主要为振动位移x、振动速度v、振动加速度a，同频率三者的幅值关系为：

式中：ω：振动角频率。

各类振动均可以通过振动FFT线谱图测试。

电机振动响应的分析可简化成单自由度系统的振动响应分析。单自由度的系统如图1所示。

图1 单自由度系统

对单自由度系统，运动方程为[4]：

设激励力F(t)的表达形式为：

则系统的稳态响应为：

其中：

式中：ωN：系统的固有角频率。

在复频域，系统的幅频响应为：

系统的动力传递率TF：

其中F’0为设备通过隔振器向基座传递的力，F0为设备本身的激励力。

设备的振动速度隔振效果为：

设备的隔振效果为：

其中X1、V1、a1为设备的振动位移、速度、加速度；X2、V2、a2为基础的振动位移、速度、加速度；

对于不同ω/ωN下，动力传递率TF、振动速度隔振效果TV、振动加速度隔振效果Ta见表1。

表 1 TF、TV、Ta与 ω/ωN的关系

表1可见，当ω/ωN＞3时，频率为ω的激振力传递到安装基础的已经很小，实际上相当于频率为ω的振动为自由边界，此时设备的振动量级基本反映了设备本身的振动特性。

对于正常安装运行的电机，如果振动速度的隔振效果TV≥ 8倍时，可以认为此弹性安装条件下振动速度为自由边界条件，测量结果能够很好反映设备的振动速度特性；振动加速度一般是高频分量占主要成分，这时ω/ωN远大于3，测量结果基本上都可以反映设备的振动加速度特性。所以可以将振动速度作为优先考虑条件。

即在实际测试试验中，可测量隔振器上、下的振动速度的综合平均值，如果

则可以认为此弹性安装条件是可行的。

其中：

x,y,z：分别为传感器的轴向、水平方向、垂向。

2 电机振动特征频率分析

电机振动特点[5]如表2所示。

表2 电机振动一般特征频率

电机振动量级的测试试验中一般测量振动速度和振动加速度，振动速度反映了设备中、低频的振动特性，振动加速度一般反映了中、高频的振动特性。电机隔振器的设计中，一般保证隔振器的固有频率低于设备固有频率的1/2 ～ 1/3，这样振动测量中，振动速度易受隔振器的影响，而振动加速度一般不易受隔振器性能的影响。

3 安装条件评价试验验证

3.1 试验平台

试验平台如图2，电机Pn=7.5 kW，旋转速度n=1493 rpm，重量m1=85 kg，风扇为10片叶片，重量m2=25 kg，隔振器型号如后试验数据。试验平台如图2所示。

测点布置在隔振器上下，只测量垂向振动。

3.2 试验结果

不同的隔振器安装条件下振动测试结果如表3所示。对比各种隔振器安装条件下，振动测试结果基本符合上述论述。

图2 试验设备布置及测点图

4 结束语

通过本文分析可得到如下结论：

1）电机在弹性安装条件下，隔振器的隔振效果用振动速度描述，当TV=V1/V2＞8时，测试的振动速度、加速度基本能反映设备的固有振动特性；

2）由于振动加速度不能完全反映设备的低频振动特性，不宜以振动加速度作为评价安装条件是否可靠的评定指标；

3）设备弹性安装条件下的振动量级测量，隔振器的性能对振动速度有一定影响，而对振动加速度影响甚微。

表3 试验测试结果

[1] GB10068-2000, 轴中心高为56 mm及以上电机的机械振动 振动的测量、评定及限值.[S].2008.

[2] 国防科学技术工业委员会. GJB 4058-2000 舰船设备噪声、振动测量方法.[S] 2000-06-15发布.

[3] 原春晖, 朱显明. 舰艇机械设备噪声振动特性的测试方法. 舰船科学技术,增刊 ,2006(2):28.

[4] 杨建刚. 旋转机械振动分析与工程应用[M]. 中国电力出版社，2007.7.

[5] 陈永校, 褚志强, 应哲成. 电机噪声的分析和控制.浙江:浙江大学出版社，1987.6.