主动力功率不匹配对设备振动的影响

张笑如 张 辉

(1.南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏南京，210037；2.亚洲浆纸金东纸业(江苏)股份有限公司，江苏镇江，212132)

现代化造纸机械具有大型化、高速化、连续化、结构与运行复杂、科技含量高等特点，因此，其运行过程的监测与维护要求与航空、发电等重要机械相当。机械振动是所有机器系统运行时普遍存在的现象，但长期且较大幅度振动对设备功能的可靠性和寿命有显著影响。在现代化造纸机械的状态监测与故障诊断过程中，常遇到无名大幅振动(非零部件故障振动)。与故障振动相比，无名大幅振动的原因剖析难度更大，也是状态监测技术的重要难题之一。通常，机械在正规设计时是按照需要的传动功率进行匹配设计，但在生产现场中，因为技术改造等因素考虑不周或备品缺乏而寻找替代品时，往往忽略了功率匹配的重要性。笔者基于在长期的生产线设备振动监测中，跟踪研究无名大幅振动，并通过理论原理分析和诊断实例验证探讨了主动力功率不匹配对设备振动的影响。研究发现，主动力功率不匹配会造成设备振动幅度大、噪音大或温度异常，甚至对运行设备造成直接损害。

1 功率匹配与机械振动原理

1.1 功率匹配

(1)功率匹配的概念

通常，机械设备的驱动是由电动机实现的。电动机的输出功率在负载设备额定功率的最佳工作点或最佳工作区被称为功率匹配；偏离该点或该最佳工作区被称为功率不匹配。

(2)功率匹配的设计

以泵为例说明如何选择功率匹配。泵轴功率是电动机传给泵的功率，每台泵在出厂时都会提供设计点(特定流体、流量和扬程)的泵轴功率以供配电机参考。在实际运行时，考虑到泵的工况点变化及电动机输出功率因功率因数关系带来的变化，电动机传给泵的功率应有一定余量。根据理论研究和实践验证，通常的经验作法是电动机输出功率大于泵轴功率，其余量(即电动机实际输出功率与泵轴功率的比值)见表1，并根据国家标准Y系列电动机功率规格选配。

表1 电动机实际输出功率与泵轴功率的比值

根据API 610标准，电动机的额定功率至少应按照下面给出的额定条件下功率的百分数配备，即电动机铭牌额定功率(N)与泵额定功率之比的百分数(y)：当N≤22 kW时，y为125%；当N为22～55 kW时，y为115%；当N>55 kW时，y为110%。

1.2 功率不匹配引起机械振动的原理及影响因素

功率不匹配就会造成“大马拉小车或小马拉大车”。对于风机和泵等输送流体设备而言，功率不匹配不仅是能耗问题，而且造成电动机的输出功率不在负载设备额定功率的最佳工作点或最佳工作区，使泵或风机输出的压力和流量无法与负载压力及流量相适应，从而影响系统效率。根据物理学与机械传递力学理论，功率不匹配会使传动设备与被传动设备体量差异过大，进而影响惯量匹配；而惯量不匹配意味着动量传递不好；动量传递不好就会产生冲击、振动、松动等现象，造成电动机和负载惯量轻的运动不平稳，容易产生大的振动，有时还会发出撞击声。

2 研究手段及其技术原理

2.1 研究手段

美国CSI离线振动监测系统包含监测软件和测量硬件。其中，监测软件为CSI RBM软件，该软件靠多个功能模块对设备状态进行管理，建立的各个厂区设备的数据库存于该软件平台中(见图1)。软件有存储数据、修改数据库、记录趋势、路径传输、分析频谱等诸多功能。监测人员利用该软件实现设备离线振动监测和精密分析诊断。

图1 CSI RBM软件中树状设备管理

测量硬件采用美国CSI 2120和CSI 2130机械振动分析仪(见图2)。这2个分析仪是非常成熟的便携式离线振动检测仪器，均可以同时显示振动数值和振动频谱，可进行机上简易分析。所以，监测人员能在现场做初步状态诊断，待数据传回计算机后又能做精密诊断。CSI 2120和CSI 2130机械振动分析仪各自由专门的软件程序驱动，程序装入后，仪器便能正常使用。通常，监测人员背着仪器并拿着有传输线和卡口连接的传感器到现场采集设备振动信号。

采用瑞典FLIR红外热像仪ThermaCAM P65(见图3)并辅助ThermaCAM Reporter 7.0专业版分析报告软件进行热点检测故障诊断。

图2 CSI 2120(左)与CSI 2130(右)机械振动分析仪

图3 ThermaCAM P65红外热像仪

2.2 研究手段的技术原理

在振动的随机信号中提取设备故障的特征频率，利用离线振动监测系统的时域波形、时域分析、经快速傅里叶变换FFT转换后的振动频谱等频域分析及频谱对比进行研究。

红外热像仪可根据物体发出的红外线辐射进行测量和成像。根据辐射与物体表面温度存在函数关系的原理，红外热像仪可以计算并显示出被跟踪对象的温度和温度场分布。

3 功率不匹配引起设备振动的诊断

3.1 纸机干燥段润滑油站供油泵振动诊断

P02G52-P03是某纸厂2号纸机(PM2)干燥段润滑油站的1台供油泵。2005年12月20日，故障诊断人员用CSI 2120机械振动分析仪定期检测PM2 的B类泵时发现SIMENS电动机振动频谱的中低频区有大量1X转速频率谐频(松动特征)，高频区存在轴承跑外圈特征频率(轴承故障特征)，综合分析判断为电动机轴承跑外圈，建议计划停机时检修电动机。电动机尾端水平径向测点低频区及高频区的频谱图分别如图4和图5所示。由图4可知，转速为1475 r/min，转频为24.58 Hz，此时最大速度峰值为0.916 mm/s。由图5可知，当电动机转速为1475 r/min(转频24.58 Hz)时，高频谐频频率为2039.8 Hz，相当于82.97倍频，谐频间距为158.85 Hz，为轴承外圈损坏频率。

图4 电动机尾端水平径向测点低频区频谱

图5 电动机尾端水平径向测点高频区频谱

2006年3月20日计划停机期间，电气检修人员检修该SIMENS电动机时发现，这台电动机两侧的轴承端盖有明显磨损，轴承跑外圈，从而证实了原先对电动机的诊断。电气检修人员决定更换整个电动机，但此电动机没有备品，只好用同型号的ABB电动机替代。

2006年4月6日，对更换后的电动机进行振动检测。结果发现，电动机和供油泵的振动幅度均比原来大，尤其供油泵的振动幅度显著增大。电动机更换前后，电动机和供油泵的振动数据对比如表2和表3所示。

更换电动机前后，电动机和供油泵的对比频谱分别如图6和图7所示。由图6和图7可知，更换电动机后，电动机和供油泵的主频(1倍转速频率)振幅明显增大。

表2 电动机更换前后的振动数据对比

注 M代表电动机，I代表内侧，O代表外侧，H代表水平径向，V代表垂直径向，A代表轴向。

表3 电动机更换前后供油泵的振动数据对比

图6 更换前后电动机频谱对比

图7 电动机更换前后供油泵频谱对比

更换电动机后，供油泵振动幅度增大，虽然不正常，但因为速度峰值尚在许可标准范围内(见表4)，因而没有采取强制停机措施，而是在允许暂时使用的同时，要求诊断人员加强监测跟踪。

表4 15～75 kW电动机及所驱动的中型机械振动管制标准

随后的监控发现，起初供油泵的振动还稳定，但至2006年12月，供油泵的振动幅度开始变大(数据对比见表5)，而振动频谱中除了速度峰值变化较大外(见图8)，其他没有变化。生产部门反映，因该泵噪音大而不敢使用，一直用旁边的备用供油泵。

表5 供油泵P02G52-P03监控振动数据对比

图8 供油泵P02G52-P03测点PIH振动频谱对比

为了解决该生产遇到的“无名大幅振动”问题，开始认真研究此次故障。更换电动机后，电动机和供油泵的振动均变大，这是否是由更换后的电动机功率与泵轴功率不匹配造成的？搜集了SIMENS和ABB这2台电动机的技术参数并进行了对比，结果见表6。

表6 SIMENS电动机与ABB电动机的技术参数

通过比较发现，2台电动机其他技术参数相同，惟独功率差别大。从表6可以看出，更换的ABB电动机功率比SIMENS电动机大了20 kW，所以产生了电动机功率与泵轴功率不匹配的情况。故初步诊断结果是功率不匹配造成电动机振动幅度大，建议更换成功率55 kW的此类电动机。

2007年1月5日，PM2计划停机，电气部门按照建议更换成功率55 kW的SIMENS电动机(没有其他相应备品电动机)。之后，故障诊断人员对电动机及供油泵再进行振动检测发现，电动机及供油泵的振动大幅下降，恢复正常。相应的振动数据分别见表7和表8，振动频谱对比分别见图9和图10。

表7 改变电动机功率后电动机振动数据对比

表8 改变电动机功率后供油泵振动数据对比

为了验证改善效果，故障诊断人员连续跟踪该供油泵的振动情况，结果如图11所示。由图11可知，泵的最大速度峰值为1.76 mm/s，速度峰值<1.8 mm/s，供油泵的运行状况良好。

图9 电动机测点MIH的振动频谱对比

图10 供油泵测点PIH的振动频谱对比

图11 泵跟踪检测的振动频谱对比(PIH)

通过跟踪电动机功率改变前后的振动频谱对比，发现更换电动机取得明显效果，证实了“功率不匹配是造成泵振动大幅增大的诊断结论”是正确的。分析其原因为：电动机输出功率远超供油泵所需额定功率后，增大了供油泵的压力，打破了压力和流量的适配平衡，从而激发供油泵振动。

3.2 PM2抽湿风机振动诊断

P02H23-F05是改造安装在纸机零位的抽湿风机，作用是抽吸纸机压榨部的湿气，辅助提高压榨部脱水能力，使纸机进一步提高车速。开始时，为了节省设备采购费用，2007年6月改造安装的抽湿风机是涂布机淘汰的抽吸热空气的风机。为了减少水的影响，风机前面设计加装了水气分离装置，但因为介质的变化，特别是抽吸的湿气中混杂着浆料，浆料吸附在风机叶轮上后造成叶轮动不平衡，使得抽湿风机振动幅度和噪音大。图12和图13分别为电动机和抽湿风机P02H23-F05的振动频谱图。由图12和图13可知，电动机和抽湿风机均为1倍转速频率的振幅峰值非常大。

图12 P02H23-F05的电动机MIH测点振动频谱

图13 P02H23-F05的FIH测点振动频谱

为了降低浆料吸附在风机叶轮上对抽湿风机振动的影响，生产部门按照建议定期冲洗叶轮，但因为水气分离装置并不能完全将水气分离开来，叶轮罩壳总有部分水，致使抽湿风机及电动机振动幅度居高不下，噪音也很大，而且电动机温度高达80℃。安装在PM1(1号纸机)相同位置上的、结构和技术参数与PM2一致的抽湿风机P01H23-F05，即使也同样存在水的干扰，但电动机和抽湿风机的振动却小得多，噪音也低(见图14和图15)，电动机温度比PM2电动机的低25℃。

图14 P01H23-F05的电动机MIH测点振动频谱

图15 P01H23-F05的FIH测点振动频谱

仔细观察比较2台抽湿风机发现，这2台抽湿风机的管道、风机、传动方式及设备布置方向都一样，而且整体基础下方都垫了橡胶减振材料。PM2抄纸定量比PM1抄纸定量大，PM2压榨部湿度比PM1的大，因此，造成机台振动大及噪音大的原因可能是电动机功率不够。

2007年9月26日，PM2电动机因高温烧毁(使用不足1个月)，于是初步认为，驱动电动机功率偏小致使电动机振动及噪音大，引起电动机温度过高。建议更换大功率的电动机，以改善机台振动状态。

2007年10月9日，电气部门用45 kW的电动机替代原来37 kW的电动机。改造完成后开机测试，并检测机台的振动。结果发现，无论电动机还是抽湿风机的振动都大幅下降，而且，噪音也大大减轻。对比结果见图16和表9。

为了验证电动机功率改变后电动机温度的改善情况，待抽湿风机运行2天后，用红外热像仪对PM2电动机进行了红外热像检测，结果证实电动机的温度下降超过10℃(见图17)。

图16 P02H23-F05改变电动机功率前后MIA测点振动对比频谱

表9 改变电动机功率前后抽湿风机各测点振动数据比较

图17 P02H23-F05的电动机功率改变前后电动机热谱温度比较

考虑到介质的不可更改，更换电动机后的抽湿风机的振动是可以接受的。更换后的电动机已使用7个月，没有再发生烧毁的故障。

对比振动频谱和红外热像图可知，抽湿风机振动明显改善，进一步证实功率不匹配造成了抽湿风机振动大。推断原因为风机原本抽送热空气，改为抽送湿水气后负荷增大，原电动机功率不足以匹配，传动功率不足，从而激发抽湿风机振动。

4 结 语

通过对机械主动力功率匹配与机械振动原理的讨论分析及2个典型的“无名大幅振动(非零部件故障振动)”诊断案例跟踪研究，得出如下结论：

(1)主动力功率不匹配会造成设备机台振动大幅增大。

(2)主动力功率不匹配时，振动频谱通常表现为振动主频为1倍转速频率，似于动平衡不良故障。如果仅通过校正设备动平衡的方式来处理此类故障，并不能解决该问题。

(3)主动力功率不匹配通常是由现场维修时考虑不全造成的，如果缺乏备品，在寻找替代备品时也需要将功率匹配考虑在内，以免造成维修设备的二次故障。

参 考 文 献

[1] 张 辉， 张笑如. 现代造纸机械状态监测与故障诊断[M]. 3版. 北京: 中国轻工业出版社， 2013.

[2] 钟秉林, 黄 仁. 机械故障诊断学[M]. 北京: 机械工业出版社， 1997.

[3] 苏 杭. 机械设备状态监测与故障诊断[M]. 北京: 机械工业出版社， 2000.

[4] 盛兆顺, 尹琦岭. 机械设备故障诊断技术及应用[M]. 北京: 化学工业出版社， 2003.

[5] 张笑如, 张 辉. 高速纸机烘缸轴承状态监诊技术及故障特征研究[J]. 中国造纸学报, 2009， 24(4)： 87.