核电循泵电机振动测试分析研究_孙立明_.pdf

1652023 年 2 月/February 2023nvironmentalTest EquipmentE环境试验设备摘要：在电机的运行过程中，振动对设备造成的影响是一个不可忽略的问题。本文结合对宁德核电站循泵电机的振动测试，对循泵电机组成进行分析研究，通过数据对比和有限元仿真分析，找出循泵电机存在的问题，提供相应的解决方案。关键词：循泵电机；振动测试；模态分析中图分类号：V416 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2023)02-0165-05核电循泵电机振动测试分析研究Analysis and Research on Vibration Test of Nuclear Power Circulating Pump Motor孙立明，闫旭东，路梓照（1.天津航天瑞莱科技有限公司，天津 300462；2.北京强度环境研究所，北京 100076）SUN Li-ming,YAN Xu-dong,LU Zi-zhao(1.Tianjin aerospace Reliability Technology Co,Ltd,Tianjin 300462;2.Beijing Institute of Structure and Environment Engineering Beijing 100076)A b s t r a c t：The effect of vibration on the equipment during the operation of the motor is a non-negligible problem.This paper combines the vibration test of the pumping motor of Ningde Nuclear Power Plant,analyzes and studies the composition of the pumping motor,and finds the problems existing in the pumping motor through data comparison and finite element simulation analysis,and provides corresponding solutions.K e y w o r d s：circulating pump motor;vibration test;modal analysis引言随着科学技术的不断发展，因电子设备的工作所引起的工作的动态特性问题受到广泛的关注。例如：在道路运输过程中，因不同的路面路况会对运输车辆的货物的安全性造成影响，会影响人员乘坐的舒适性；导弹、火箭等飞行器在飞行过程中由于设备工作以及本身的结构特性所造成的的振动会影响飞行的精度和安全；大型的机械设备在运行过程当中也会产生振动影响装载大型机械设备的建筑或者周边环境的安全性。为解决发生的各式各样的因振动引起的问题，研究整个系统的动力学问题，分析振动产生的原因和激励，考核设备在一定的工作环境中的振动效应，除进行常规的理论分析外，对设备进行振动测试和分析是一种非常重要的分析方法。本文主要针对某核电站循泵电机在运行过程中发现有共振过大问题，应设计方和使用方要求，对循泵电机进行振动测试，通过对实测数据进行分析，结合有限元仿真计算结果，找出共振问题原因，为解决循泵电机系统在使用过程中存在的问题提供解决方案。1振动信号的采集、分析和处理简述在一般的振动测试与分析过程中，需要进行一些传感器信号的采集，经常使用的传感器类型有加速度传感器、位移传感器、速度传感器、力传感器以及应变片，166环境技术/Environmental Technology环境试验设备nvironmentalTest EquipmentE主要是采集对应的加速度、位移、速度、力、应变应力之类的物理量。在做大型结构件的振动测试时，通常对该结构的加速度信号进行测量。传感器、采集线缆以及数据采集设备构成了一个数据采集系统，采集设备将采集到的模拟信号转换为数字信号，利用数据分析软件等将相关数据呈现出来。测试过程一般分为两种方法：一种方法是测量设备本身结构或者设备工作时产生的振动影响，这时可以利用采集到的振动数据对设备的工作状态或者本身的结构问题进行评估；另一种方法是对产品本身特征的测试，使用模态方法较多，可以测出系统的频响函数、脉冲响应函数、模态参数（共振频率、阻尼比等）和其他的物理参数，通常在实现过程中需要通过外部（如力锤、激振器等）对设备结构施加激励或者使用自然环境激励，采集相关振动数据以研究该设备或者系统的动力学特征参数。一般来说，采集到的振动信号为时域信号，通过对时域信号的分析，可以得到设备在相关关键位置在该工作状态下响应的最大值、最小值，以及该设备在一段时间内响应数据的均值、平均幅值等。更多的时候，振动信号的分析会从频域角度进行分析，通过使用快速傅里叶变换（F F T），将采集到的时域信号转换为频域信号，得到对应的频谱图、功率谱密度图、相干函数、频响曲线等来研究测试对象的动态特性，对设备的结构属性、工作状态进行有效的诊断。2核电循泵介绍、问题描述及相关方案制定2.1核电循泵介绍及问题描述核电循泵由电机、减速齿轮箱及泵组立式安装的三层基础结构，示意图见图 1。电机相关参数如下：额定电压 6.6 k V；额定转速 9 9 5 R P M；额定功率 6 7 0 0 k W；齿轮箱为行星减速齿轮箱；联轴器类型为鼓形齿联轴器。在核电循泵运行过程中，若位移超过 1 1 0 m，会触发报警装置，位移超过 1 5 0 m就会停机，对核电站发电造成影响。核电站现场的 3/4 号机组中的 4 A循泵在径向振动位移较大，振动约 1 4 0 m，通过增加南北方向支架，将振动维持在 8 0 m左右，已影响到设备的正常使用，3 A循泵则振动正常。2.2 试验原因初步分析引起电机振动过大的原因可能包括以下几个方面：1）共振：电机工作频率引起电机结构本身的共振；2）电机自身故障：电机内部发生故障，导致激振力变大或电机本体振动降低；3）减速齿轮箱齿套联轴器磨损：齿套磨损导致，产生较大的激振力，传递给电机；4）对中不良：宁德核电站对中方式与外基地存在差异，且对中会导致电机与井字梁连接面加较多的垫片，影响结合刚度；图 1 循泵电机结构示意图1672023 年 2 月/February 2023nvironmentalTest EquipmentE环境试验设备测点序号位置描述其他说明位置描述其他说明1电机盖最上端北侧楼板与井字梁连接处 西南角2西侧3南侧4东侧5电机盖外沿北侧楼板与井字梁连接处 东北角6西侧7南侧8东侧9电机底部与井字梁螺栓连接处电机西侧楼板与减速器连接处西侧10减速器与楼板连接处西侧11楼板与减速器连接处南侧12井字梁与电机底部连接处减速器与楼板连接处南侧13电机底部与井字梁螺栓连接处电机南侧泵与楼板连接处西侧14楼板与泵连接处西侧15泵与楼板连接处南侧16井字梁与电机底部连接处楼板与泵连接处南侧5）井字梁支架变形对电机工作状态的影响；6）地基对电机的影响。2.3 试验方案制定对有故障的 4 A机组和无共振现象的 3 A机组分别进行数据测量，做相应比对，分析故障原因。由于试验现场受试产品较大，运行中工况稳定（电机作为唯一激励源，工作转速 9 9 5 R P M），故在做试验测试时分批次进行数据采集，具体试验方法如下：1）根据现场产品布局，确定测量位置（电机、电机支架、楼板基础），电机工作状态测试时共选取 3 2 个测点，具体位置分配见表 1；2）对采集的数据进行分析，与电机启动状态提供的激励源数据进行比对，建立相关函数，得到相应位置的共振频率；3）观察设备上测点量级较大区域，固定位置附近是否有结构变形现象，对比轴承不同固定位置的量级，对数据进行分析，确定设备响应较大位置；4）对发生共振明显的部位，建立相关有限元模型，进行结构优化分析，提出相应的改进方案。3振动测试分析及仿真分析3.1 振动测试分析通过对试验数据进行对比分析，得出以下结果：1）电机端盖上（此处列出测点 1 4 数据进行分析说明，见图 2）在 1 6.5 6 H z 处的响应比较明显，为电机的一阶工作模态。2）振幅过大主要是由于低频处的响应较大：4 A电机端盖上在 1 6.5 6 H z 处响应比 3 A电机相同位置响应较大，4 A处 X向最大响应为 0.0 4 9 g（8 9 m），Y向最大响应为 0.0 1 9 g（3 4 m），3 A处 X向最大响应为 0.0 0 7 9 g（1 4 m），Y向最大响应为 0.0 0 7 6 g（1 3 m），因 4 A电机端盖已作辅助支撑，4 A电机实际状态响应应比实际测量响应值大很多。3）对时域数据分析发现一下结果：位于减速齿轮箱座附近的测点响应量级较大，通过 4 A电机和 3 A电机对表 1 加速度测点粘贴位置比，4 A电机比 3 A电机量级放大显著，4 A处 X向最大响应为 6.5 9 g，Y向最大响应为 7.0 5 g，3 A处 X向最大响应为 4.2 2 g，Y向最大响应为 3.9 4 g，振动放大问题原因可能出现在减速齿轮箱处，由于齿轮箱长期工作，齿轮箱内部齿套出现磨损，造成响应量级放大，反馈给激励源电机处。3.2 电机及井字梁结构仿真分析对电机及其井字梁模型进行有限元仿真分析，得到模态频率及对应模态振型，如图 3 和表 2 所示。电机运行模态分析中叶片通过频及其倍频，电机 1倍转速频（1 6.5 6 H z）及其倍频较明显。说明电机在叶片通过频及电机 1 倍频附近存在固有频率的可能性较大。4 结束语根据以上数据分析，对核电循泵电机的改造提出以下建议措施：1）检查减速齿轮箱内部齿套，检查齿轮是否有磨损168环境技术/Environmental Technology环境试验设备nvironmentalTest EquipmentE（a）4A 电机（X 向）（c）4A 电机（Y 向）（e）4A 电机（Z 向）图 2 4A 电机和 3A 电机频域数据对比（b）3A 电机（X 向）（d）3A 电机（Y 向）（f）3A 电机（Z 向）1692023 年 2 月/February 2023nvironmentalTest EquipmentE环境试验设备阶次仿真频率 Hz振型113.657电机东西方向摆动213.791电机南北方向摆动316.015电机轴向窜动(a)一阶模态(b)二阶模态(c)三阶模态图 3 电机模态振型图表 2 模态分析频率（13 阶）问题，对有磨损的齿轮进行相应修理和更换；2）对循泵电机做动平衡处理，通过减少不平衡量来减少转子引起的径向振动。3）对支撑电机的井字梁的结构优化，整体增加支撑板和竖筋，增强井字梁刚度以及增大井字梁与地面地基的安装接触面积，减小挠度，提高井字梁结构的一阶频率，减小由齿轮箱振动量级到电机的传递。作者简介:孙立明（1986.8-），男，硕士，高级工程师，主要从事环境工程和结构强度可靠性技术领域研究工作。1 纪国宜,赵淳生.振动测试和分析技术总数 J.机械制造与自动化,2010,40(03):1-6.2 张晨彬,薛澄岐.发动机振动测试方法及分析 J.山东内燃机,2005(6):9-14.3 黄志强,杨仁松,李刚,等.大型往复压缩机主机振动分析与测试研究 J.工程设计学报,2022(4):465-473.4 张思.振动测试与分析技术 M.清华大学出版社,1992.5 傅志方,华宏星.模态分析理论与应用 M.上海交通大学出版社,2000.参考文献: