一、概述

主变流机组由交流电机（同步电机）、直流电机等组成，两机组由带销轴弹性圈的两个半联轴节连接，其连接形式见图1。                       图1  主变流机组结构示意图

二、故障现象

某主变流机组在检修前存在振动偏大现象，交流电机负载端垂直方向振动烈度4.09mm/s，接近运行要求（不大于4.5mm/s），且烈度呈上升趋势。本次检修更换了直流、交流电机负载端轴承、联轴节胶圈，调整对中情况。修后空载时各轴承声音、温度及振动数值正常。交流发电带载180A时轴承声音、温度正常，但机组轴向振动和交流机负载端垂直振动明显上升。考虑修后首次试验，且突出特征频率为25Hz，初步判断机组对中异常，对中重新调整后，再次带载180A，振动无改善，且随着负载的增加，振动不断上升，尤其是轴向。具体数值见表1和表2。

表1修后空载运行

表2修后交流发电180A运行

三、初步原因分析及排查

为排查振动原因，查询历次修理情况：在建造期间该机组相比同型机组振动偏大，最大为4.5mm/s，达到运行上限；2017年检修后，该机组振动值超标，25Hz为其主要突出的特征频率，随后进行转子现场动平衡、更换联轴器及轴节弹性胶圈、联轴器脱耦合后振动测试、轴心轨迹测量、重新对中调整等维修措施，振动有所降低，但个别位置仍接近运行上限。

此次振动现象和特征频率与历次基本相同，为查清原因，列举可能原因并现场逐项排查，情况如下：

（一）机组对中不符合要求

机组设计要求偏移量不大于0.1mm，曲折角不大于0.1mm/m。坞检后，机组对中进行数据为：偏移量上下0.03mm、左右0.03mm，曲折角上下0.08mm/m、左右0.06mm/m，符合要求。振动异常后，复校为：偏移量0.02mm。曲折角0.05mm/m，符合要求。为避免联轴节销锥对对中影响，分别在带、脱开联轴节销锥情况下多次测量，数据无变化，振动无变化，排除对中不良引起的振动。

（二）转子不平衡

经查阅，该机组于2017年因振动超标进行了现场动平衡，修后各轴承振动烈度均小于4.5mm/s。检修至今，转子未检修且无外力损伤，转子不平衡量不会变化。同时通过调整联轴器销锥的位置，辅助验证转子不平衡的影响，调整后振动数值未改善，排除转子不平衡的影响。

（三）轴承与轴承座径向配合间隙过大

再次拆卸轴承，测量轴承与轴承座的配合间隙，直流电机负载端为0.02mm，交流机负载端为0.035mm，均符合要求（-0.035 mm～0.046 mm）；交流机自由端轴承为0.08mm～0.13mm，超过要求，对该轴承室刷镀处理，更换轴承，使其间隙为0.02mm～0.04mm。修后再次试验，振动未改善。

（四）联轴器锥销变形或安装后偏斜，或联轴器安装不到位

拆卸联轴器锥销，分别测量尺寸和重量，尺寸符合要求，重量均匀；经测量销锥与孔为过盈配合，不存在销轴安装偏斜现象。经检查联轴器端部凸肩均紧靠轴凸肩，安装到位。可排除联轴器锥销或联轴器安装不到位的原因。

（五）联轴器弹性圈过硬或者尺寸不合适

测量弹性圈尺寸，满足图纸要求。为了排除因弹性圈硬度过大造成传递振动，更换硬度稍小的弹性圈，经试验，振动未得到改善，且略有增大。排除弹性圈过硬或者尺寸不合适。

（六）机组底座未紧固到位

对交流电机和直流电机底座各固定螺栓紧固情况进行检查，各螺栓均紧固到位，未发现松动现象。

（七）机组底座存在异物或底座刚性不足

原地起吊机组，经检查底座平面光滑平整，未发现异常。对底座外观检查，未发现异常。排除机组底座存在异物或刚性不足。

（八）机组轴承未安装到位

经测量交流、直流电机负载端轴承内外盖凸台高度均为5mm，交流电机轴承室高度为64.95mm，直流电机为64.77mm，轴承厚度为54.95mm。经计算，交流电机负载端轴承外圈端面与轴承内外盖的间隙为0 mm，轴承外圈被夹紧，符合设计要求；直流电机负载端轴承外圈端面与轴承内外盖之间的间隙为-0.18mm，轴承外圈被夹紧，但不满足设计要求，调整间隙为0 mm。调整后试验，振动无改善。排除轴承未安装到位。

（九）机组轴承质量不合格

机组运行时，测量轴承温度、监听轴承声音，未发现轴承异常情况。为进一步排除，换新轴承，振动与换前相比无改变。排除轴承质量不合格。

（十）转子轴伸端变形

转子轴伸端变形，造成轴端跳动量大，造成机组振动传递。经轴伸处径向跳动量、轴节端面跳动量，符合技术要求。排除转子轴伸端变形的原因。

（十一）转子轴向串动量大

考虑到机组振动主要在轴向，测量两台机组轴向窜动量。经测量，另外一台机组直流电机为0.7mm，交流电机为0.8mm；该机组直流电机为0.65mm，交流电机为1.16mm。可见该机组交流电机串动量多0.36mm，且测量时转子有声响，初步判断该声响由转子与轴承内圈滑动发出，说明转子与轴承内圈有位移。

将转子分别拨至负责端和自由端两个极限位置试验，在负载端时振动较大；在自由端时振动明显下降，但随运行时间和负荷增加，振动逐渐增大。再次将转子拨至自由端时振动又下降。可判断，转子的位置运行时发生变化，影响机组的振动。

转子的位置由负载端轴承确定（转子示意图见图2），轴承外圈由轴承内外盖夹紧并固定在壳体上，内圈与轴过盈，内侧与轴凸肩靠紧，外侧由挡油环、轴用挡圈固定在凸肩，在轴向上完全固定，转子的轴向移动量应小于轴承游隙。但该转子串动量1.16mm，超过了轴承的游隙。

上述已明确，轴承在轴向上完全固定，又怎么能移动呢？带着问题，再次检查轴承内圈安装情况，发现轴用挡圈未紧靠在凸肩上，经测量，间隙约为0.35mm，印证了相对位移现象。

为了查找0.35mm间隙出现的原因，拆卸发现直流机负载端的轴用挡圈比交流机负载端的轴用挡圈厚约0.35mm。间隙消除后，再次试验，机组振动仍无改善。再次将转子拨至自由端试验，振动又降至范围内，但随着负荷增加振动又逐渐增大。可见恢复窜动量不能降低机组的振动。

图2   同步电机转子部件安装示意图

转子轴向窜动，必有轴向力。从结构看，交流机转子自由端轴承外圈端盖处安装一圈弹簧，该弹簧平衡转子自由膨胀，确保转子稳定运行。为了确认该弹簧对轴向力的影响，将弹簧拆下后试验，机组振动数据大幅下降，最大为4.09mm/s。复装弹簧后，振动值又达到7.84mm/s。可见弹簧使转子向负载端移动，造成转子轴向振动增大。经测量复装弹簧和轴承外盖时，转子向负载端移动0.08mm。说明安装时，弹簧推动轴承外圈向负载端移动，抵消自由端轴承单侧轴向游隙（约0.39mm）后滚珠带动内圈和转子继续向负载端移动，产生0.08mm的位移，轴承滚珠也偏离正常轨道0.08mm，滚珠紧贴侧向滑道。至此，可明确：降低转子向负载端的轴向力，可降低机组振动。

弹簧拆卸后轴向力降低，振动大幅下降，但未达到理想状态，说明机组运行时，还受到其它的轴向力。检查机组三相电压、电流均未有不平衡情况；测量交流机转子与定子之间气隙，发现相同部位气隙差约2mm（一般凸极同步电机最大气隙与最小气隙控制在0.7mm左右^[1]）。电动机定子和转子的间隙处称为“气隙磁场”，在某一位置，气隙磁场的磁力线全部垂直于转轴，而没有轴向分量，这个位置就称为磁力中心线^[2]。如果转子与定子之间气隙不均，在磁极经过小气隙时单向磁力大，经过大气隙时单向磁力小，两个力方向相反，之间相差180°，大小不等，形成不平衡力。当气隙不均匀到一定程度，这一不平衡力也将增大，磁力中心线位置偏离，轴向磁拉力增大，在没有其他限制条件下，电动机的转子就会沿轴线窜动^[3]。转子窜动，带动轴承滚珠偏离正常滑道，使轴承承受轴向推力，当窜动较大时，轴承将会撞击滑道，到撞击极限后轴反弹，形成往复移动，造成转子轴向振动。

四、故障定位及故障处理

通过试验、分析，造成机组振动大的原因是：交流机转子轴向分力过大，形成往复撞击。造成轴向分力过大的原因是:交流机转子磁力中心线偏离，形成较大的磁拉力。造成磁力中心线偏离的原因:一是交流机转子定子间气隙不均，二是零件的加工精度低，如定子的内径、转子的外径等。

造成磁力中心线偏离的因素均无法更改，为降低振动，在交流机自由端轴承内盖与轴承外圈的空挡处增加垫片，限制转子轴向窜动。实施后，机组各运行参数正常，最大轴向振动为3.0 mm/s，数据见表3，可见故障已排除。至今机组运行正常。

表3  2#主变流机组修后测振数据

五、结束语

本次故障排查，通过反复试验和大量数据分析，结合设备安装实际技术状态和故障现象，顺利查找到了该船主变流机组长期存在的振动大故障原因，积累了数据和经验，为后续主变流机组振动检修和同类型机组振动故障应急排除提供了参考。

参考文献

[1]薛建欣，赵万勇，郭志杰.大型电机窜轴及轴向力试验研究[J].大电机技术，1995(1)：15-20.

[2]徐建国.大型高速电机轴向振动的分析与处理[J].电机技术，2013(4)：38-39.

[3]左经刚.电机振动异常的识别与诊断[J].上海大中型电机，2009(3)：20-22.