不同工况下立式电机振动方向变化规律及故障诊断研究

1 前言

立式电机作为工业动力系统核心设备，其运行稳定性对电力、化工等领域关键流程至关重要。实际运行中，振动故障占立式电机故障总量的显著比例，且不同工况下振动特征呈现复杂差异。然而，当前针对不同工况下振动方向变化规律的系统性研究仍显不足，振动方向特征与故障类型、位置的关联性尚未形成完整诊断体系。在此背景下，开展不同工况下立式电机振动方向变化规律及故障诊断研究，通过解析电磁与机械耦合作用下振动方向的时变特性，构建基于方向特征的多工况故障诊断策略，对提升立式电机运行状态监测精度、实现故障精准定位具有重要意义。

2 不同工况下立式电机振动方向变化规律

2.1 空载工况：电磁振动主导

空载工况下立式电机振动以电磁振动为主导，气隙静态偏心时定转子中心线偏差使径向振动方向保持固定，如南北向或东西向幅值高于另一方向，振动频率为电源频率 2 倍，且振幅随偏心程度加大呈线性增长态势；而转子笼条断裂引发气隙动态偏心时，偏心位置随转子转动而改变，致使径向振动呈现周期性波动特征，振动方向随转子旋转相位交替变化，两种偏心类型因偏心特性差异使空载工况下振动方向表现出固定与动态交替的不同规律，反映出电磁振动在不同故障形式下的方向变化特征[1]。

2.2 负载工况：机械-电磁耦合作用

负载工况下立式电机振动呈现机械与电磁耦合作用特征 平衡时因质量分布不均产生离心力，致使径向振动方向与不平衡相位保持 的振动振幅按二次曲线规律上升；轴承磨损产生的冲击脉冲沿轴向 向与径向振幅比值超过0.3 时，轴向振动主导特征明显；支撑 频率与激励频率接近引发共振，该方向振动幅值相较其他方向显著 不同故障类型在负载工况下通过机械与电磁耦合作用，使振动方向呈现出 冲击传递路 径及支撑结构特性相关的规律性变化[2]。

2.3 启停过渡工况：共振与模态耦合

启停过渡工况下立式电机振动受共振 模态耦合影响显著 电机转速通过临界转速时，转子振动模态被激发，径向振动方向会发生 90^∘ 模态振型特征的直接体现，反映出转子系统固有频率与激励 启停过渡阶段会引发轴向振动与径向振动的相位差异，轴 启停机相位差”，这是由于轴系轴线偏移导致轴向力与径向力传递不 与静态工况截然不同的特征，两种现象共同揭示了启停过渡工况下振动方向变 机械结构动态特性的内在联系[3

3 不同工况下立式电机故障诊断策略

3.1 多传感器布置

传感器的位置布置如表 1 所示，其中，驱动端轴承座布置加速度传感器监测 X（东-西）、Y（南-北）、Z（轴向）方向，是因该位置集中 T1 4/业 径向方向可捕捉电磁振动与不平衡离心力引发的振动特征，轴向 力传递；非驱动端轴承座设置加速度传感器监测X、Y 方向， 动对支撑结构缺陷敏感；定子机座采用位移传感器监测X、 Y 方向，基 电磁力导致定子产生周期性形变，位移传感器可有效获取定子径向形变的低频振动特征，实现对气隙偏心故障的定向监测

3.2 工况匹配的诊断算法（1）空载工况：电磁故障定向诊

空载工况下针对电磁故障的定向诊断算法通过振动方向幅值差异与频率特征实现气隙偏心故障识别，首先对驱动端轴承座径向两方向（X/Y）振动信号进行采集，计算两方向幅值差 ΔA=|A_s-A_s| ，该差值用于量化不同方向振动能量分布差异，反映定转子气隙均匀性； 超过 平均幅值的15%时，表明径向振动存在显著方向性偏差，同时若振动频率为电源 可判定为气隙 心故障，因气隙偏心引发的电磁振动以2f 为主导频率，且幅值差越大表明偏心程度越严重，此时振动方向指向幅值最大的方向，即气隙偏心的实际方位，以此实现电磁故障的方向定位与性质判定。

（2）负载工况：机械故障矢量分析

负载工况下机械故障矢量分析通过振动方向空间特征与能量分布实现故障识别，构建驱动端轴承座径向两方向（X-Y 平面）振动矢量图时，若矢量轨迹呈现椭圆形态且长轴方向保持固定，表明存在周期性作用的单向激励力，此为转子不平衡产生的离心力所致，离心力方向与不平衡质量相位一致，故长轴方向即为不平衡相位，可据此确定转子不平衡方位；而当轴向振动能量占比（Ez/ (E_z+E_y+E_z) ）超过 25%时，说明振动能量在轴向分布显著，这与轴承磨损产生的冲击脉冲沿轴向传递特性相关，此时结合包络谱分析提取轴承故障特征频率，可有效触发轴承磨损预警，两种策略分别从振动方向矢量轨迹与能量轴向分布角度，实现对转子不平衡与轴承故障的定向诊断[5]。

（3）启停过渡工况：共振模态识别

启停过渡工况下共振模态识别通过振动方向相位特征与结构动态特性关联实现故障定位，具体方法为对电机振动信号进行全程采集并绘制波特图（振幅-转速曲线），在转速上升或下降过程中监测临界转速附近的振幅峰值与振动方向相位变化，当振幅随转速接近固有频率出现显著峰值且径向振动方向发生 90^∘ 相位突变时，表明转子系统激发共振模态，此相位突变特征与模态振型直接相关；同时结合有限元模态分析技术，对电机支撑结构、转子组件等进行模态频率计算与振型模拟，将实测相位跳变点对应的转速与有限元计算的固有频率对比，可精准识别发生共振的部件，通过结构刚度调整消除共振隐患，实现对启停过渡工况下振动方向突变故障的模态级诊断与治理。

4 结语

综上所述，空载工况下，气隙偏心引发径向振动方向固定或周期性波动，频率以 2 倍电源频率为主；负载工况中，转子不平衡使径向振动方向与不平衡相位一致，轴承磨损致轴向振动占比提升，支撑刚度不足引发特定方向共振；启停过渡阶段，临界转速附近径向振动方向发生相位突变，轴系不对中导致轴向与径向振动出现相位差。基于振动方向特征构建的诊断策略，可通过调整转子中心、增强支撑刚度等措施实现故障治理。未来可进一步探索多物理场数据整合与智能诊断技术，提升故障预警的时效性与精准度。

参考文献：

[1]秦建军, 司耀强, 纪东兴, 等. 定速立式电机异常振动原因分析及处理[J]. 电力安全技术, 2024, 26(01): 71-73+78.

[2]郑东佳, 董波. 核电厂 350kW 大型立式电机振动诊断及治理[J]. 海峡科学, 2022, (03): 46-49+79.

[3]张秀菊. 异步立式电机振动原因分析及解决方法[J]. 上海大中型电机, 2018, (03): 31-34.

[4]张蛟. 核电站用 6.6kV 立式电机振动因子研究[J]. 黑龙江科学, 2017, 8 (14): 62-63.

[5]陈文杰, 史济方. 大型立式电机常见故障分析及处理[J]. 电力与能源, 2015, 36 (06): 890-893.