第二节 电机轴承振动的测量与限值

本书讨论的电机轴承振动主要是电机组装完成之后，用于进行电机轴承故障诊断的振动信号的监测与分析。这个信号和轴承本身出厂测试的振动信号监测与分析是有差异的。

单独轴承运转的时候有一定的振动，在一些轴承的出厂试验中也会通过专门的轴承振动测试仪器进行轴承本身的振动检测。这些仪器检测的轴承本身的振动信息，用来分析、判断轴承的设计、生产、制造过程中的质量情况。这些振动的测量结果是在一定的测试条件下进行的，其中包括轴承的负荷、润滑、转速等。

电机完成组装和安装之后，电机轴承承受的负荷、电机的转速、轴承使用的润滑都会和轴承振动测试机上面的情况不同，因此此时轴承本身的振动也会不同。所以不能用轴承出厂测试时候的振动测量来衡量电机轴承装机之后的振动情况。

另一方面，电机运转起来，其中的轴承和定转子是紧密联系在一起的整体。在电机系统中，转子在定子间的转动是主动的，轴承的转动是被动的。电机运转过程中振动是作为一个整体出现的，因此检测到的振动往往是一个总值。第五章中，我们会介绍这个整体信号如何可以分离出与轴承相关的信号来进行分析。但是在分析之前的采集是不可能分开进行的。因此在电机轴承振动信号的测量上，方法与电机本身振动信号的测量几乎一致。我们只是在测量的位置选取以及最后的信号分离上会做一些处理。

一、电机轴承振动的测量

前已述及，电机轴承振动的测量和电机本身的振动的测量方法一致。而这个测量中，电机测试方法和测试仪器的选择与使用直接影响着测量结果。

（一）电机轴承振动测试的仪器

测量电机振动数值的仪器称为振动测量仪，简称为“测振仪”，就其所用的传感元件与被测部位的接触方式来分，有靠操作人员的手力接触和磁力吸盘吸引两种；另外还有分体式传感器和组合式传感器两种；一般同时具有测量振动振幅（单振幅或双振幅，单位为mm或μm）、振动速度（有效值，单位为mm/s）和振动加速度（有效值，单位为m/s²）三种单位振动量值的功能。图2-7给出了几种振动测量仪外形示例。

GB/T 10068—2020《轴中心高为56mm及以上电机的机械振动 振动的测量、评定及限值》中要求，测量所用的传感器装置的总偶合质量应小于被试电机质量的1/50，以免干扰被试电机运行时的振动状态。测量设备应能够测量振动的宽带方均根值，其平坦响应频率至少在10Hz～1kHz。然而，对转速接近或低于600r/min的电机，平坦响应频率范围的下限应不大于2Hz。

（二）电机振动测试所用标准

电机振动的测量、评定及限值的国家标准现行为等同采用国际标准IEC60033－14：2007的GB/T 10068—2020《轴中心高为56mm及以上电机的机械振动 振动的测量、评定及限值》。

该标准适用于额定输出功率为50MW以下、额定转速为120～15000r/min的直流电机和三相交流电机；不适用于在运行地点安装的电机、三相换向器电动机、单相电机、单相供电的三相电机、立式水轮发电机、容量大于20MW的汽轮发电机和磁浮轴承电机或串励电机。

需要注意的是，这个标准的测量是针对电机本身的。往往在电机厂做型式试验和出厂试验的时候或者是在现场对电机进行单独测试的时候使用。当电机安装在设备上运行的时候，使用的往往是针对设备的测试标准。

（三）测量辅助装置及安装要求

测量电机的振动时，还需要一些辅助装置，其中包括：与轴伸键槽配合的半键；弹性基础用的弹性垫和过渡板或者弹簧等；刚性安装用的平台等。下面介绍对这些装置的要求及使用规定，其中有些内容是现行国家标准GB/T 10068—2020中提出的，有些是在以前的标准（例如GB/T 10068—1988）中提出的。

1. 半键

对半键尺寸和形状的规定：对轴伸带键槽的电机，如无专门规定，测量振动时应在轴伸键槽中填充一个半键。半键可理解成高度为标准键一半的键或长度等于标准键一半的键。前者简记为“全长半高键”，后者简记为“全高半长键”，如图2-8a所示。

应当注意的是：配用这两种半键所测得的振动值是有差别的。因前者与电机转子调校动平衡时所用的半键相同，所以，在无说明的情况下，一般应采用前一种，后一种只在某些特殊情况下使用，例如在使用现场需要测量振动，但没有加工第一种半键的能力时。

安装半键的方法和注意事项：将合适的半键全部嵌入键槽内。当使用“全高半长键”时，应将半键置于键槽轴向中间位置。然后，用特制的尼龙或铜质套管将半键套紧在轴上。无这些专用工具时，可用胶布等材料将半键绑紧在轴上，分别如图2-8b和图2-8c所示。固定时一定要绝对可靠，以免高速旋转时甩出，造成安全事故。

2. 弹性安装装置

弹性安装是指用弹性悬挂或支撑装置将电机与地面隔离，标准GB/T 10068—2020中称其为“自由悬置”。

（1）材料种类 弹性悬挂采用弹簧或强度足够的橡胶带等。弹性支撑可采用乳胶海绵、胶皮或弹簧等。为了电机安装稳定和压力均匀，弹性材料上可加放一块有一定刚度的平板。但应注意，该平板和弹性材料的总质量不应大于被试电机的1/10。

（2）尺寸 标准GB/T 10068—2020中没有规定弹性支撑海绵、胶皮垫和刚性过渡板的尺寸要求，但在使用中，建议按电机噪声测试方法标准GB/T 10069.1—2006《旋转电机噪声测定方法及限值第1部分：旋转电机噪声测定方法》中的相关要求，即按被试电机投影面积的1.2倍裁制，或简单地按被试电机长b（不含轴伸长）和宽a（不含设在侧面的接线盒等）各增加10%，作为它们的长与宽进行裁制，如图2-9所示。

（3）弹性安装装置的伸长量或压缩量 对于在弹性安装状态下测量电机的振动值，与弹性安装装置的伸长量或压缩量有直接的关系，但标准中没有直接给出规定值。而是规定：“电机在规定的条件下运转时，电机及其自由悬置系统沿6个可能自由度的固有振动频率应小于被试电机相应转速频率的1/3”。

这种描述，对于一般操作人员来说是很难理解的。通过相关理论推导，可得出弹性安装装置的伸长量或压缩量δ（mm）与被试电机相应转速n（r/min）的关系：

式中 δ——弹性安装装置尺寸变化量（mm）；

n——被试电机转速（r/min）。

在标准GB/T 10068—2020中规定：根据被试电机的质量，悬置系统应具有的弹性位移与转速的关系曲线如图2-10a所示。实际上图2-10a是根据式（2-1）绘出的。表2-5给出了几对常用值，使用中的其他转速可用式（2-1）计算求得。

标准GB/T 10068—2020中没有规定最大伸长量或最大压缩量，但按以前的标准GB/T 10068—1998中的规定，若使用如胶海绵作弹性垫，则其最大压缩量为原厚度的40%。

另外，标准GB/T 10068—2020中说：转速低于600r/min的电机，使用自由悬置的测量方法是不实际的。对于转速较高的电机，静态位移应不小于转速为3600r/min时的值。

（4）对B5型卧式电机的安装 对于B5型卧式电机，当电机较小时，可直接放在海绵垫上，当电机较大时，建议放在一个合适的V形支架上，支架与电机之间应加垫海绵或胶皮等物质以减少附加噪声，如图2-11所示，也可采用弹性悬挂的方法。

3. 刚性安装装置

（1）对安装基础的一般要求 刚性安装装置应具有一定的质量，一般应大于被试电机质量的2倍，并应平稳、坚实。

在电机底脚上，或在座式轴承或定子底脚附近的底座上，在水平与垂直两方向测得的最大振动速度应不超过在邻近轴承上沿水平或垂直方向所测得的最大振动速度的25%。这一规定是为了避免试验安装的整体在水平方向和垂直方向的固有频率出现在下述范围内：①电机转速频率的10%；②2倍旋转频率的5%；③1倍和2倍电网频率的5%。

（2）卧式安装的电机 试验时电机应满足以下条件：直接安装在坚硬的底板上或通过安装平板安装在坚硬的底板上或安装在满足上述第（1）条要求的刚性板上。

（3）立式安装的电机 立式电机应安装在一个坚固的长方形或圆形钢板上，该钢板对应于电机轴伸中心孔，带有精加工的平面与被试电机法兰相配合并攻丝以联接法兰螺栓。钢板的厚度应至少为法兰厚度的3倍，5倍更合适。钢板相对直径方向的边长应至少与顶部轴承距钢板的高度L相等，如图2-12所示。

安装基础应夹紧且牢固地安装在坚硬的基础上，以满足相应的要求。凸缘（法兰）联接应使用合适数量和直径的紧固件。

（四）电机轴承振动测定方法

电机轴承振动的测试往往会在几种情况下进行。

第一，电机在电机厂进行型式试验或者出厂试验等针对电机本体进行的测试。此时需要按照GB/T 10068—2020的要求进行。其中包括前面所述的安装方法，辅助装置要求均需要满足。

第二，电机安装在设备上已经投入运行。此时，电机处于运行状态，无法实现GB/T 10068—2020的要求，因此对电机以及轴承的振动监测方法需要遵循相应的设备标准要求。

不论哪种情况，关于振动测量的基本位置选定，结果确定等都十分类似。这里我们引用GB/T 10068—2020的方法进行介绍。

1. 电机测试时的运行状态要求

如无特殊规定，电机应在无输出的空载状态下运行。试验时所限定的条件见表2-6的规定。

上述运行条件是针对电机本体进行检查时要求的运行条件。在这个运行条件下满足GB/T 10068—2020的测试要求之后，所测量的电机振动数值可以用GB/T 10068—2020的结果评价标准进行衡量。

在电机运行过程中的振动监测与检查不必遵循上述电机本体测试的要求，这样测试的条件不同，当然也就不能用这个标准里的结果进行量度。电机使用者可以根据相应设备的要求进行测试和衡量。

2. 电机轴承振动测点位置的选取

考虑到后续振动分析中可能的需求，电机轴承振动的信号采集应该涵盖针对前后轴承的轴向、径向垂直方向和径向水平方向的信号。

对于端盖式轴承的电机，按照图2-13a给出的6个测点位置采集振动信号。

其中，对于第⑥点的位置是后轴承的轴向位置，当电机后轴承不带风扇、风罩的时候，或者风扇、风罩允许拆卸的时候可以测得。如果风扇、风罩不能拆除，此点无法测量。若电机允许反转，可以将第⑥点用反转后第①点的位置再测量代替。

对于座式轴承的电机，测点按照2-13b中所示采集振动信号。

前已述及，电机轴承振动的测点的选取也是根据后续振动信号分析的需求进行布置的。除了在正确的位置上布置测点以外，测试探头的正确安装也直接影响测试结果。

如果是磁盘吸附的振动监测仪器，必须选择可靠、平整的吸附平面，同时对吸附平面进行适当的清理，然后将振动探头吸附在被测表面，之后开始测量。

如果是手持式振动检测探头，监测人员必须尽量保证测点与探头之间的可靠接触，并且在测试的时候避免探头的移动。可靠接触适度按压之后，开始采集数据进行测量。

（五）电机轴承振动测试结果的确定

电机轴承振动检测需要根据后续轴承故障诊断与分析的需要测取不同的数值。其中主要包括振动的时域信号和频域信号。目前很多测试设备都具有时域信号和频域信号的采集和存储功能，工程师直接从仪器中读取电机轴承振动测试结果即可，这在后续诊断分析中更加有利。

但是对于日常点检的设备运维人员来说，有时候只是在单点时间对电机轴承的振动进行检查，电机轴承振动的现场检测只能单独进行。依照前述的方法，电机轴承振动测试会得到两端轴承6个测点的数据。同时，测试人员会在每一个测点进行若干（一般是三次）次测量，这样总共18个数据。如果测试人员仅仅测试幅值信息，那么取最大值即可。如果测试人员测取的是频域波形信息，则在存储数据的同时需要记录测点的位置。

测量振动幅值的时候，对于感应电机，特别是2极感应电机，常常会出现2倍转差频率振动速度拍振现象，这种情况下，振动烈度（有效值）v_r.m.s可以根据下面公式确定：

式中 V_max——最大振动有效值（mm/s）；

V_min——最小振动有效值（mm/s）。

二、电机轴承振动测试的限值

技术人员采集时域信号振动总值来判断电机相关设备的振动状态时，可以采用表2-7的ISO 2372机械振动分级表作为参考。

对电机厂生产的电机进行单独测试的时候，可以使用现有标准中针对电机的振动限值。这个振动限值适用于在负荷规定频率范围内所测得的振动位移、速度、加速度的宽带的方均根值。用这三个测量值的最大值来评价振动的强度。

如按规定的两种安装条件进行试验，轴中心高≥56mm的直流和交流电机的振动强度限值见表2-8（GB/T 10068—2020中规定。3个测量值均应合格，若有协议规定，可只考核其中的振动速度有效值）；小功率电机（折算到1500r/min，功率在1.1kW及以下的电机）振动限值见表2-9和表2-10（GB/T 5171.1—2014《小功率电动机 第1部分：通用技术条件》规定）。