泵振動原因、測試與解決方法

1、 /24轉(zhuǎn)子動力學(xué)評估轉(zhuǎn)子動力學(xué)需要一個(gè)比結(jié)構(gòu)動力學(xué)更專業(yè)計(jì)算機(jī)程序，因?yàn)樗仨毎ǖ挠绊懭纾涸谳S承，葉輪和密封，作為轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的函數(shù)的三維剛度和阻尼葉輪和止推平衡裝置流體激勵(lì)力陀螺效應(yīng)然而，一些大學(xué)和商業(yè)組織開發(fā)了轉(zhuǎn)子動力學(xué)程序，可用的程序包括各種計(jì)算子程序，用于軸承和圓形密封（如摩擦環(huán)和平衡鼓）的剛度和阻尼系數(shù)計(jì)算，臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算，激勵(lì)響應(yīng)和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性計(jì)算，它包括軸承和密封阻尼和“交叉耦合剛度”的影響（即與運(yùn)動垂直的的反作用力）。流體“增加質(zhì)量”對轉(zhuǎn)子動力學(xué)固有頻率的影響圍繞轉(zhuǎn)子的流體以三種方式增加轉(zhuǎn)子的慣性：流體被困在葉輪通道直接增加質(zhì)量；由于葉輪和軸材料的存在移動的流體直接對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)增加

2、質(zhì)量，由于轉(zhuǎn)子在流體中的振動，它必須移動這個(gè)質(zhì)量；以及在緊密間隙中的流體，一定比轉(zhuǎn)子振動加速度更快地加速以保持連續(xù)性，并因此可能會增加很多倍于其移動的質(zhì)量（稱為StrokeEffect）。環(huán)形密封“Lomakin效應(yīng)”對轉(zhuǎn)子動力學(xué)固有頻率的影響泵的環(huán)形密封（例如，摩擦環(huán)和平衡鼓）可對動力學(xué)特性影響很大，通過改變轉(zhuǎn)子支撐剛度從而轉(zhuǎn)子固有頻率，因此可以避開或?qū)е聫?qiáng)一倍和二倍轉(zhuǎn)頻激勵(lì)與一個(gè)低固有頻率之間可能的共振。環(huán)形密封的剛度和阻尼小部分由擠壓油膜和流體動力楔（對滑動軸承設(shè)計(jì)廣為所知）提供。然而，由于在環(huán)形密封中相對軸承來說存在高的軸向?qū)A周流速比例，由于圓周間隙變化可以在環(huán)形間隙產(chǎn)生很大的力，隨

3、著轉(zhuǎn)子偏心的發(fā)展引起B(yǎng)ernoulli壓降，這被稱為Lomakin效應(yīng)，并且是泵的環(huán)形密封中最大的剛度和阻尼力產(chǎn)生機(jī)制。Lomakin效應(yīng)直接取決于通過密圭寸的壓降，對于恒定系統(tǒng)流阻它產(chǎn)生Lomakin支撐剛度大約隨著轉(zhuǎn)速的平方而變化。然而，對于大約恒定的系統(tǒng)壓頭，導(dǎo)致只有很小的Lomakin效應(yīng)隨轉(zhuǎn)速的變化。其它重要的參數(shù)是環(huán)形密封長度，直徑和間隙；流體特性是次要的除非涉及非常高的粘度。然而，流體漩渦可以導(dǎo)致Lomakin效應(yīng)的顯著下降，或者增加伴隨它的交叉耦合，重要的是，當(dāng)交叉耦合反作用力超過阻尼反作用力，它可能引起轉(zhuǎn)子動力學(xué)不穩(wěn)定（如合理設(shè)置的轉(zhuǎn)子動力學(xué)程序所估算的那樣）。間隙效應(yīng)是最強(qiáng)

4、的幾何尺寸影響，Lomakin效應(yīng)大約與其平方成反比。間隙影響很大的物理解釋是，它給圓周壓力分布（Lomakin效應(yīng)的原因）通過圓周流動而消除。任何環(huán)形密圭寸腔帶有切槽在一定程度具有與增加間隙相同的效果，在這個(gè)角度看深槽比淺槽更差。轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)分析橫向轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析可以通常不包括其它泵系統(tǒng)部件，如驅(qū)動機(jī)，泵殼體，軸承座，基礎(chǔ)或管道，然而，泵軸的扭轉(zhuǎn)振動和各種泵固定結(jié)構(gòu)的振動是取決于系統(tǒng)的，由于振動的固有頻率和振型隨部件的質(zhì)量，剛度和阻尼而變化的，不是包含在泵中的那些。盡管扭振問題再泵不常見，除非由高頻VDF激勵(lì)的電動機(jī)驅(qū)動，或由往復(fù)發(fā)動機(jī)驅(qū)動，復(fù)雜的泵/驅(qū)動鏈具有扭振問題的可能性。這可以通過計(jì)算進(jìn)

5、行檢查，包括前幾階扭振臨界轉(zhuǎn)速，和系統(tǒng)在起機(jī)瞬態(tài)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，連鎖和電動機(jī)控制的瞬態(tài)過程中對激勵(lì)的強(qiáng)迫振動響應(yīng)。強(qiáng)迫響應(yīng)應(yīng)該按照靜態(tài)的加上振蕩的應(yīng)力之和，在驅(qū)動鏈的最高應(yīng)力元件，通常是最小軸直徑處。一般計(jì)算前兩個(gè)扭振模型足夠覆蓋期望的激勵(lì)頻率范圍，為此，泵機(jī)組必須按照至少三個(gè)部分建模：泵轉(zhuǎn)子，聯(lián)軸器（包括任何墊塊）和驅(qū)動機(jī)轉(zhuǎn)子。如果使用柔性聯(lián)軸器（如盤聯(lián)軸器），聯(lián)軸器的剛度將與軸的剛度在一個(gè)數(shù)量級，必須包含在分析中。聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)剛度的良好估計(jì)，通常相對獨(dú)立與速度和穩(wěn)態(tài)扭矩，列在聯(lián)軸器樣本數(shù)據(jù)中，通常提供給定尺寸的剛度范圍。如果包含齒輪箱，每個(gè)齒輪必須單獨(dú)考慮，按照慣量和嚙合比。如果泵或驅(qū)動轉(zhuǎn)子與將

6、轉(zhuǎn)子連接到聯(lián)軸器的軸相比不是至少幾倍的扭轉(zhuǎn)剛度，那么單個(gè)軸長度和內(nèi)部葉輪應(yīng)包括在模型中，然而對工業(yè)泵來說要求最后一步是不常見的。手工計(jì)算前幾個(gè)扭轉(zhuǎn)固有頻率的方法由Blevins給出，然而泵的扭振計(jì)算應(yīng)該包括系統(tǒng)阻尼的影響。為了以足夠精度確定軸的應(yīng)力，應(yīng)該使用數(shù)字的程序，如Holzer方法，傳遞矩陣法或有限元分析（FEA）。最低扭轉(zhuǎn)振型是在泵/驅(qū)動系統(tǒng)最常被激起的，這個(gè)扭轉(zhuǎn)振型的大部分運(yùn)動發(fā)生在泵的軸上。這種情況下，主要的阻尼來自泵葉輪，當(dāng)它由于扭振運(yùn)動運(yùn)行在稍高和稍低的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速時(shí)消耗的能量。這個(gè)阻尼的粗略估計(jì)公式：阻尼=2x（額定扭矩）x（估計(jì)的頻率）/（額定轉(zhuǎn)速）為了確定期望的大扭振激勵(lì)的頻

7、率，以及這些頻率下發(fā)生扭矩值，任何給定轉(zhuǎn)速和流量下的泵的扭矩可以乘以一個(gè)單位系數(shù)“p.u.”，重要頻率下的p.u.系數(shù)可從特定系統(tǒng)的電機(jī)和控制生產(chǎn)商那里獲得，一般是感興趣的狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行扭矩的大約0.01至0.05，峰-峰值。來自電動機(jī)的最重要的扭轉(zhuǎn)激勵(lì)頻率是極數(shù)乘以滑差頻率（對感應(yīng)電動機(jī)），轉(zhuǎn)速乘以極數(shù)，以及轉(zhuǎn)速本身；泵的不穩(wěn)定的流體扭矩也存在，頻率表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速乘以葉輪流道數(shù)，強(qiáng)度等于傳遞的扭矩除以流道數(shù)，一般具有的最大值也是在0.01至0.05區(qū)間，不在BEP最佳運(yùn)行點(diǎn)運(yùn)行和/或葉輪少于4個(gè)流道一般具有較高的值。對于包括變速或VFD的系統(tǒng)，應(yīng)該特別關(guān)注，除了激勵(lì)頻率掃描一個(gè)大的范圍從而增加發(fā)

8、生共振的機(jī)會，老式的VFD控制器提供新的激勵(lì)，表現(xiàn)在電動機(jī)轉(zhuǎn)速的各種“控制脈沖”乘數(shù)，通常為6X或12X，以及也常為整分?jǐn)?shù)約數(shù)?？刂破魃a(chǎn)廠商可以預(yù)測這些頻率及其相關(guān)的p.u.系數(shù)。對機(jī)組扭轉(zhuǎn)特性的可接受度的判斷應(yīng)該基于在所有運(yùn)行狀態(tài)，受迫響應(yīng)軸應(yīng)力是否在疲勞極限預(yù)留了足夠安全系數(shù)之下。對一個(gè)仔細(xì)分析的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，推薦的最小安全系數(shù)是2。轉(zhuǎn)子動力穩(wěn)定性轉(zhuǎn)子動力穩(wěn)定性指一種現(xiàn)象，即使主動的穩(wěn)定的激勵(lì)非常低，具有反應(yīng)支持力的轉(zhuǎn)子及其系統(tǒng)能夠成為自激的，導(dǎo)致可能災(zāi)害性的振動水平。轉(zhuǎn)子動力不穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素是交叉耦合剛度，交叉剛度源于在軸承和其它緊密的旋轉(zhuǎn)間隙中建立的流體動力油膜，流體動力油膜具有傾

9、向于將轉(zhuǎn)子推回到其中心位置的有利效果-這是典型的流體膜（軸頸）軸承的工作原理。然而，除此之外，交叉耦合力矢量作用在與運(yùn)動垂直的方向，與源自流體阻尼的矢量方向相反，因此很多人將交叉耦合剛度理解為負(fù)阻尼。交叉耦合作用對穩(wěn)定性是非常重要的，如果交叉耦合力矢量變成大于阻尼矢量，振動引起反應(yīng)力以一種反饋的方式導(dǎo)致不斷增加的振動，軸心軌跡不斷變大直到產(chǎn)生嚴(yán)重摩擦，或由于大的運(yùn)動反饋停止。軸半速渦動是一個(gè)在低于一階非臨界阻尼的軸彎曲固有頻率下的受迫響應(yīng)，它是由流體激勵(lì)力驅(qū)動的，產(chǎn)生力的靜態(tài)壓力場以低于轉(zhuǎn)速的某個(gè)速度旋轉(zhuǎn)，流體旋轉(zhuǎn)的速度成為渦動速度。渦動最常見的原因是圍繞葉輪前或后側(cè)板，或在軸頸軸承的間隙的流

10、體旋轉(zhuǎn)，這種流體旋轉(zhuǎn)一般是轉(zhuǎn)速的約45%，因?yàn)榱黧w在定子殼壁是固定的，在轉(zhuǎn)子表面以轉(zhuǎn)子的速度旋轉(zhuǎn)，這樣在旋轉(zhuǎn)間隙建立起大約半速的“庫艾特流”分布。驅(qū)動這個(gè)渦動的壓力分布一般是傾斜的，這樣交叉耦合的分量與渦動運(yùn)動方向相同，并且可能很強(qiáng)。如果某種原因間隙在一側(cè)減小，例如由于偏心，結(jié)果耦合的力進(jìn)一步增加。如果流體渦動頻率隨轉(zhuǎn)速增加而增加，直到渦動位于一個(gè)轉(zhuǎn)子很小阻尼的臨界轉(zhuǎn)速，交叉耦合力的作用相位相對于對它的反應(yīng)力成為不穩(wěn)定的（力導(dǎo)致變形導(dǎo)致更大的力），那么“軸渦動”變?yōu)樗^的“軸振蕩”，它是很具破壞性的，迅速地磨損掉泵腔內(nèi)密封所需要的緊密設(shè)計(jì)間隙。軸振蕩的特征是一旦它開始，所有自激發(fā)生在軸的彎曲固

11、有頻率，這樣振動響應(yīng)頻率“鎖定”固有頻率。由于振蕩開始于當(dāng)渦動接近轉(zhuǎn)速的一半，并等于軸的固有頻率，正常的IX轉(zhuǎn)速頻率頻譜和大概圓形的軸心軌跡現(xiàn)在表現(xiàn)出顯著的大約0.45倍轉(zhuǎn)速分量，在軌跡上表現(xiàn)為一個(gè)環(huán)，反映每隔一轉(zhuǎn)一次軌跡脈動。這種情況下的典型觀察是振動“鎖定”在固有頻率上，導(dǎo)致在振蕩開始之后轉(zhuǎn)速升高，振動偏離渦動的恒定百分比轉(zhuǎn)速。參數(shù)共振和分?jǐn)?shù)頻率已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在透平機(jī)器中當(dāng)轉(zhuǎn)子與殼體的定子部件相互作用時(shí)，常見一些類型的非線性振動響應(yīng)，它們一般歸結(jié)到參數(shù)共振類型，超出了本文討論的范圍。它們可導(dǎo)致大的振動，盡管相對低的驅(qū)動力。一般來講，這些共振是由軸承支撐松動或在軸承、密封或其它旋轉(zhuǎn)間隙處的摩擦引

12、起的，征狀是脈動的軸心軌跡，在轉(zhuǎn)速的整分?jǐn)?shù)倍頻，如1/2，1/4等振動較大。測試方法-FFT頻譜分析振動幅值對頻率的FFT頻譜或“特征”分析可確定那些被強(qiáng)烈激起的頻率，對熟悉泵的內(nèi)部部件和泵所連接的系統(tǒng)的振動特性的專業(yè)人員，提示可能的根本原因。特征分析之后，實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析（EMA）已經(jīng)證明其通過分別確定泵系統(tǒng)的激勵(lì)力和固有頻率快速解決問題的能力。泵的振動達(dá)到最大的轉(zhuǎn)速，并且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，很嚴(yán)重足以引起可靠性問題，被稱為“臨界轉(zhuǎn)速”。泵的臨界轉(zhuǎn)速通常由“瀑布圖”確定，它是泵在靜止和運(yùn)行狀態(tài)之間加速或減速過程中，振動幅值對頻率的頻譜對時(shí)間的3-D繪圖。圖3所示的例子，是一個(gè)鍋爐給水泵在一個(gè)低流速下（排放

13、口節(jié)流）在一個(gè)速度范圍內(nèi)運(yùn)行的三維圖。對泵來說，這樣一個(gè)繪圖可能有明顯誤差，因?yàn)榄h(huán)形密封在起機(jī)和停機(jī)的瞬態(tài)的剛度值k與它們在感興趣的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的值有很大差別，主要由于Lomakin效應(yīng)。級聯(lián)圖的分析配對是坎貝爾圖，它是振動激勵(lì)頻率對轉(zhuǎn)速的繪圖。由于泵中最強(qiáng)的振動激勵(lì)發(fā)生在轉(zhuǎn)速的整數(shù)倍頻，這些（IX，2X和流道通過）在圖中作為從坐標(biāo)原點(diǎn)放射的斜線繪出，同樣對前幾個(gè)計(jì)算的轉(zhuǎn)子固有頻率匯出大約水平線。激勵(lì)和固有頻率曲線的交點(diǎn)用半徑等于交點(diǎn)發(fā)生的頻率的10%畫圓標(biāo)注，如果任何圓的任何部分位于代表最小和最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速的兩條垂直線之間，那么共振會發(fā)生，需要采取步驟移動有問題的固有頻率，增加其阻尼直到達(dá)到臨

14、界阻尼，或消除激勵(lì)源。SHAFTVIBS(IS)加dhfvrlLJIJ-ILmRADIALRUN-DOWNTEST的固有頻率，增加其阻尼直到達(dá)到臨界阻尼，或消除激勵(lì)源。SHAFTVIBS(IS)加dhfvrlLJIJ-ILmRADIALRUN-DOWNTESTRUNNINGSPEED.圖3,Off-BEP振動對轉(zhuǎn)速的瀑布或級聯(lián)圖測試方法-沖擊（敲擊）測試在模態(tài)響應(yīng)沖擊測試或激振器測試確定固有頻率時(shí)，展示結(jié)果方便的繪圖是log振動值對頻率，結(jié)合相位角對頻率的繪圖，這個(gè)繪圖識別和驗(yàn)證固有頻率的值并表示其放大系數(shù)。另一個(gè)有用的繪圖是奈奎斯特圖，它承載相似的信息，但以極坐標(biāo)圖的方式，振動值是放射的矢量

15、，相位是其角度。對后者，固有頻率繪圖作為近似圓，使用奈奎斯特圖接近的振型更容易識別和分開。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析（EMA）是一個(gè)振動測試方法，它對泵施加已知的力（在測試范圍所有頻率上恒定），泵由這個(gè)力單獨(dú)產(chǎn)生的振動響應(yīng)被觀察和分析。EMA可以在實(shí)驗(yàn)臺上也可以在現(xiàn)場確定泵的振動特性，可以得到結(jié)合了殼體、管道和支撐結(jié)構(gòu)的實(shí)際固有頻率；并且如果采用特殊的數(shù)據(jù)采集步驟，EMA也可以在泵的運(yùn)行狀態(tài)確定轉(zhuǎn)子的固有頻率。做EMA使用的主要工具是一個(gè)雙通道FFT頻率分析儀，一個(gè)PC和特定軟件，一組振動響應(yīng)探頭如加速度傳感器或渦流探頭，和一個(gè)沖擊力錘。力錘的設(shè)計(jì)能夠?qū)⒘Ψ植嫉揭粋€(gè)頻率范圍，覆蓋測試的范圍，結(jié)果就像一系列

16、激振器測試的結(jié)合。沖擊力錘在其頭部有一個(gè)加速度計(jì)，標(biāo)定指示施加的力，在EMA測試時(shí)，力錘沖擊力加速度傳感器的信號連接到頻譜分析儀的一個(gè)通道。在每個(gè)頻率上，第二通道除以第一通道得到泵及其連接的系統(tǒng)的“頻率響應(yīng)函數(shù)”（FRF）。FRF的峰是非臨界阻尼的固有頻率，峰的寬度和高度指示每個(gè)固有頻率的阻尼，以及在測試位置振動對力錘沖擊的位置附近發(fā)生的力，在給定固有頻率附近頻率的靈敏性。Marscher開發(fā)了EMA的變種，不需要停掉泵、在實(shí)際現(xiàn)場測試的時(shí)間和運(yùn)行制約下就可以準(zhǔn)確確定固有頻率，這個(gè)方法稱為時(shí)間平均沖擊（TAP）TAP方法統(tǒng)計(jì)識別模態(tài)分析的數(shù)據(jù)，以便在泵運(yùn)行在有問題的狀態(tài)下可靠地確定結(jié)構(gòu)固有頻率

17、和振型，共振力的位置和頻率，和轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速。TAP然后使用經(jīng)典模態(tài)分析處理技術(shù)產(chǎn)生每個(gè)固有頻率下振型的動畫模型，預(yù)測設(shè)想的設(shè)計(jì)改變的有效性，例如加強(qiáng)軸承剛度，新的管道支撐，或加厚基板。這個(gè)方法可應(yīng)用于任何轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下機(jī)方器。EMA可以分類復(fù)雜的模型測試數(shù)據(jù)庫，由多個(gè)位置對一個(gè)敲擊位置的振動響應(yīng)的FRF繪圖組成，選擇的敲擊位置代表可能存在顯著激勵(lì)力的地方。這個(gè)分類處理的結(jié)構(gòu)是準(zhǔn)確預(yù)測測試范圍內(nèi)每個(gè)固有頻率的頻率和阻尼，將“成箱的”固有頻率振動變?yōu)椤罢裥汀?。在一些EMA軟件，這個(gè)信息可以用來自動預(yù)測增加質(zhì)量、阻尼器或支撐的最佳位置，以解決與給定振型有關(guān)的振動問題。對于機(jī)器運(yùn)行時(shí)在很大位置和方向采集

18、的振動也可以做類似的“箱”，被稱為運(yùn)行變形形狀（ODS），ODS是一個(gè)非常有用的故障排查工具，因?yàn)橹T如軟腳、部件松動、過大柔性區(qū)域之類的問題即刻變?yōu)槊黠@的，從而可以提出修理措施。振動故障排查圖4和圖5表示一個(gè)代表性的泵型式的典型故障模式和相關(guān)的頻率，這些圖的重點(diǎn)不在于包括所有泵的問題，但示出了主要問題，以及這些問題如何與導(dǎo)致的振動相關(guān)。圖6表示FFT頻譜和x-y軌跡（在探頭位置軸中心線的運(yùn)動）如何被用來確定發(fā)生了什么故障，基于振動水平，它們的嚴(yán)重性怎樣。建了縱的q帆回純的或炒耿緊陽硼紗I廠鼻iWI恂mm處附謝和mm處附謝和轉(zhuǎn)或啊I刪軸水細(xì)的斥擦繃（2處）刪器疲為或r刪器疲為或rm圖4：臥式泵典型的流體和機(jī)械問題征兆圖5：與泵的故障模式相關(guān)的典型頻率圖6：軸心軌跡和頻譜，不對中舉例案例：立式泵帶空心軸/齒輪箱驅(qū)動一個(gè)主要的US煉油廠的一些服務(wù)水泵發(fā)生了一系列齒輪箱失效問題，發(fā)出強(qiáng)烈的尖銳噪聲違反OSHA標(biāo)準(zhǔn)。這些泵通過汽機(jī)經(jīng)過一個(gè)直角1：1齒輪箱和空心軸以可變轉(zhuǎn)速驅(qū)動。來自泵、透平和齒輪箱制造商和獨(dú)立咨詢公司的很多專家，在安裝以來的幾年中未能成功地使用振動特征測試（和某些FEA）理解和消除問題，更換一些按照更嚴(yán)格的誤差仔細(xì)建造的齒輪箱沒有效果，懷疑問題與由齒輪嚙合頻率激起的扭轉(zhuǎn)臨界轉(zhuǎn)速有關(guān)。然而，完成的扭振測試發(fā)現(xiàn)所有轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)固有頻率接近他們