摘 要：為解決某電廠循環(huán)水泵電機(jī)換新后振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題，采用頻譜分析進(jìn)行故障診斷，確定為共振問(wèn)題。再借助有限元計(jì)算，有針對(duì)性地對(duì)泵組進(jìn)行支撐加固，改變了泵組的固有頻率，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)避開(kāi)了共振區(qū)間，共振問(wèn)題因此得到妥善解決。

概述

立式混流泵廣泛應(yīng)用于能源化工行業(yè)冷卻水輸送、海水淡化、城市排水、南水北調(diào)、農(nóng)業(yè)灌溉等，但由于其軸系長(zhǎng)、支撐剛度低等特點(diǎn)，無(wú)論是變頻改造還是更換某些部件，都極易引發(fā)水平方向的共振問(wèn)題。一旦發(fā)生共振問(wèn)題，如果不進(jìn)行振動(dòng)分析、明確振動(dòng)機(jī)理、破壞共振條件，僅每次檢修轉(zhuǎn)子部件、更換磨損的導(dǎo)軸承等，將無(wú)法徹底解決振動(dòng)問(wèn)題。本文結(jié)合頻譜分析及有限元分析，為此類轉(zhuǎn)頻共振問(wèn)題提供了解決思路，該思路成本低，效率高。

循環(huán)水泵組介紹

循環(huán)水泵為立式單級(jí)、非抽芯式混流泵，葉片角度固定不可調(diào)，泵重7.5 t，額定轉(zhuǎn)速745 rpm。新更換的電機(jī)為定速電機(jī)，重量7.2 t，額定轉(zhuǎn)速747 rpm，泵與電機(jī)配有各自的推力軸承。

如圖1所示，泵組分為基礎(chǔ)以上部分（依次為：1. 立式電機(jī)，2. 電機(jī)架，3. 水泵推力軸承箱，4. 出水彎座，5. 底板）和基礎(chǔ)以下部分（為：6. 泵體及轉(zhuǎn)子部件）。

振動(dòng)情況及處理措施

四臺(tái)循環(huán)水泵自更換新電機(jī)后，運(yùn)行均出現(xiàn)電機(jī)頂部軸承水平方向振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)的情況。

原始狀態(tài)

循環(huán)水泵及電機(jī)初始振動(dòng)速度如表1所示。

表1：初始振動(dòng)速度表（mm/s，rms）

頻譜分析

脫開(kāi)泵與電機(jī)之間的聯(lián)軸器，進(jìn)行電機(jī)空載測(cè)試，頻譜見(jiàn)圖2。

圖2：電機(jī)空轉(zhuǎn)頻譜

電機(jī)空轉(zhuǎn)振動(dòng)速度見(jiàn)表2。

表2：電機(jī)空轉(zhuǎn)振動(dòng)速度（mm/s，rms）

根據(jù)頻譜，判斷電機(jī)振動(dòng)主要由轉(zhuǎn)頻引起（額定轉(zhuǎn)速745rpm，頻率12.45Hz）。轉(zhuǎn)頻振動(dòng)大，考慮的因素有：轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡差，轉(zhuǎn)子缺陷，安裝松動(dòng)，共振等。此前水泵和電機(jī)均返廠維修，重做動(dòng)平衡，均未解決振動(dòng)問(wèn)題，因此判斷共振的可能性較大。

固有頻率測(cè)試

進(jìn)行敲擊實(shí)驗(yàn)，固有頻率測(cè)試結(jié)果如圖3和表3。

圖3：電機(jī)固有頻率

表3：電機(jī)固有頻率

出水方向和垂直出水方向固有頻率存在差異，主要是因?yàn)椋?/p>

1）電機(jī)架垂直出水方向開(kāi)了檢修窗。

2）出水方向連接了出水管路[1]。

物體的固有頻率和物體的質(zhì)量成反比，和剛性成正比，表達(dá)式為：

式中，

因此，我們可以通過(guò)改變物體剛度或質(zhì)量來(lái)改變固有頻率，避開(kāi)共振區(qū)間，減小振動(dòng)。如松開(kāi)電機(jī)地腳螺栓后空轉(zhuǎn)電機(jī)，電機(jī)頂部振動(dòng)由先前的18 mm/s~20 mm/s（rms）下降至2 mm/s~4mm/s（rms），變化明顯。因?yàn)樗砷_(kāi)螺栓后，剛性下降，固有頻率改變，破壞了共振條件從而影響振動(dòng)，該方法可以作為無(wú)頻譜分析儀時(shí)判斷共振的簡(jiǎn)單方法[1]。

有限元分析

對(duì)于共振問(wèn)題，有限元分析是出具解決方案最直接有效且低成本的方法之一。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，在不更改土建和設(shè)備的情況下，得到改造后的泵組的固有頻率，大大降低了試錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)和成本。

圖4：原泵組有限元分析

表4：原泵組固有頻率計(jì)算結(jié)果

API610標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，固有頻率應(yīng)避開(kāi)轉(zhuǎn)子頻率的±10%。工程上，固有頻率±10％為嚴(yán)重共振區(qū)，固有頻率±20％為共振風(fēng)險(xiǎn)區(qū)[2]。

解決共振問(wèn)題，可以從兩方面著手，一方面減弱振動(dòng)激勵(lì)力，另一方面改變固有頻率以避開(kāi)共振區(qū)。改變固有頻率也可以從兩方面考慮，一是通過(guò)增強(qiáng)剛度或減輕質(zhì)量來(lái)提高固有頻率，二是通過(guò)減弱剛度或增加質(zhì)量來(lái)降低固有頻率[3]。對(duì)于變速運(yùn)行的設(shè)備，一定要避免改造后的設(shè)備的固有頻率落在工作轉(zhuǎn)速區(qū)間，避免和其他常見(jiàn)故障頻率重合（如2X，3X等），否則會(huì)出現(xiàn)解決了一個(gè)共振點(diǎn)卻引發(fā)了另個(gè)共振點(diǎn)的情況。

一般地，為了減少工期和成本，工程上大多采取加支撐的方式來(lái)提高固有頻率。若通過(guò)焊接的方法將支撐件和泵組相連，需要注意泵組部件是否熱變形，帶來(lái)結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)。本案例中，通過(guò)三維建模，在地基上建立四根斜撐，頂住電機(jī)架，再對(duì)改造后的泵組進(jìn)行有限元計(jì)算。

圖5：改造后泵組有限元分析

表5：改造后泵組固有頻率計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算，加上四根斜撐，在正確安裝的情況下，改造后的泵組的固有頻率有了明顯提高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)避開(kāi)了共振風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

現(xiàn)場(chǎng)施工及驗(yàn)證

將設(shè)計(jì)制造好的斜撐通過(guò)膨脹螺栓固定在基礎(chǔ)地面，另一端通過(guò)螺栓緊固在電機(jī)架上。

空載測(cè)試中，電機(jī)頂部軸承水平方向振動(dòng)均小于1.5 mm/s（rms），帶載測(cè)試振動(dòng)也小于2 mm/s（rms），共振問(wèn)題得到解決。

結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于立式泵強(qiáng)烈的轉(zhuǎn)頻振動(dòng)，在進(jìn)行轉(zhuǎn)子故障分析或安裝問(wèn)題檢查的同時(shí)，要判斷泵組有無(wú)共振風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。若固有頻率與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率避開(kāi)率低，則需要處理共振問(wèn)題。通過(guò)三步走的方法：定位振動(dòng)源，確認(rèn)共振問(wèn)題，改造泵組以改變固有頻率，從而達(dá)到解決振動(dòng)的目的。

參考文獻(xiàn)

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兩位作者均來(lái)自于：上海凱士比泵有限公司