泵振動原因、測試與解決方法

1、 /24轉子動力學評估轉子動力學需要一個比結構動力學更專業(yè)計算機程序，因為它必須包括的影響如：在軸承，葉輪和密封，作為轉速和負荷的函數(shù)的三維剛度和阻尼葉輪和止推平衡裝置流體激勵力陀螺效應然而，一些大學和商業(yè)組織開發(fā)了轉子動力學程序，可用的程序包括各種計算子程序，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)計算，臨界轉速計算，激勵響應和轉子穩(wěn)定性計算，它包括軸承和密封阻尼和“交叉耦合剛度”的影響（即與運動垂直的的反作用力）。流體“增加質(zhì)量”對轉子動力學固有頻率的影響圍繞轉子的流體以三種方式增加轉子的慣性：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子系統(tǒng)增加

2、質(zhì)量，由于轉子在流體中的振動，它必須移動這個質(zhì)量；以及在緊密間隙中的流體，一定比轉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”對轉子動力學固有頻率的影響泵的環(huán)形密封（例如，摩擦環(huán)和平衡鼓）可對動力學特性影響很大，通過改變轉子支撐剛度從而轉子固有頻率，因此可以避開或導致強一倍和二倍轉頻激勵與一個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（對滑動軸承設計廣為所知）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對圓周流速比例，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、著轉子偏心的發(fā)展引起B(yǎng)ernoulli壓降，這被稱為Lomakin效應，并且是泵的環(huán)形密封中最大的剛度和阻尼力產(chǎn)生機制。Lomakin效應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速的平方而變化。然而，對于大約恒定的系統(tǒng)壓頭，導致只有很小的Lomakin效應隨轉速的變化。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，流體漩渦可以導致Lomakin效應的顯著下降，或者增加伴隨它的交叉耦合，重要的是，當交叉耦合反作用力超過阻尼反作用力，它可能引起轉子動力學不穩(wěn)定（如合理設置的轉子動力學程序所估算的那樣）。間隙效應是最強

4、的幾何尺寸影響，Lomakin效應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，在這個角度看深槽比淺槽更差。轉子扭轉分析橫向轉子動力學分析可以通常不包括其它泵系統(tǒng)部件，如驅動機，泵殼體，軸承座，基礎或管道，然而，泵軸的扭轉振動和各種泵固定結構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激勵的電動機驅動，或由往復發(fā)動機驅動，復雜的泵/驅動鏈具有扭振問題的可能性。這可以通過計算進

5、行檢查，包括前幾階扭振臨界轉速，和系統(tǒng)在起機瞬態(tài)，穩(wěn)態(tài)運行，連鎖和電動機控制的瞬態(tài)過程中對激勵的強迫振動響應。強迫響應應該按照靜態(tài)的加上振蕩的應力之和，在驅動鏈的最高應力元件，通常是最小軸直徑處。一般計算前兩個扭振模型足夠覆蓋期望的激勵頻率范圍，為此，泵機組必須按照至少三個部分建模：泵轉子，聯(lián)軸器（包括任何墊塊）和驅動機轉子。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數(shù)量級，必須包含在分析中。聯(lián)軸器扭轉剛度的良好估計，通常相對獨立與速度和穩(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，每個齒輪必須單獨考慮，按照慣量和嚙合比。如果泵或驅動轉子與將

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

7、率，以及這些頻率下發(fā)生扭矩值，任何給定轉速和流量下的泵的扭矩可以乘以一個單位系數(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)定運行扭矩的大約0.01至0.05，峰-峰值。來自電動機的最重要的扭轉激勵頻率是極數(shù)乘以滑差頻率（對感應電動機），轉速乘以極數(shù)，以及轉速本身；泵的不穩(wěn)定的流體扭矩也存在，頻率表現(xiàn)為轉速乘以葉輪流道數(shù)，強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最佳運行點運行和/或葉輪少于4個流道一般具有較高的值。對于包括變速或VFD的系統(tǒng)，應該特別關注，除了激勵頻率掃描一個大的范圍從而增加發(fā)

8、生共振的機會，老式的VFD控制器提供新的激勵，表現(xiàn)在電動機轉速的各種“控制脈沖”乘數(shù)，通常為6X或12X，以及也常為整分數(shù)約數(shù)?？刂破魃a(chǎn)廠商可以預測這些頻率及其相關的p.u.系數(shù)。對機組扭轉特性的可接受度的判斷應該基于在所有運行狀態(tài)，受迫響應軸應力是否在疲勞極限預留了足夠安全系數(shù)之下。對一個仔細分析的轉子系統(tǒng)，推薦的最小安全系數(shù)是2。轉子動力穩(wěn)定性轉子動力穩(wěn)定性指一種現(xiàn)象，即使主動的穩(wěn)定的激勵非常低，具有反應支持力的轉子及其系統(tǒng)能夠成為自激的，導致可能災害性的振動水平。轉子動力不穩(wěn)定性的一個關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，振動引起反應力以一種反饋的方式導致不斷增加的振動，軸心軌跡不斷變大直到產(chǎn)生嚴重摩擦，或由于大的運動反饋停止。軸半速渦動是一個在低于一階非臨界阻尼的軸彎曲固有頻率下的受迫響應，它是由流體激勵力驅動的，產(chǎn)生力的靜態(tài)壓力場以低于轉速的某個速度旋轉，流體旋轉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板，或在軸頸軸承的間隙的流

10、體旋轉，這種流體旋轉一般是轉速的約45%，因為流體在定子殼壁是固定的，在轉子表面以轉子的速度旋轉，這樣在旋轉間隙建立起大約半速的“庫艾特流”分布。驅動這個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動方向相同，并且可能很強。如果某種原因間隙在一側減小，例如由于偏心，結果耦合的力進一步增加。如果流體渦動頻率隨轉速增加而增加，直到渦動位于一個轉子很小阻尼的臨界轉速，交叉耦合力的作用相位相對于對它的反應力成為不穩(wěn)定的（力導致變形導致更大的力），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計間隙。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，這樣振動響應頻率“鎖定”固有頻率。由于振蕩開始于當渦動接近轉速的一半，并等于軸的固有頻率，正常的IX轉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倍轉速分量，在軌跡上表現(xiàn)為一個環(huán)，反映每隔一轉一次軌跡脈動。這種情況下的典型觀察是振動“鎖定”在固有頻率上，導致在振蕩開始之后轉速升高，振動偏離渦動的恒定百分比轉速。參數(shù)共振和分數(shù)頻率已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在透平機器中當轉子與殼體的定子部件相互作用時，常見一些類型的非線性振動響應，它們一般歸結到參數(shù)共振類型，超出了本文討論的范圍。它們可導致大的振動，盡管相對低的驅動力。一般來講，這些共振是由軸承支撐松動或在軸承、密封或其它旋轉間隙處的摩擦引

12、起的，征狀是脈動的軸心軌跡，在轉速的整分數(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，實驗模態(tài)分析（EMA）已經(jīng)證明其通過分別確定泵系統(tǒng)的激勵力和固有頻率快速解決問題的能力。泵的振動達到最大的轉速，并且根據(jù)經(jīng)驗，很嚴重足以引起可靠性問題，被稱為“臨界轉速”。泵的臨界轉速通常由“瀑布圖”確定，它是泵在靜止和運行狀態(tài)之間加速或減速過程中，振動幅值對頻率的頻譜對時間的3-D繪圖。圖3所示的例子，是一個鍋爐給水泵在一個低流速下（排放

13、口節(jié)流）在一個速度范圍內(nèi)運行的三維圖。對泵來說，這樣一個繪圖可能有明顯誤差，因為環(huán)形密封在起機和停機的瞬態(tài)的剛度值k與它們在感興趣的穩(wěn)定運行狀態(tài)的值有很大差別，主要由于Lomakin效應。級聯(lián)圖的分析配對是坎貝爾圖，它是振動激勵頻率對轉速的繪圖。由于泵中最強的振動激勵發(fā)生在轉速的整數(shù)倍頻，這些（IX，2X和流道通過）在圖中作為從坐標原點放射的斜線繪出，同樣對前幾個計算的轉子固有頻率匯出大約水平線。激勵和固有頻率曲線的交點用半徑等于交點發(fā)生的頻率的10%畫圓標注，如果任何圓的任何部分位于代表最小和最大運行轉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，增加其阻尼直到達到臨

14、界阻尼，或消除激勵源。SHAFTVIBS(IS)加dhfvrlLJIJ-ILmRADIALRUN-DOWNTEST的固有頻率，增加其阻尼直到達到臨界阻尼，或消除激勵源。SHAFTVIBS(IS)加dhfvrlLJIJ-ILmRADIALRUN-DOWNTESTRUNNINGSPEED.圖3,Off-BEP振動對轉速的瀑布或級聯(lián)圖測試方法-沖擊（敲擊）測試在模態(tài)響應沖擊測試或激振器測試確定固有頻率時，展示結果方便的繪圖是log振動值對頻率，結合相位角對頻率的繪圖，這個繪圖識別和驗證固有頻率的值并表示其放大系數(shù)。另一個有用的繪圖是奈奎斯特圖，它承載相似的信息，但以極坐標圖的方式，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。實驗模態(tài)分析（EMA）是一個振動測試方法，它對泵施加已知的力（在測試范圍所有頻率上恒定），泵由這個力單獨產(chǎn)生的振動響應被觀察和分析。EMA可以在實驗臺上也可以在現(xiàn)場確定泵的振動特性，可以得到結合了殼體、管道和支撐結構的實際固有頻率；并且如果采用特殊的數(shù)據(jù)采集步驟，EMA也可以在泵的運行狀態(tài)確定轉子的固有頻率。做EMA使用的主要工具是一個雙通道FFT頻率分析儀，一個PC和特定軟件，一組振動響應探頭如加速度傳感器或渦流探頭，和一個沖擊力錘。力錘的設計能夠將將力分布到一個頻率范圍，覆蓋測試的范圍，結果就像一系列

16、激振器測試的結合。沖擊力錘在其頭部有一個加速度計，標定指示施加的力，在EMA測試時，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通道。在每個頻率上，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、在實際現(xiàn)場測試的時間和運行制約下就可以準確確定固有頻率，這個方法稱為時間平均沖擊（TAP）TAP方法統(tǒng)計識別模態(tài)分析的數(shù)據(jù)，以便在泵運行在有問題的狀態(tài)下可靠地確定結構固有頻率

17、和振型，共振力的位置和頻率，和轉子臨界轉速。TAP然后使用經(jīng)典模態(tài)分析處理技術產(chǎn)生每個固有頻率下振型的動畫模型，預測設想的設計改變的有效性，例如加強軸承剛度，新的管道支撐，或加厚基板。這個方法可應用于任何轉速和負荷下機方器。EMA可以分類復雜的模型測試數(shù)據(jù)庫，由多個位置對一個敲擊位置的振動響應的FRF繪圖組成，選擇的敲擊位置代表可能存在顯著激勵力的地方。這個分類處理的結構是準確預測測試范圍內(nèi)每個固有頻率的頻率和阻尼，將“成箱的”固有頻率振動變?yōu)椤罢裥汀薄Ｔ谝恍〦MA軟件，這個信息可以用來自動預測增加質(zhì)量、阻尼器或支撐的最佳位置，以解決與給定振型有關的振動問題。對于機器運行時在很大位置和方向采集

18、的振動也可以做類似的“箱”，被稱為運行變形形狀（ODS），ODS是一個非常有用的故障排查工具，因為諸如軟腳、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表示一個代表性的泵型式的典型故障模式和相關的頻率，這些圖的重點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致的振動相關。圖6表示FFT頻譜和x-y軌跡（在探頭位置軸中心線的運動）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處附謝和轉或啊I刪軸水細的斥擦繃（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械問題征兆圖5：與泵的故障模式相關的典型頻率圖6：軸心軌跡和頻譜，不對中舉例案例：立式泵帶空心軸/齒輪箱驅動一個主要的US煉油廠的一些服務水泵發(fā)生了一系列齒輪箱失效問題，發(fā)出強烈的尖銳噪聲違反OSHA標準。這些泵通過汽機經(jīng)過一個直角1：1齒輪箱和空心軸以可變轉速驅動。來自泵、透平和齒輪箱制造商和獨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，更換一些按照更嚴格的誤差仔細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臨界轉速有關。然而，完成的扭振測試發(fā)現(xiàn)所有轉子系統(tǒng)的扭轉固有頻率接近他們