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立式循環(huán)水泵振動原因分析及解決方案
發(fā)布時間:2023年06月16日

摘 要:為解決某電廠循環(huán)水泵電機換新后振動超標問題,采用頻譜分析進行故障診斷,確定為共振問題。再借助有限元計算,有針對性地對泵組進行支撐加固,改變了泵組的固有頻率,使其遠遠避開了共振區(qū)間,共振問題因此得到妥善解決。

概述

立式混流泵廣泛應用于能源化工行業(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、支撐剛度低等特點,無論是變頻改造還是更換某些部件,都極易引發(fā)水平方向的共振問題。一旦發(fā)生共振問題,如果不進行振動分析、明確振動機理、破壞共振條件,僅每次檢修轉子部件、更換磨損的導軸承等,將無法徹底解決振動問題。本文結合頻譜分析及有限元分析,為此類轉頻共振問題提供了解決思路,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、非抽芯式混流泵,葉片角度固定不可調(diào),泵重7.5 t,額定轉速745 rpm。新更換的電機為定速電機,重量7.2 t,額定轉速747 rpm,泵與電機配有各自的推力軸承。

圖1:循環(huán)水泵外形結構

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

振動情況及處理措施

四臺循環(huán)水泵自更換新電機后,運行均出現(xiàn)電機頂部軸承水平方向振動嚴重超標的情況。

原始狀態(tài)

循環(huán)水泵及電機初始振動速度如表1所示。

表1:初始振動速度表(mm/s,rms)

頻譜分析

脫開泵與電機之間的聯(lián)軸器,進行電機空載測試,頻譜見圖2。

圖2:電機空轉頻譜

電機空轉振動速度見表2。

表2:電機空轉振動速度(mm/s,rms)

根據(jù)頻譜,判斷電機振動主要由轉頻引起(額定轉速745rpm,頻率12.45Hz)。轉頻振動大,考慮的因素有:轉子動平衡差,轉子缺陷,安裝松動,共振等。此前水泵和電機均返廠維修,重做動平衡,均未解決振動問題,因此判斷共振的可能性較大。

固有頻率測試

進行敲擊實驗,固有頻率測試結果如圖3和表3。

圖3:電機固有頻率

表3:電機固有頻率

出水方向和垂直出水方向固有頻率存在差異,主要是因為:

1)電機架垂直出水方向開了檢修窗。

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,表達式為:


式中,


因此,我們可以通過改變物體剛度或質(zhì)量來改變固有頻率,避開共振區(qū)間,減小振動。如松開電機地腳螺栓后空轉電機,電機頂部振動由先前的18 mm/s~20 mm/s(rms)下降至2 mm/s~4mm/s(rms),變化明顯。因為松開螺栓后,剛性下降,固有頻率改變,破壞了共振條件從而影響振動,該方法可以作為無頻譜分析儀時判斷共振的簡單方法[1]。

有限元分析

對于共振問題,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。通過數(shù)值計算,在不更改土建和設備的情況下,得到改造后的泵組的固有頻率,大大降低了試錯風險和成本。

圖4:原泵組有限元分析

表4:原泵組固有頻率計算結果

API610標準規(guī)定,固有頻率應避開轉子頻率的±10%。工程上,固有頻率±10%為嚴重共振區(qū),固有頻率±20%為共振風險區(qū)[2]。

解決共振問題,可以從兩方面著手,一方面減弱振動激勵力,另一方面改變固有頻率以避開共振區(qū)。改變固有頻率也可以從兩方面考慮,一是通過增強剛度或減輕質(zhì)量來提高固有頻率,二是通過減弱剛度或增加質(zhì)量來降低固有頻率[3]。對于變速運行的設備,一定要避免改造后的設備的固有頻率落在工作轉速區(qū)間,避免和其他常見故障頻率重合(如2X,3X等),否則會出現(xiàn)解決了一個共振點卻引發(fā)了另個共振點的情況。

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提高固有頻率。若通過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,帶來結構安全風險。本案例中,通過三維建模,在地基上建立四根斜撐,頂住電機架,再對改造后的泵組進行有限元計算。

圖5:改造后泵組有限元分析

表5:改造后泵組固有頻率計算結果

經(jīng)過計算,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,遠遠避開了共振風險區(qū)。

現(xiàn)場施工及驗證

將設計制造好的斜撐通過膨脹螺栓固定在基礎地面,另一端通過螺栓緊固在電機架上。

空載測試中,電機頂部軸承水平方向振動均小于1.5 mm/s(rms),帶載測試振動也小于2 mm/s(rms),共振問題得到解決。

結束語

對于立式泵強烈的轉頻振動,在進行轉子故障分析或安裝問題檢查的同時,要判斷泵組有無共振風險[4-5]。若固有頻率與轉動頻率避開率低,則需要處理共振問題。通過三步走的方法:定位振動源,確認共振問題,改造泵組以改變固有頻率,從而達到解決振動的目的。

參考文獻

[1] 何國安,龔偉,李志強,張衛(wèi)軍.立式泵組結構共振分析及治理[J].熱力發(fā)電2015,44(11):94-97.

[2] 孔濤,周文朝,李海峰.立式泵組共振問題分類及預防[J].水泵技術,20199(2):19-23.

[3] 付江永,劉明利,王鴻雁.核電站立式長軸泵電動機故障診斷及處理[J].發(fā)電設備,2019,33(3):201-204.

[4] 柯嘯.核電站立式泵-電機振動高設計改進[J].電氣技術,2017,7:73-77.

[5] 潘再兵.立式導葉式泵振動問題的探討[J].中國農(nóng)村水利水電,2008,7:100-102.

兩位作者均來自于:上海凱士比泵有限公司