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離心泵產(chǎn)生振動(dòng)的原因分析
點(diǎn)擊次數(shù)：723 發(fā)布時(shí)間：2021-5-6
所有的水泵和旋轉(zhuǎn)機(jī)械都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。振動(dòng)的產(chǎn)生是無法避免的，也不是泵本身的問題：經(jīng)設(shè)計(jì)者(以及電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者)設(shè)計(jì)的泵能承受正常限度內(nèi)的振動(dòng)。這些振動(dòng)限度隨泵的類型、安裝配置、供電要求、旋轉(zhuǎn)速度以及泵送的液體等的差異而發(fā)生變化。水力資源協(xié)會(huì)出版了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)所采用的一整套標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)容涵蓋了振動(dòng)動(dòng)力學(xué)、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)以及允許限度。該標(biāo)準(zhǔn)為ANSI/HI9.6.4。
通常情況下，如不造成明顯問題大部分的振動(dòng)都忽略不計(jì)(但不建議忽略)。過度振動(dòng)可能導(dǎo)致噪音過大、設(shè)備損壞以及過早疲勞失效。近幾年內(nèi)開發(fā)的BAC網(wǎng)絡(luò)、SCADA系統(tǒng)以及建筑管理系統(tǒng)和生產(chǎn)商設(shè)計(jì)和開發(fā)的系統(tǒng)已頻繁用于測(cè)量和記錄泵內(nèi)的振動(dòng)。確立基準(zhǔn)參考值、確定限度以及將振動(dòng)測(cè)量值并入預(yù)防性維修計(jì)劃等，通常將在振動(dòng)引起重大故障或其他無法預(yù)知的后果之前保證泵的正常服務(wù)。
但是振動(dòng)本身并不是"根本性問題"：振動(dòng)由泵內(nèi)部或系統(tǒng)內(nèi)部的某個(gè)部件引起。
水泵振動(dòng)產(chǎn)生的三大原因
1.誤用、設(shè)計(jì)或制造引起的振動(dòng)
2.內(nèi)部原因引起的振動(dòng)
3.外部原因引起的振動(dòng)
由上述任一類原因引起的振動(dòng)通常將導(dǎo)致其加劇達(dá)到一個(gè)將導(dǎo)致另一原因下出現(xiàn)故障的水平。
誤用、設(shè)計(jì)或制造引起的振動(dòng)
目前這一類原因?yàn)樯僖姡谔幚肀玫恼駝?dòng)問題時(shí)卻通常是首先考慮的因素。
引起振動(dòng)的這一類原因的主要原因包括：
a.臨界轉(zhuǎn)速問題——這類問題實(shí)際上在以全速運(yùn)行的臥式泵內(nèi)是不存在的：生產(chǎn)商已對(duì)泵進(jìn)行了設(shè)計(jì)，因此其第一臨界轉(zhuǎn)速將高出高轉(zhuǎn)速。("臨界轉(zhuǎn)速"指激起旋轉(zhuǎn)設(shè)備自然頻率的理論角速度。旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到自然頻率時(shí)便發(fā)生振動(dòng)和共振。)在立式泵(如具有各類長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)頭的立式渦輪機(jī))內(nèi)，臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)在制造之前予以考慮。在臥式泵內(nèi)，臨界轉(zhuǎn)速通常由超速、缺少管道支撐件或未考慮的多泵組引起。(缺少管道支撐件時(shí)，管道實(shí)際上成為了"泵的一部分"，且系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速與泵的臨界轉(zhuǎn)速不同。)這與下文將討論的外部原因引起的問題相類似?？刹捎脙煞N方法糾正臨界轉(zhuǎn)速問題，將振動(dòng)減少至可接受水平：
1.改變泵的自然頻率，這一操作應(yīng)咨詢泵生產(chǎn)商或在其協(xié)助下進(jìn)行。屬于常用方法。
2.改變轉(zhuǎn)速(針對(duì)VFD系統(tǒng)時(shí)尤為有用)。通過臨界轉(zhuǎn)速"鎖定"或加速以預(yù)防機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。
b.嚴(yán)重氣濁——氣濁達(dá)到一定嚴(yán)重程度時(shí)(由NPSH或攜入的空氣引起)，內(nèi)爆的能量將引起整個(gè)裝置急劇振動(dòng)。當(dāng)然，隨著氣濁的繼續(xù)，泵輪材料將被腐蝕，振動(dòng)也進(jìn)一步加劇。合理選用泵則可避免此類情況出現(xiàn)，但隨著系統(tǒng)老化以及管道改變這類情況仍可發(fā)生。將需要增加NPSH或排空現(xiàn)有系統(tǒng)內(nèi)的攜入空氣。
c.腐蝕和沖蝕——雖然腐蝕和沖蝕問題極易被視為"內(nèi)部問題"，但是其根源在于為泵的抽送能力選擇材料時(shí)的不當(dāng)。腐蝕或沖蝕產(chǎn)生的損壞可能毀壞葉輪或頸環(huán)，導(dǎo)致機(jī)械的振動(dòng)超出限度。需分析泵的抽送能力才能解決這一問題。即使受沙礫沖蝕較厲害，仍需按照步驟更換材料以*問題或延長(zhǎng)MTBF。
d.葉輪的不平衡——按照ISO標(biāo)準(zhǔn)1940/1，葉輪應(yīng)該切割到大運(yùn)行速度時(shí)的恰當(dāng)直徑并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡(6.3級(jí))，該平衡級(jí)允許轉(zhuǎn)速為1800時(shí)每盎司泵輪重量產(chǎn)生0.0014盎司英寸不平衡(轉(zhuǎn)速為3600時(shí)為0.0007盎司英寸/盎司)。如果在現(xiàn)有泵上切割葉輪，按照標(biāo)準(zhǔn)平衡葉輪時(shí)出現(xiàn)初始故障或重新平衡失敗將導(dǎo)致振動(dòng)超出可接受的范圍。這一點(diǎn)在各種大、小機(jī)械上均很重要，因?yàn)橐呀⒌臉?biāo)準(zhǔn)考慮了機(jī)械的總質(zhì)量以及葉輪對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生的影響。解決方法是拆掉葉輪重新進(jìn)行平衡。
e.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)元件的不平衡——這是一種少見的制造缺陷。有關(guān)電動(dòng)機(jī)平衡測(cè)試要求請(qǐng)見美國(guó)電氣制造業(yè)協(xié)會(huì)(NEMA)的標(biāo)準(zhǔn)MG-12007第1節(jié)第7部分。通常情況下，被確定為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡(通過斷開電動(dòng)機(jī)并由其自行運(yùn)轉(zhuǎn))的問題實(shí)際上是曲軸或軸承故障問題，該內(nèi)容已在本文其他部分進(jìn)行討論。電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)部分的不平衡實(shí)際上在啟動(dòng)時(shí)(或啟動(dòng)過后不久)將非常明顯。如果需質(zhì)量保證，應(yīng)咨詢電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商或著名電動(dòng)機(jī)維修店，如與美國(guó)電氣設(shè)備維修協(xié)會(huì)(EASA)合作的店。
f.軟底腳——安裝支座(通常在電動(dòng)機(jī)上，但也在無整體支座的泵上)不在同一平面內(nèi)時(shí)會(huì)出現(xiàn)這一問題，是出現(xiàn)相對(duì)頻繁的導(dǎo)致振動(dòng)的問題。由于支座在下方固定，框架扭轉(zhuǎn)時(shí)，振動(dòng)產(chǎn)生。這可能且確實(shí)已經(jīng)在鑄型電動(dòng)機(jī)上發(fā)生且在初期很難確定，因?yàn)楣舱駥⒃谡麄€(gè)機(jī)械以及管道內(nèi)(通常)傳送。軟底腳通常出現(xiàn)在啟動(dòng)時(shí)或維護(hù)后?？紤]到其頻率，除非其他振動(dòng)引起的問題可以很容易地確定，建議在故障排查程序的早期檢查軟底腳。檢查安裝可使用度標(biāo)指示的方法。另一種常用的簡(jiǎn)易方法則是輕輕解開壓緊螺栓(一次解一個(gè))并檢查振動(dòng)是否減少或消除。如果發(fā)現(xiàn)振動(dòng)或螺栓解開過當(dāng)，加墊片并重新校準(zhǔn)就可以糾正。如果螺栓為解開狀態(tài)，則應(yīng)進(jìn)行標(biāo)記以防日后忘記對(duì)其進(jìn)行緊固。
g.不平衡聯(lián)軸器——不能與未對(duì)準(zhǔn)的情況混淆，聯(lián)軸器本身極少出現(xiàn)不平衡的情況。實(shí)際上在四極速度時(shí)絕不會(huì)出現(xiàn)不平衡，在兩極速度時(shí)出現(xiàn)的頻率也不高。當(dāng)排除所有引起振動(dòng)的原因后應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行不平衡問題的調(diào)查。雖然重新平衡聯(lián)軸器有可能實(shí)現(xiàn)，但整套更換通常將更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。
h.機(jī)械容差——即使單個(gè)部件的容差值在生產(chǎn)商規(guī)范所規(guī)定的范圍內(nèi)，機(jī)械容差仍可引起機(jī)械內(nèi)的振動(dòng)。簡(jiǎn)言之，泵組裝的零件越多，(在其他條件相同的情況下)容差"累計(jì)"使機(jī)械產(chǎn)生振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)越大。單個(gè)部件在檢查時(shí)可能在規(guī)范(通常為ASME/ANSIY14.5)允許的范圍內(nèi)。由于這樣一個(gè)事實(shí)的存在，即采用可能產(chǎn)生問題的已加工部件查找并確定其他可能問題，上述情況將變得更為復(fù)雜。精確度和垂直狀態(tài)的全面檢查將難于在實(shí)地準(zhǔn)確測(cè)量，但是這是確定問題的途徑。
i.在另一方面，如果容差直接涉及轉(zhuǎn)動(dòng)部件，則機(jī)械容差引起的振動(dòng)將易于診斷。"失圓"或"失方"的加工部件可能導(dǎo)致在其他部件內(nèi)出現(xiàn)束縛或磨削。參考下文"外部原因?qū)е抡駝?dòng)"中的內(nèi)容，區(qū)別機(jī)械容差與管道校準(zhǔn)問題。
j.機(jī)械松動(dòng)——為了便于討論，本文中的機(jī)械松動(dòng)僅指螺母和螺栓沒有恰當(dāng)進(jìn)行緊固的情況。單獨(dú)的螺帽在裝配時(shí)可能沒有緊固或在運(yùn)輸和安裝過程中出現(xiàn)松動(dòng)。所有外部螺帽在運(yùn)輸和安裝時(shí)應(yīng)解開。生產(chǎn)商每次就裝配提出建議時(shí)，所有外部螺帽應(yīng)緊固并在隨后進(jìn)行定期緊固(對(duì)于大多數(shù)機(jī)械，建議每年緊固一次)。
內(nèi)部原因引起的振動(dòng)
為了便于進(jìn)行論述，本文中"內(nèi)部原因"指機(jī)器內(nèi)部的原因，不論是在泵的外部或內(nèi)部。這些原因包括：
a.泵和電動(dòng)機(jī)未對(duì)準(zhǔn)——這無可爭(zhēng)辯的是泵內(nèi)產(chǎn)生振動(dòng)的常見原因(其他原因，參考"外部原因引起的振動(dòng)")。應(yīng)該注意的是，按照泵生產(chǎn)商建議(而非聯(lián)軸器生產(chǎn)商的限制范圍)進(jìn)行校準(zhǔn)極為重要。(聯(lián)軸器通?？梢员缺没螂妱?dòng)機(jī)承受的未校準(zhǔn)值更大，但是負(fù)荷將傳送至泵或電動(dòng)機(jī)。)
b.旋轉(zhuǎn)不當(dāng)——雖然在方向錯(cuò)誤的情況下泵也將旋轉(zhuǎn)，但是流量和轉(zhuǎn)頭將減少，且由于流體動(dòng)力學(xué)可能產(chǎn)生振動(dòng)。旋轉(zhuǎn)應(yīng)進(jìn)行檢查并校正。(改變?nèi)嚯妱?dòng)機(jī)的任意兩根導(dǎo)線，并在確認(rèn)泵能以預(yù)期旋轉(zhuǎn)運(yùn)行后檢查電動(dòng)機(jī)上的標(biāo)示牌以糾正單相電動(dòng)機(jī)上的導(dǎo)線。)
c.曲軸——曲軸可能由一些與場(chǎng)地有關(guān)的問題引起并能導(dǎo)致振動(dòng)產(chǎn)生。通常情況下，曲軸將不相等負(fù)荷傳遞至軸承和閥座并引起過早磨損，即使在正常觀測(cè)實(shí)踐條件下這種磨損水平不足以被檢測(cè)到。誠(chéng)然，在底腳固定框架式泵上檢查軸的準(zhǔn)確度或"擺度"相對(duì)較容易，因?yàn)榭蚣苄纬闪艘粋€(gè)平臺(tái)，便于檢查。所有故障部件的檢查通常將顯示引起故障的原因，包括在閥座和軸承內(nèi)的故障原因。
d.軸承磨損/故障——正如其他討論所示，潤(rùn)滑不足或潤(rùn)滑不當(dāng)可以加速軸承磨損并引起振動(dòng)。但是即使是在"完好"條件下，軸承也將出現(xiàn)磨損并因疲勞而出現(xiàn)故障。對(duì)軸承的檢查以及磨損軌跡和滾道內(nèi)的"剝落"將有助于確定是否有外來力加速磨損并促使振動(dòng)發(fā)生。
e.堵塞——泵堵塞后并不總會(huì)產(chǎn)生過量振動(dòng)，但其發(fā)生的頻率還是很高。如果泵輪部件發(fā)生堵塞(不論是部分堵塞還是全部堵塞)，泵送的液體將減少并產(chǎn)生振動(dòng)。拆卸泵以檢查其是否堵塞之前，建議檢查電動(dòng)機(jī)的電流消耗。堵塞的泵輪所消耗的安培數(shù)將比預(yù)計(jì)更低，除非堵塞產(chǎn)生的不平衡(和振動(dòng))足以使泵輪和泵殼之間產(chǎn)生摩擦。(在這種情況下，振動(dòng)極有可能伴隨摩擦和磨削噪音產(chǎn)生且安培消耗量也會(huì)增加。)
外部原因引起的振動(dòng)
經(jīng)驗(yàn)表明外部原因引起的問題是絕大多數(shù)振動(dòng)產(chǎn)生的原因。
a.管道應(yīng)變(泵和管道之間未對(duì)準(zhǔn))——管道應(yīng)變(以及泵與電動(dòng)機(jī)之間未對(duì)準(zhǔn))無可爭(zhēng)辯地是引起泵振動(dòng)的首要原因，且在排查泵振動(dòng)原因時(shí)應(yīng)首先關(guān)注這個(gè)原因。引入水之后考慮調(diào)整管支架極為重要。水的重量可能相當(dāng)大，排空時(shí)支撐恰當(dāng)?shù)墓艿涝跐M水之后可能需要進(jìn)行調(diào)整。水的重量可能引起足夠應(yīng)變，導(dǎo)致振動(dòng)，但同樣也導(dǎo)致束縛和未對(duì)準(zhǔn)或重大故障。
b.基礎(chǔ)或錨固不牢——如果泵的基礎(chǔ)不平或基板緊固或灌漿不當(dāng)，(如"軟底腳"的情況一樣)有可能且會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。雖然在啟動(dòng)時(shí)將立即出現(xiàn)這種情況，但隨時(shí)間的推移和系統(tǒng)的穩(wěn)定，振動(dòng)將加劇。如果缺陷不是很嚴(yán)重，則調(diào)整基板和墊片可以進(jìn)行糾正。直聯(lián)泵在進(jìn)行維修之后常出現(xiàn)這種情況，這并非偶然現(xiàn)象。如果鑄鐵或鋼沒有使用"底基層"，則使用所有螺紋埋于混凝土中的部件將電動(dòng)機(jī)直接與地面相貼，在頂上使用螺母以緊固泵。由于這種裝置無法使用"后拉式結(jié)構(gòu)"，通常需切削所有螺紋以便于移除泵的旋轉(zhuǎn)部件和電動(dòng)機(jī)。這些螺紋很少更換，泵也不會(huì)直接與地面相接。振動(dòng)和過早失效可能發(fā)生。
c.系統(tǒng)共振——由于每一個(gè)系統(tǒng)都存在一些共振頻率，因此泵內(nèi)的"可接受振動(dòng)"將有可能導(dǎo)致系統(tǒng)頻率振動(dòng)，放大共振頻率，從而加劇泵內(nèi)的振動(dòng)。這可能導(dǎo)致部件出現(xiàn)故障。與臨界轉(zhuǎn)速相似，需調(diào)整管道以解決這一問題。
結(jié)論
過量振動(dòng)易于發(fā)現(xiàn)且能引起重大故障發(fā)生。確定振動(dòng)產(chǎn)生的原因尤為重要，以便進(jìn)行有效糾正。由于大多數(shù)振動(dòng)產(chǎn)生的原因?yàn)橥獠吭蚧蛐?zhǔn)問題，因此應(yīng)著重關(guān)注確定較長(zhǎng)使用期限和較低壽命周期成本的調(diào)查。