泵震動解析（一）

如何進行水處理？

衡美水處理為您介紹一項水處理專業知識——泵震動解析。

當泵及其關聯係統發生故障時，通常歸結為四種類型：斷裂、疲勞、摩擦磨損或泄漏。

斷裂的原因是過載，例如超過預期的壓力，或管口負荷超出推薦的水平。

疲勞的條件是施加的載荷是交變的，應力周期地超過材料破裂的耐久極限，泵部件的疲勞主要由振動過大引起，而振動大由轉子不平衡，泵和驅動機之間軸中心線的過大不對中，或固有頻率共振運動過大引起。

摩擦磨損和密封泄漏意味著轉子和定子之間的相互定位超出設計的容差範圍，一般原因是過大的振動。當磨損或泄漏位於殼體單個角度位置，常見的原因是不可接受的管口載荷量，及其導致的或獨立的泵/驅動機不對中。在高能泵（特別是加氫裂化和鍋爐給水泵），或在定子一個位置摩擦的可能性是溫度變化太快，導致部件由於隨溫度的變化，與裝配不匹配。

有一些特定的方法和程序可供遵循，降低發生這些問題的可能；如果發生，可幫助確定解決問題的方法，從而讓一台泵保養的更好。

一、振動評估

關於泵的振動和其它不穩定機械狀態的診斷或預測，應包括如下評估：

1、轉子動力學行為，包括臨界轉速、激勵響應和穩定性；

2、扭轉臨界轉速和振蕩應力，包括起機/停機瞬態；

3、管路和管口負荷引起的不穩定應力和不對中導致的扭曲；

4、由於扭振、止推和徑向負荷導致高應力部件的疲勞；

5、軸承和密封的穩態和動態行為；

6、正常運行和連鎖停機過程的潤滑係統運行；

7、工作範圍對振動的影響；

8、組合的泵和係統中的聲學共振（類似喇叭）。

通常討論的振動問題是軸的橫向振動，即與軸垂直的轉子動力學運動。然而，振動問題也會在泵的定子結構中發生，如立式泵，另外振動也會發生在軸向，也可能涉及扭振。

二、泵運行點對振動的影響

泵盡量運行在BEF點，否則，離心泵隨節流振動變大，除非節流伴隨轉速的改變如VFD。在給定轉速運行遠低於BEF，與遠高於BEF一樣，使流體的速度角度與各級葉輪或擴散器或蝸殼舌部的流道角度不匹配。在低於入口或出口回流的流量下，轉子葉輪穩定的側負荷和搖動可能引起摩擦，甚至損壞軸承。

一些工廠考慮未來生產擴容，購買大於需求能力的設備，這樣會產生本應可靠設備的性能不可靠。盡管運行在低於BEF是允許的，但絕不要使泵長時間運行在低於廠家提供的“最小連續流量”，否則脈動和振動將有階躍升高。

三、泵入口設計對振動的影響

入口法蘭的機械連接以及泵葉輪上遊的液壓設計，都會顯著影響泵的振動。避免在大的管口有無限製的膨脹節（管路“柔性節”），然而，主要的液壓問題要有足夠的靜壓避免氣蝕。這意味著不僅僅具有足夠的淨正入口壓頭（NPSHA），還要滿足廠家公布的3%壓頭下降NPSHR（需要的NPHS）。

當NPSHA到3xNPHSR時，高頻氣蝕（有時聽不見的）將引起葉輪流道入口側或摩擦環出口側的侵蝕，並導致低頻有時流道通過頻率振動增加。除了入口壓力太低，如果泵運行在遠離BEF點，進入的流體對旋轉的葉輪流道的衝擊角度會與泵的設計者在該轉速下預測的不同，將在入口或出口發生流道失速，分別導致入口或出口回流。這種內部回流可引起流道壓力側的氣蝕，導致旋渦狀流隨葉輪旋轉，但以一個較慢的轉速，以次同步頻率激勵轉子臨界轉速，顯著增大振動。

四、平衡

不平衡是機器振動過大最常見的原因，緊隨其後的是不對中。一般認為平衡分靜態（質量中心偏離中心，質量分布主軸仍與旋轉中心線平行）和動態（質量中心軸與旋轉軸成角度）。對應軸向短的部件（如一個止推墊圈）二者的差別可以忽略，隻需要單麵靜態平衡。對於長度大於1/6直徑的部件，應考慮動態不平衡，至少需要雙麵平衡。

對於運行在二階臨界轉速（對泵不常見）的轉子，甚至雙麵平衡還不夠，可能需要某些形式的高速模態平衡（即平衡去重考慮最接近的固有頻率模態形狀）。不平衡表現為1X頻率，這是因為轉子的重點以轉速旋轉，使振動運動以相同頻率。一般它也導致一個圓形軸心軌跡，盡管如果轉子在滑動軸承內承受高負荷軌跡可能為橢圓。

五、泵/驅動機對中

不對中僅次於不平衡，是旋轉機器振動問題第二個最常見的原因。通常區分為兩種形式：平行不對中和角不對中。有時一個轉子必須在冷態和未運行時偏移，以便在運行和熱態時保持對中。不對中主要引起轉頻振動，因為高度橢圓的軌跡驅使軸運行在不對中的一側。有時不對中負荷可導致高次諧頻（即轉子轉速整數倍頻），甚至可能降低振動，因為它加載轉子使其對軸承殼異常變強。

不對中實際上引起1X振動增大，通過抬起轉子使其離開重力加載的“軸承位置”，使軸承運行在相對卸載狀態（這也可導致軸不穩定）。典型的不對中特征表現為2X振動，香蕉或數字8形軌跡，通常伴隨相對較大的軸向運動，聯軸器經曆非線性“壓彎”每轉兩次。

六、共振

振動超標是常見的問題，尤其在變頻係統，很可能存在一個激勵頻率等於一個固有頻率。為了避免共振，轉子和軸承座的固有頻率應該與“運球”型的力頻率很好分離，它們很可能是1X轉頻（典型不平衡），2X（典型不對中），或葉輪流道數乘以轉速（稱為“流道通過”振動，當葉輪流道通過一個蝸殼舌或擴散器流道“切流”）

實際上，共振放大（常稱為“Q”值）係數通常介於2至25之間，如果引起振動的力是穩定的而不是振蕩的。Q取決於能量消耗的量，稱為“阻尼”，它在碰撞中發生。在一個汽車車身，這個阻尼由衝擊吸收器提供；在一個泵，它大部分由軸承和“環形密封”轉子和定子之間的流體陷阱提供，像平衡活塞。

對應共振，模態衝擊測試是非常有效和被證明的方法，可快速發現共振的原因並從根本解決它。典型的解決方法包括對最大振動運動區域選擇性的支撐，或者增加質量。模態“敲擊“測試最好在機器運行中進行，這樣，軸承和密封是“承載的”並支撐轉子，在泵的典型運行狀態。確認你或服務商具有在機器運行條件下進行“敲擊”測試的能力。

七、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計算機程序，因為它必須包括的影響如：

1、在軸承，葉輪和密封，作為轉速和負荷的函數的三維剛度和阻尼；

2、葉輪和止推平衡裝置流體激勵力；

3、陀螺效應。

然而，一些大學和商業組織開發了轉子動力學程序，可用的程序包括各種計算子程序，用於軸承和圓形密封（如摩擦環和平衡鼓）的剛度和阻尼係數計算，臨界轉速計算，激勵響應和轉子穩定性計算，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）。

八、流體“增加質量”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量；由於葉輪和軸材料的存在，移動的流體直接對轉子係統增加重量，由於轉子在流體中的振動，它必須移動這個重量；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性，並因此可能會增加很多倍於其移動的質量（稱為Stroke Effect）。

九、環形密封“Lomakin效應”對轉子動力學固有頻率的影響

泵的環形密封（如摩擦環和平衡鼓）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，可以避開或導致共振。環形密封的剛度和阻尼小部分由擠壓油膜和流體動力楔提供。然而，由於在環形密封中相對軸承來說存在高的軸向對圓周流速比例，由於圓周間隙變化可以在環形間隙產生很大的力，隨著轉子偏心的發展引起Bernoulli壓降，這被稱為Lomakin效應，並且是泵的環形密封中最大的剛度和阻尼力產生機製。

Lomakin效應直接取決於通過密封的壓降，對於恒定係統流阻它產生Lomakin支撐剛度大約隨著轉速的平方而變化。然而，對於大約恒定的係統壓頭，導致隻有很小的Lomakin效應隨轉速的變化。其它重要的參數是環形密封長度，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。任何環形密封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。

十、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係統部件，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於係統。

扭振問題不常見，除非由高頻VDF激勵的電動機驅動，或由往複發動機驅動，複雜的泵/驅動鏈具有扭振問題的可能性。扭振可以通過計算進行檢查，包括前幾階扭振臨界轉速，和係統在起機瞬態、穩態運行、連鎖和電動機控製的瞬態過程中對激勵的強迫振動響應。強迫響應應該按照靜態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範圍。為此，泵機組必須按照至少三個部分建模：泵轉子，聯軸器（包括任何墊塊）和驅動機轉子。如果使用柔性聯軸器（如盤聯軸器），聯軸器的剛度將與軸的剛度在一個數量級，必須包含在分析中。聯軸器扭轉剛度的良好估計，通常相對獨立與速度和穩態扭矩，列在聯軸器樣本數據中，通常提供給定尺寸的剛度範圍。

如果包含齒輪箱，每個齒輪必須單獨考慮。如果泵或驅動轉子與將轉子連接到聯軸器的軸相比不是至少幾倍的扭轉剛度，那麽單個軸長度和內部葉輪應包括在模型中。

最低扭轉振型是在泵/驅動係統最常被激起的，這個扭轉振型的大部分運動發生在泵的軸上。這種情況下主要的阻尼來自泵葉輪，當它由於扭振運動運行在稍高和稍低的瞬時轉速時消耗的能量。

來自電動機的最重要的扭轉激勵頻率是極數乘以滑差頻率（對感應電動機），轉速乘以極數，以及轉速本身；泵的不穩定的流體扭矩也存在，頻率表現為轉速乘以葉輪流道數，強度等於傳遞的扭矩除以流道數，一般具有的最大值也是在0.01至0.05區間，不在BEP最佳運行點運行和/或葉輪少於4個流道一般具有較高的值。

對機組扭轉特性的可接受度的判斷應該基於在所有運行狀態，受迫響應軸應力是否在疲勞極限預留了足夠安全係數之下。對一個仔細分析的轉子係統，推薦的最小安全係數是2。

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