泵震動解析（二）

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。

十一、轉子動力穩定性

轉子動力穩定性指一種現象，即若轉子在運轉狀態下是穩定的。轉子動力不穩定性一個關鍵因素是交叉耦合剛度。交叉耦合剛度源於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向於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。

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。交叉耦合作用對穩定性是非常重要的，如果交叉耦合力矢量變成大於阻尼矢量，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生嚴重摩擦，或由於大的運動反饋停止。

軸半速渦動是在低於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，產生力的靜態壓力場以低於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後側板，或在軸頸軸承間隙的流體旋轉。流體在定子殼壁是固定的，在轉子表麵以轉子的速度旋轉，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，並且可能很強。如果某種原因間隙在一側減小，例如由於偏心，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，直到渦動位於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於對它的反應力成為不穩定的（力導致變形導致更大的力），那麽“軸渦動”變為所謂的“軸振蕩”，它是很具破壞性的，迅速地磨損掉泵腔內密封所需要的緊密設計間隙。

軸振蕩開始於當渦動接近轉速的一半，並等於軸的固有頻率，正常的1X轉速頻率頻譜和大概圓形的軸心軌跡現在表現出顯著的大約0.45倍轉速分量，在軌跡上表現為一個環，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，導致在振蕩開始之後轉速升高，振動偏離渦動的恒定百分比轉速。

十二、參數共振和分數頻率

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，一般歸結到參數共振類型。一般來講，這些共振是由軸承支撐鬆動或在軸承、密封或其它旋轉間隙處的摩擦引起的，征狀是脈動的軸心軌跡，在轉速的整分數倍頻，如1/2，1/4等振動較大。

十三、測試方法——FFT頻譜分析

振動幅值對頻率的FFT頻譜或“特征”分析可確定頻率，對泵的內部部件和泵所連接的係統的振動特性，提示可能的原因。特征分析之後，實驗模態分析（EMA）已經證明其通過分別確定泵係統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。

聯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。由於泵中最強的振動激勵發生在轉速的整數倍頻，這些（1X，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於交點發生的頻率的10%畫圓標注，如果任何圓的任何部分位於代表最小和最大運行轉速的兩條垂直線之間，那麽共振會發生，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界阻尼，或消除激勵源。

十四、測試方法——衝擊（敲擊）測試

在模態響應衝擊測試或激振器測試確定固有頻率時，準確展示結果的繪圖是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並表示其放大係數。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，相位是其角度。對後者，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。

實驗模態分析（EMA）是一個振動測試方法，它對泵施加已知的力（在測試範圍所有頻率上恒定），泵由這個力單獨產生的振動響應被觀察和分析。EMA可以在實驗台上也可以在現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；並且如果采用特殊的數據采集步驟，EMA也可以在泵的運行狀態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傳感器或渦流探頭，和一個衝擊力錘。力錘的設計能夠將力分布到一個頻率範圍，覆蓋測試的範圍，結果就像一係列激振器測試的結合。衝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，力錘衝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係統的“頻率響應函數”（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衝擊的位置附近發生的力，在給定固有頻率附近頻率的靈敏性。

Marscher開發了EMA的變種，不需要停掉泵、在實際現場測試的時間和運行製約下就可以準確確定固有頻率，這個方法稱為時間平均衝擊（TAP）。TAP方法統計識別模態分析的數據，以便在泵運行在有問題的狀態下可靠地確定結構固有頻率和振型、共振力的位置和頻率、轉子臨界轉速。TAP使用經典模態分析處理技術產生每個固有頻率下振型的動畫模型，預測設計改變的有效性，例如加強軸承剛度，新的管道支撐，或加厚基板。這個方法可應用於任何轉速和負荷下機器。

EMA可以分類複雜的模型測試數據庫，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範圍內每個固有頻率的頻率和阻尼，將“成箱的”固有頻率振動變為“振型”。一些EMA軟件中，這個信息可以用來自動預測增加質量、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。對於機器運行時在很大位置和方向采集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、部件鬆動、過大柔性區域之類的問題即刻變為明顯的，從而可以提出修理措施。

十五、振動故障排查

圖1和圖2表示一個代表性的泵的典型故障模式和相關的頻率，展示出了泵的主要問題，以及這些問題如何導致振動。圖3表示FFT頻譜和x-y軌跡（在探頭位置軸中心線的運動），可以被用來確定發生第二故障以及嚴重性。

圖1　臥式泵典型的流體和機械問題征兆

圖2　與泵的故障模式相關的典型頻率

圖3　軸心軌跡和頻譜，不對中舉例

十六、結論

諸如檢查振動類的問題看似簡單，現實中需要經驗得到正確結論，涉及與選擇和運行一個離心泵相關的許多事項。

1、分析機器在先，在安裝之前，最好在采購之前進行機器分析。

2、泵的大小與泵係統真正的需要比較。不要買大的多的泵，否則會使其隻能進行部分負荷運行。

3、對於轉子動力學分析，對中監測，和固有頻率共振測試，使用計算機軟件工具比“手工”技術會更容易得到正確的結論。

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