沈高飛，陳 立，李淑萍

（江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司，江蘇 靖江 214500）

水泵振動(dòng)模態(tài)測試及故障診斷分析

沈高飛，陳 立，李淑萍

（江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司，江蘇 靖江 214500）

實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)及故障診斷分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的重要方法。對(duì)某一型號(hào)水泵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，得到其固有頻率、阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù)，并結(jié)合振動(dòng)故障診斷方法，分析該水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)減振和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

振動(dòng)與波；水泵；實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)；模態(tài)參數(shù)；故障診斷

泵是重要的動(dòng)力設(shè)備，其使用范圍越來越廣，它能否可靠運(yùn)行直接影響企業(yè)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。隨著動(dòng)力裝置的大型化和回轉(zhuǎn)設(shè)備的高速化，水泵的振動(dòng)問題也日益顯現(xiàn)。本文研究對(duì)象為某一型號(hào)臥式水泵，級(jí)數(shù)為9級(jí)，每個(gè)葉輪由5個(gè)葉片組成，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，電機(jī)功率為15 kW，其主要構(gòu)成部件有轉(zhuǎn)子、軸承、殼體、葉輪及進(jìn)出水口等。從廣義上講，引起泵振動(dòng)的原因是多方面的，包括泵的設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行、使用以及系統(tǒng)管路布置等因素。但造成設(shè)備振動(dòng)過大的原因主要有共振、轉(zhuǎn)子不平衡、同軸度偏差大或不對(duì)中、軸承原因和水利波動(dòng)等，隨著振動(dòng)的加劇，過大的振動(dòng)容易造成機(jī)器或相關(guān)設(shè)備損壞。因此，對(duì)水泵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析以及振動(dòng)故障診斷就顯得尤為重要。

1 模態(tài)分析原理

水泵的結(jié)構(gòu)是一個(gè)連續(xù)體，其質(zhì)量和彈性參數(shù)都是連續(xù)分布的。將其離散成有限個(gè)多自由度的離散系統(tǒng)，建立動(dòng)力學(xué)微分方程為[1]

模態(tài)分析方法就是以無阻尼系統(tǒng)的各階主振型所對(duì)應(yīng)的模態(tài)坐標(biāo)來代替物理坐標(biāo)，使坐標(biāo)耦合的微分方程組解耦為各個(gè)坐標(biāo)獨(dú)立的微分方程組，從而求出系統(tǒng)的各階模態(tài)參數(shù)，這就是模態(tài)分析的經(jīng)典定義[1–2]。

兩邊分別進(jìn)行拉氏變換，得到傳遞函數(shù)矩陣

對(duì)于線性時(shí)不變系統(tǒng)，其極點(diǎn)在復(fù)平面左半平面，因此可將s變換為jω，得到傅氏域中的頻響函數(shù)矩陣

通過對(duì)測試得到的頻響函數(shù)進(jìn)行識(shí)別，可以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比、振型、模態(tài)剛度和模態(tài)質(zhì)量等模態(tài)參數(shù)，從而了解結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，為后續(xù)的減振降噪和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

2 水泵實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

2.1 模態(tài)實(shí)驗(yàn)基本流程

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析原理可知，測量頻響函數(shù)矩陣的一行或者一列就可以識(shí)別出結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)采用單點(diǎn)激勵(lì)，多點(diǎn)響應(yīng)的測試方法，基本實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

2.2 測點(diǎn)的劃分

測點(diǎn)的數(shù)目取決于所選頻率范圍、期望的模態(tài)數(shù)、試件上我們所關(guān)心的區(qū)域、可用的傳感器數(shù)以及時(shí)間[3–4，10]。本實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)分布如圖2所示，共21個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)測試XYZ三個(gè)方向，總計(jì)63個(gè)自由度。

圖2 水泵模態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.3 實(shí)驗(yàn)所用的儀器和設(shè)備

本次模態(tài)實(shí)驗(yàn)中，采用的儀器和設(shè)備由江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)，包括，32通道DH 5902動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析系統(tǒng)、IEPE型加速度傳感器（包括單向和三向）和力錘激勵(lì)系統(tǒng)等。

表1 實(shí)驗(yàn)所用儀器列表

圖3 模態(tài)試驗(yàn)裝置圖

2.4 模態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析[5–6]

試驗(yàn)采用力錘單點(diǎn)激勵(lì)，移動(dòng)傳感器的方法。錘擊法所要求的裝置、試件固定及儀器設(shè)備較為簡單，不需要與試件有任何的連接。所以，不會(huì)出現(xiàn)附加質(zhì)量和彎矩誤差，因而不會(huì)影響試件的動(dòng)態(tài)特性。

根據(jù)劃分的測點(diǎn)和加速度傳感器的數(shù)量，采用分組測試，每組3個(gè)三向加速度傳感器拾振，并逐批移動(dòng)，通過DHMA模態(tài)分析軟件，得到泵內(nèi)滿水狀態(tài)下各階模態(tài)頻率、阻尼比等參數(shù)，如表2所示，典型振型如圖4－圖7所示。

表2 各階模態(tài)頻率和阻尼比

圖4 1階彎曲振型

圖5 2階扭轉(zhuǎn)振型

3 水泵振動(dòng)故障診斷分析

圖6 5階振型(彎曲張吸)

圖7 6階振型(張吸)

實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析幫助了解結(jié)構(gòu)在非工作狀態(tài)下的固有動(dòng)態(tài)特性（固有頻率、阻尼比和振型等），而各工況下的振動(dòng)測試能客觀反映泵的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)，水泵的結(jié)構(gòu)缺陷和故障引起振動(dòng)的幅值、振動(dòng)形式及頻譜成分均會(huì)產(chǎn)生變化，常用于尋找振源、測試振動(dòng)強(qiáng)度、減振措施和可靠性等問題的研究分析中，是掌握其運(yùn)行狀態(tài)和尋找故障的重要技術(shù)手段。

3.1 振動(dòng)位移試驗(yàn)

位移測試主要是針對(duì)軸位移，通過軸位移、頻譜及其圓心軌跡來判斷軸的振動(dòng)情況[7]。

圖8 位移測點(diǎn)布置

圖9 位移頻譜

圖10 位移軸心軌跡（橫坐標(biāo)為水平方向，縱坐標(biāo)為豎直方向）

3.2 啟停機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

從圖11和圖12可以得出，停機(jī)0.2 s時(shí)頻譜發(fā)生了較大變化，其中497.5 Hz的頻率點(diǎn)幅值發(fā)生了較大變化，所有測點(diǎn)振動(dòng)幅值均下降了3～4倍，且某些測點(diǎn)的最大幅值對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)也發(fā)生了變化。

圖11 測點(diǎn)4X向頻譜(正常)

圖12 測點(diǎn)4X向頻譜(停機(jī))

因此，可以判定該臥式泵在49.7 Hz的基頻，248.5 Hz的葉頻作用下，產(chǎn)生了2倍葉頻的497.5 Hz的共振，共振狀態(tài)在轉(zhuǎn)速稍稍下降后變發(fā)生了變化，其振動(dòng)幅值明顯減小。

4 結(jié)語

通過上述模態(tài)實(shí)驗(yàn)和振動(dòng)故障診斷，其主要結(jié)論如下[8–9，11]：

（1）電機(jī)主要頻率為轉(zhuǎn)頻50 Hz，100 Hz為主，存在一系列4X、5X、6X等倍頻諧波及6.3 Hz左右的分?jǐn)?shù)諧波。因此，電機(jī)處可能存在異常間隙，建議檢查電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子間隙；

（2）水泵在49.7 Hz的基頻，248.5 Hz的葉頻作用下，產(chǎn)生了兩倍葉頻的497.5 Hz的共振，共振振型主要以泵輸入端和泵非輸入端振動(dòng)較大的形式為主，在轉(zhuǎn)速稍稍降低的情況下，臥式泵振幅明顯減小，且振型基本保持不變，建議增加泵輸入端支撐或更換更好的軸承，提高其剛度并使共振頻率避開葉頻兩倍頻的共振頻率范圍。

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Vibration Modal Test and Fault DiagnosisAnalysis of Water Pumps

SHEN Gao-fei,CHEN Li,LI Shu-ping
(Jiangsu Donghua Testing Technology Co.Ltd.,Jingjiang 214500,Jiangsu China)

Vibration modal test and fault diagnosis analysis are the important methods for study of the dynamic characteristics of structures.In this paper,by experimental modal analysis of a certain type of water pumps,the modal parameters of the pumps,such as the natural frequency,damping ratio,mode shapes etc.,are obtained.Combining with the vibration fault diagnosis methods,the problems in the water pump structure design are analyzed.This work provides a reference for subsequent structural vibration reduction and structure optimization design.

vibration and wave;water pump;experimental modal;modal parameters;fault diagnosis

O422.6

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.03.036

1006-1355(2017)03-0182-03+210

2017-11-17

沈高飛（1981－），男，浙江省紹興市人，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)力學(xué)性能測試及分析研究。E-mail:sgf@dhtest.com