摘 要：核電上充泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行工況惡劣，受流體激振和軸承激振，以及支撐結(jié)構(gòu)上的問題，常引發(fā)振動(dòng)狀態(tài)問題。本文從狀態(tài)監(jiān)測的角度分析了核電上充泵的軸承激振和支承特性并給出了治理方案，以便為該類設(shè)備的振動(dòng)治理和設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：上充泵；振動(dòng)；軸承輕載；共振

1.概述

上充泵（RCV泵）是化學(xué)和容積控制系統(tǒng)（RCV）的主要設(shè)備，共有3臺(tái)，在正常運(yùn)行工況下，向反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)充水保持穩(wěn)壓器的水位，向三臺(tái)主冷卻劑泵注入第一級用的機(jī)械密封冷卻水；在一回路在失水事故工況下，作為高壓安注泵用于向一回路實(shí)施高壓安注，以防止堆芯裸露。因此，在核電廠事故情況下，上充泵屬于重要的安全設(shè)施。

上充泵泵組由6.6kV驅(qū)動(dòng)電機(jī)、增速齒輪箱、泵等組成。本文所述上充泵型號RHM100-205.12，為多個(gè)核電廠采用。由于泵組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)運(yùn)行工況多變，受力復(fù)雜。

對上充泵的狀態(tài)分析和診斷，有兩個(gè)重要方面：一是液力性能，二是支承性能。筆者在長期運(yùn)行實(shí)踐中，進(jìn)行了大量的振動(dòng)測試、頻譜分析、敲擊試驗(yàn)、解體檢查、軸承載荷分析等，對上充泵的液流激振和水力性能方面進(jìn)行了研究分析[1]，在此基礎(chǔ)上，本文主要從泵體軸承和支承結(jié)構(gòu)兩方面對上充泵的支承性能進(jìn)行研究。

2.軸承激振

上充泵的振動(dòng)異常問題，從設(shè)備運(yùn)維的角度，其原因可分為流體工況異常和泵體部件異常兩個(gè)方面，具體包括流體擾動(dòng)，環(huán)境溫度變化，泵軸向推力變化，泵入口汽蝕，葉輪與口環(huán)間隙變化，葉輪與導(dǎo)葉碰磨，軸承選型設(shè)計(jì)缺陷，軸承室油位偏差，軸承磨損和軸承潤滑異常等。

從振動(dòng)故障診斷的角度，按照“輸入—系統(tǒng)響應(yīng)-輸出”模式分析，其振動(dòng)原因分為強(qiáng)迫振動(dòng)激振力和系統(tǒng)響應(yīng)兩方面。具體到該設(shè)備，其激振力的主要來源為流體對水力部件的作用和軸承受載及膨脹產(chǎn)生的額外作用力，簡稱為葉輪激振和軸承激振；系統(tǒng)響應(yīng)方面則主要來自于設(shè)備支承結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)剛度和固有頻率。

正常軸承振動(dòng)來源于轉(zhuǎn)子，自身不產(chǎn)生額外激振力。但上充泵的軸承設(shè)計(jì)上存在載荷偏低問題，會(huì)導(dǎo)致軸承滾動(dòng)體打滑，產(chǎn)生額外激振力[2]。

上充泵驅(qū)動(dòng)端軸承型號NU312E，為單列圓柱滾子軸承，計(jì)算最小載荷1262N，而根據(jù)廠家資料，上充泵在不同流量工況軸承實(shí)際所受負(fù)載為725～744N，實(shí)際負(fù)載不足計(jì)算最小載荷的60%。同時(shí)從設(shè)計(jì)上，非驅(qū)動(dòng)端推力軸承為熱膨脹死點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)端為自由膨脹端。因此，上充泵驅(qū)動(dòng)端徑向軸承長期處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，且存在熱膨脹竄動(dòng)，這常常為引起驅(qū)動(dòng)端軸承打滑，導(dǎo)致振動(dòng)升高。

當(dāng)軸承存在明顯故障缺陷時(shí)，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致軸承處振動(dòng)、溫度異常，在頻譜中會(huì)產(chǎn)生典型的故障頻率成分。當(dāng)滾動(dòng)體打滑時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng)能量增加，通常是三倍頻及五倍頻以上。

另一方面軸承油位也有重要影響。油位低時(shí)，軸承潤滑狀態(tài)不良，滾子與滾道及油液沖擊變大，易促進(jìn)軸承打滑，且潤滑油油量少時(shí)阻尼小，軸承振動(dòng)沖擊變大。

驅(qū)動(dòng)端軸承輕載導(dǎo)致的上充泵振動(dòng)故障，首先是要檢查油位，核實(shí)潤滑狀態(tài)，通過頻譜識(shí)別軸承是否有明顯故障缺陷。長期治理手段包括在驅(qū)動(dòng)端軸承室下加裝支撐以及上抬驅(qū)動(dòng)端軸承室止口，主要目的是增加驅(qū)動(dòng)端軸承載荷，降低軸承打滑風(fēng)險(xiǎn)。

3.支承特性

通過改變支承結(jié)構(gòu)，會(huì)對上充泵的振動(dòng)狀態(tài)造成較大影響，其主要原因在于三個(gè)方面：一是改變了設(shè)備支撐剛度，二是改變了軸承承載狀況，三是改變了結(jié)構(gòu)的固有頻率。剛度與振動(dòng)成反比關(guān)系，剛度越大，振動(dòng)越小。對軸承承載狀況的研究，則主要通過增加臨時(shí)支撐的方式進(jìn)行對比，通常在軸系不同位置增加支撐后，軸承載荷確實(shí)發(fā)生變化，軸承溫度有所上升，但往往會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)波動(dòng)幅度變大。

支承結(jié)構(gòu)對上充泵振動(dòng)影響最大的因素還來自于固有頻率，當(dāng)固有頻率過于接近葉片通過頻率極其諧波頻率時(shí)，往往產(chǎn)生較大的振動(dòng)。這主要是因?yàn)楣舱竦年P(guān)系，共振導(dǎo)致振動(dòng)的放大，有顯著的頻率區(qū)間特點(diǎn)。

通過自激振動(dòng)試驗(yàn)，可得出對各臺(tái)上充泵支承的固有頻率，其中驅(qū)動(dòng)端的固有頻率通常分布在500～600Hz之間。次級至末級葉輪的葉片通過頻率546Hz正在這一區(qū)間，當(dāng)兩者較為接近時(shí)，振動(dòng)會(huì)明顯增大。

對于支承偏弱及驅(qū)動(dòng)端共振問題，主要通過改變支承結(jié)構(gòu)的剛度和固有頻率來實(shí)現(xiàn)，在治理時(shí)需要綜合考慮，首先是要有效避開共振峰，通常需要將固有頻率調(diào)整到546Hz±10%以外的范圍。有效的治理手段包括增加支撐或阻尼墊和改變設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等。

4.結(jié)論

上充泵為單向多級離心泵，撓性細(xì)長轉(zhuǎn)子，且由于其功能設(shè)計(jì)的要求，長期運(yùn)行工況并非泵的最佳工作點(diǎn)，加之軸承承載和支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的不足，是其振動(dòng)問題的主要原因。從振動(dòng)故障分析的角度出發(fā)，則主要是受到葉輪激振、軸承輕載的額外激振力、驅(qū)動(dòng)端的動(dòng)力學(xué)剛度不足及共振效應(yīng)等三方面的影響。本文就后兩個(gè)個(gè)方面的振動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了分析，并提供了相應(yīng)的治理建議。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王家前、朱贏等. 撓性多級離心泵初生汽蝕的診斷研究. 設(shè)備管理與維修.2018

[2] 劉秀海，鄭凱等.高速圓柱滾子軸承打滑分析研究.中國科協(xié)年會(huì)：航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)，2013.

作者簡介：

王家前，男，遼寧紅沿河核電有限公司，性能試驗(yàn)工程師，ISO 18436-2振動(dòng)分析師（Ⅲ級）。