楊佳欽,程 龍,劉德祥,潘英杰,魯 偉
(1.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院,武漢430072;2.深圳市東江水源工程管理處,深圳518038)
水泵作為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和排水排澇工作中必不可少的機(jī)械之一,在推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保護(hù)人民安全等方面起著重要作用。在運(yùn)行過程中,泵站機(jī)組不可避免發(fā)生振動,機(jī)組異常振動不僅會降低泵站機(jī)組效率,縮短其檢修周期與使用壽命,嚴(yán)重時還會引起輸水管道和整個廠房結(jié)構(gòu)的振動,甚至導(dǎo)致被迫停機(jī)[1]。因此,對水泵機(jī)組和廠房的異常振動原因進(jìn)行分析研究意義重大。
常見的水泵機(jī)組異常振動,包括機(jī)械、水力和電磁因素導(dǎo)致的振動[2]。田山一級泵站出現(xiàn)間歇振動主要由水力因素導(dǎo)致[3],江都四站水泵振動偏大主要受水力和機(jī)械因素影響[4]。廠房是否發(fā)生共振可以通過測定廠房建筑物的自振頻率和機(jī)組振動頻率加以對比分析得出。誘發(fā)泵站廠房劇烈振動的原因常常是共振[5],而對機(jī)組異常振動的研究常使用分析振動特性的方法[6,7]。要了解機(jī)組異常振動的原因可以通過測定機(jī)組不同工況下運(yùn)行的振動特性,將其作為異常振動的識別依據(jù)[11-16]。國內(nèi)針對異常振動產(chǎn)生的原因和改進(jìn)方法也有了一些研究[3-10]。
本文通過收集永湖泵站機(jī)組及廠房不同工況下運(yùn)行的振動信號,分析其振動特性,找到機(jī)組和廠房異常振動的原因并加以改進(jìn)。
永湖泵站是深圳市東江水源工程輸水主干的二級加壓泵站[17],總裝機(jī)容量2.6 萬kW,屬大(2)型泵站。泵站設(shè)計安裝水泵機(jī)組10 臺套(一期1~5 號機(jī)組,二期6~10 號機(jī)組)。其中,二期工程安裝的主水泵為德國KSB 公司生產(chǎn)的RDL900-1050A1型水平中開式雙吸離心泵,葉片數(shù)為6 片,設(shè)計流量3.75 m3/s,設(shè)計揚(yáng)程53.2 m。配套電動機(jī)為德國西門子公司生產(chǎn)的1RN4636-3HE80-Z 型三相鼠籠式異步電動機(jī),電壓等級10 kV,額定功率2 600 kW,額定轉(zhuǎn)速594 r/min。
永湖泵站廠房為干室型,分地下和地上兩部分。其中,地下部分為主機(jī)間,布置有主機(jī)組及管路系統(tǒng)等;地上部分靠出水側(cè)布置有巡視平臺、電氣室及中控室等。該泵站二期工程投入運(yùn)行兩年以來一直問題不斷,主要表現(xiàn)在:
(1)機(jī)組振動偏大。二期工程5臺機(jī)組在各種開機(jī)組合下,振動、噪聲均較一期工程明顯偏大,已對設(shè)備安全運(yùn)行和使用壽命造成了很大影響。
(2)水泵口環(huán)磨損嚴(yán)重。通過水泵開蓋檢查,發(fā)現(xiàn)水泵傳動端和非傳動端的口環(huán)均存在有規(guī)律的磨損。磨損區(qū)域位于從電動機(jī)向水泵方向看去的5 時至10 時針范圍內(nèi),尤以8~9 時針處磨損最為嚴(yán)重。其中6 號機(jī)組,非傳動端口環(huán)有12 cm 弧長被磨至刀口狀,且口環(huán)磨損部位附近存在明顯的淬火變色痕跡,如圖1所示。
(3)建筑物局部振感強(qiáng)烈。機(jī)組運(yùn)行時,位于地面層的出水側(cè)巡視平臺以及臨近的中控室墻體、梁、柱等構(gòu)筑物振感強(qiáng)烈,導(dǎo)致值班人員在中控室有明顯不適的感覺。
針對上述問題,為保證泵站運(yùn)行安全和管理人員的身心健康,武漢大學(xué)對永湖泵站展開了振動試驗(yàn)研究,以期找出機(jī)組及廠房局部結(jié)構(gòu)振動的原因。
振動檢測使用的儀器為優(yōu)泰振動試驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)主要包括動態(tài)信號采集器1臺、壓電式加速度傳感器5個、力錘1把(含力傳感器1個)、計算機(jī)1臺、數(shù)據(jù)采集整理與分析軟件1套。儀器設(shè)備型號及參數(shù)詳見表1。
表1 儀器設(shè)備信息一覽表Tab.1 Equipment information list
永湖泵站局部振感強(qiáng)烈的構(gòu)件主要有出水側(cè)巡視平臺、梁、柱以及中控室的墻體等。分別在上述建筑物構(gòu)件上布置加速度傳感器,傳感器布置在平臺梁頂面和平臺地面等處。分別用力錘進(jìn)行敲擊,使其產(chǎn)生響應(yīng),同步記錄力錘敲擊和響應(yīng)信號。
對與水泵直接連接的進(jìn)出水管道同樣采用力錘激勵法測定其自振頻率,傳感器均安裝在管道側(cè)面。
二期工程5臺機(jī)組水泵非傳動端徑向(水平)、軸向、垂直方向以及進(jìn)出水管道上布置加速度傳感器,測定機(jī)組振動狀況,結(jié)果表明5 臺機(jī)組振動狀況基本一致,本文以9 號機(jī)組為例予以說明。
試驗(yàn)工況包括正常運(yùn)行工況、無水空載運(yùn)行工況、不同進(jìn)水池水位條件下運(yùn)行和失電工況。
(1)廠房建筑物自振頻率.通過對記錄信號的時域特性和頻域特性的分析,提取各結(jié)構(gòu)的自振頻率,如表2所示。
表2 振感強(qiáng)烈的構(gòu)件自振頻率檢測結(jié)果 HzTab.2 Detection results of natural vibration frequency of components with strong vibration sensation
(2)水泵進(jìn)出水管自振頻率.同樣提出水泵進(jìn)出水管各結(jié)構(gòu)的自振頻率,如表3所示。
表3 水泵進(jìn)出水管自振頻率檢測結(jié)果 HzTab.3 Detection result of natural vibration frequency of water pump inlet and outlet pipes
圖2 為水泵非傳動端軸承徑向的振動時域波形圖。圖3 為通過傅里葉變換,得到的水泵非傳動端軸承徑向振動頻譜圖。圖4為100 Hz以下頻譜細(xì)化圖。
圖2 9號機(jī)組水泵軸承振動時域波形圖Fig.2 Time domain waveform of vibration of pump bearing of Unit 9
圖3 9號機(jī)組水泵軸承振動頻譜圖Fig.3 Spectrum of vibration of pump bearing of Unit 9
圖4 軸承振動頻譜圖在100 Hz以下放大圖Fig.4 Enlarged view of bearing vibration spectrum below 100 Hz
在圖3 中對主要振動頻率成分進(jìn)行采點(diǎn),結(jié)果如表4所示。由表4可以看出,水泵振動的頻率成分主要有60、180和220 Hz。
表4 9號機(jī)組水泵軸承振動頻譜圖采點(diǎn)Tab.4 Pump bearing vibration spectrum drawing point of Unit 9
計算9 號水泵振動烈度(10~1 000 Hz),結(jié)果如表5所示。永湖泵站二期工程水泵屬于第一類泵,對照《泵的振動測量與評價方法》(GB/T 29531-2013)[18]的評價泵的振動級別表,9 號水泵振動級別已達(dá)到D級。
表5 9號機(jī)組各測點(diǎn)的振動烈度 mm/sTab.5 Vibration intensity of each measuring point of Unit 9
根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論:
(1)永湖泵站二期工程水泵振動烈度較大,其中6、8、10 號振動級別為C 級,7、9 號水泵振動級別已達(dá)到D 級,屬不合格范疇。
(2)水泵振動的主要頻率為60 Hz,永湖泵站二期工程水泵葉片數(shù)為6,實(shí)測轉(zhuǎn)速為595.5 r/min,故其轉(zhuǎn)頻為9.925 Hz,60 Hz為葉頻。
(3)振動頻率成分除轉(zhuǎn)頻外,2、3、4、5 倍頻率成分均存在,但與葉頻相比振動幅值均較小。其中3 倍相對偏大,推測可能是聯(lián)軸器不對中導(dǎo)致。經(jīng)檢查,9 號水泵與電機(jī)聯(lián)軸器同心偏差較大。
關(guān)閉水泵進(jìn)、出口閥門,排空泵內(nèi)水體后開機(jī)運(yùn)行,測定水泵的振動特性。
圖5 為9 號水泵在無水運(yùn)行工況下非傳動端軸承徑向的振動頻譜圖。
圖5 無水運(yùn)行試驗(yàn)頻譜圖Fig.5 Spectrum diagram of operating test without water
與圖3比較,在無水運(yùn)行狀態(tài)下,水泵60 Hz振動不再突出,表明水泵60 Hz振動主要是由水力因素導(dǎo)致的。
改變進(jìn)水池水位,將進(jìn)水池水位由21.5 m 逐漸降低到17.8 m,測定水泵在不同進(jìn)水池水位條件下運(yùn)行的振動特性。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。
圖6 60 Hz振動幅值隨進(jìn)水池水位變化圖Fig.6 60 Hz vibration amplitude changes with the water level of the inlet pool
從圖6中可以看出,隨著進(jìn)水池水位降低,振動幅值逐漸加大。造成該結(jié)果的原因可能是水泵發(fā)生了進(jìn)氣或汽蝕。
對9號機(jī)組進(jìn)行填料函進(jìn)氣試驗(yàn),即降低進(jìn)水池水位,直至水泵填料函進(jìn)氣,然后在填料函上淋水,使其產(chǎn)生水封效果,在此過程中對機(jī)組振動進(jìn)行檢測。試驗(yàn)結(jié)果見表6。
表6 填料函進(jìn)氣試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Stuffing box inlet test results
由表中所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析知,當(dāng)填料函進(jìn)氣時,60 Hz 振動幅值開始增大,而一旦通過淋水形成水封,則振動幅值恢復(fù)到高水位時的水平。也就是說,水位下降造成振動幅度增大,事實(shí)上主要是填料函進(jìn)氣引起的,汽蝕因素幾乎沒有造成影響。再考慮到永湖泵站實(shí)際運(yùn)行時,進(jìn)水池一般保持在高水位狀態(tài),因此填料函進(jìn)氣對振動的發(fā)生影響較小。
根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論:
(1)機(jī)組振動強(qiáng)度與進(jìn)水池水位有關(guān),進(jìn)水池水位越低,振動越劇烈。其主要是由于水泵填料函水封不嚴(yán),運(yùn)行時漏氣造成的。
(2)水封嚴(yán)密情況下機(jī)組60 Hz異常振動仍然突出,只是不隨進(jìn)水池水位降低而增大,說明該異常振動不是由于汽蝕或漏氣造成的。
為研究電磁因素導(dǎo)致異常振動的可能性,對9 號機(jī)組進(jìn)行停機(jī)試驗(yàn)。全程采集機(jī)組從正常狀態(tài)直至完全停機(jī)的過程中軸承的振動數(shù)據(jù),然后抽取斷電前、斷電1 s 后和斷電10 s 后的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析和比較,如圖7~9所示。
圖7 9號機(jī)組斷電前軸承頻譜圖Fig.7 Spectrum of bearing before power off of Unit 9
圖8 9號機(jī)組斷電1 s后軸承頻譜圖Fig.8 Spectrum diagram of bearing after 1 s power failure of Unit 9
圖9 9號機(jī)組斷電10 s后軸承頻譜圖Fig.9 Spectrum diagram of bearing after 10 s power failure of Unit 9
從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,機(jī)組斷電后,轉(zhuǎn)速緩慢降低,此時200 Hz 以下的主要振動頻率都有所下降,但主要組成成分沒有改變。這表明機(jī)組異常振動與電磁因素?zé)o關(guān)。
機(jī)組振動偏大,7、9號水泵振動級別已達(dá)到D 級。從圖3、4可以看出,9 號機(jī)組水泵振動的主要頻率中60 Hz 葉頻最為突出。在水泵運(yùn)行中,機(jī)組振動頻率都會存在基頻和葉頻,但它們幅值常常相差不大。而此時機(jī)組60 Hz葉頻幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他頻率成分,所以機(jī)組振動偏大主要是葉頻引起的。
葉頻突出的原因可能是轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均或者葉輪槽道內(nèi)水體流速和壓力分布不均,導(dǎo)致葉輪受力不均。根據(jù)無水空載試驗(yàn),排除了轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均的情況。根據(jù)不同進(jìn)水池水位條件下機(jī)組振動特性檢試驗(yàn)驗(yàn),機(jī)組異常振動不是由汽蝕或進(jìn)氣引起的。所以導(dǎo)致水泵機(jī)組振動偏大的原因是葉輪進(jìn)口流速、壓力分布不均。為檢驗(yàn)其是否是水泵振動偏大的原因需要測定水泵進(jìn)口流速、壓力分布。但由于場地等原因無法展開試驗(yàn)。
檢查發(fā)現(xiàn),水泵進(jìn)水漸縮管收縮過快,收縮角遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的最大角度,且與水泵進(jìn)口至葉輪進(jìn)口吸水管的形狀耦合,水泵吸水管中央有一隔板,這一系列因素導(dǎo)致水泵葉輪進(jìn)口的流速、壓力分布不均。水流經(jīng)過進(jìn)水漸縮管后,底部水流快速沿漸縮管收縮方向流動,沖擊其后直管段頂部后轉(zhuǎn)而直下,隨后被隔板分隔,致使隔板下部流量大于上部,因而到達(dá)葉輪進(jìn)口時,斷面流速分布不均。水泵進(jìn)口漸縮管收縮見圖10。
圖10 水泵進(jìn)口漸縮管收縮Fig.10 The inlet tapered pipe of the water pump
綜上所述,水泵的60 Hz 振動很有可能是由于進(jìn)口漸縮管收縮過快導(dǎo)致水泵進(jìn)口壓力和流速分布不均造成的。
永湖泵站二期工程5 臺機(jī)組口環(huán)均發(fā)生嚴(yán)重磨損,說明機(jī)組在運(yùn)行過程中口環(huán)與葉輪進(jìn)口外緣發(fā)生了碰擦,一般情況下,碰擦引起的振動在頻譜圖上表現(xiàn)為轉(zhuǎn)頻突出且伴有1/2 和1/3的分頻。
對比正常運(yùn)行工況下的振動檢測結(jié)果(見圖3)可以看出機(jī)組在試驗(yàn)檢測過程中并未發(fā)生碰磨,結(jié)合口環(huán)確實(shí)存在磨損這一事實(shí),初步推斷口環(huán)與葉輪進(jìn)口外緣發(fā)生的碰擦屬于偶發(fā)性。根據(jù)偶發(fā)性的推論、口環(huán)嚴(yán)重磨損和黏連磨損位置均為從電機(jī)方向看約8 點(diǎn)鐘方向的位置等現(xiàn)象,進(jìn)一步推斷口環(huán)和葉輪可能發(fā)生黏連。葉輪受到不平衡力的作用,導(dǎo)致其與口環(huán)一個方向上的間隙變小,發(fā)生偶發(fā)性碰擦。由于葉輪和口環(huán)材料均為不銹鋼,偶發(fā)性碰擦后發(fā)生黏連,加劇了口環(huán)的磨損和變形。
將機(jī)組口環(huán)更換為銅質(zhì)并運(yùn)行一段時間后,經(jīng)揭蓋檢查發(fā)現(xiàn)口環(huán)與葉輪沒有出現(xiàn)黏連情況。
因此可以得出結(jié)論,口環(huán)的嚴(yán)重磨損是由于水泵葉輪和口環(huán)材料一致,運(yùn)行時偶發(fā)碰擦,進(jìn)而發(fā)生黏連導(dǎo)致的。
由廠房建筑物自振頻率檢測結(jié)果(見表1)可以看出,廠房出水側(cè)平臺梁側(cè)面、梁頂面、地面以及中控室墻體的自振頻率均包含60 Hz的頻率。該頻率正好與水泵運(yùn)行時的主要振動頻率一致(見圖3、4)。因此這些建筑物結(jié)構(gòu)極易在機(jī)組運(yùn)行時發(fā)生共振。
為此,對出水側(cè)平臺地板的底部和邊梁的側(cè)面進(jìn)行加厚、加固處理,并調(diào)整二期中控室大門的位置,原門用混凝土封堵。上述結(jié)構(gòu)異常振動現(xiàn)象消失。
所以建筑物結(jié)構(gòu)異常振動的主要原因是發(fā)生了共振。
通過現(xiàn)場試驗(yàn)以及頻譜分析等手段,對永湖泵站二期工程機(jī)組及廠房局部結(jié)構(gòu)異常振動問題進(jìn)行研究,得出了以下結(jié)論:
(1)機(jī)組振動偏大,異常振動頻率成分主要為葉頻,主要是由水泵進(jìn)口偏心漸縮管收縮過快,導(dǎo)致水泵進(jìn)口壓力和流速分布不均造成的。
(2)水泵口環(huán)磨損嚴(yán)重主要是由于設(shè)計不合理,葉輪和口環(huán)材料一致,水泵運(yùn)行時偶發(fā)碰擦,進(jìn)而發(fā)生黏連導(dǎo)致的。
(3)出水側(cè)巡視平臺、中控室墻體等局部建筑物結(jié)構(gòu)異常振動主要是由于其自振頻率與葉頻一致,引發(fā)共振導(dǎo)致的?!?/p>