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离心泵产生振动的原因分析

时间:2015-4-20 来源:扬子江泵业 浏览数:9177

所有的水泵和旋转机械都会产生振动。振动的产生是无法避免的,也不是泵本身的问题:经设计者(以及电动机设计者)设计的泵能承受正常限度内的振动。这些振动限度随泵的类型、安装配置、供电要求、旋转速度以及泵送的液体等的差异而发生变化。水力资源协会出版了美国国家标准协会(ANSI)所采用的一整套标准,其内容涵盖了振动动力学、测量标准以及允许限度。该标准为ANSI/HI9.6.4。  
  通常情况下,如不造成明显问题大部分的振动都忽略不计(但不建议忽略)。过度振动可能导致噪音过大、设备损坏以及过早疲劳失效。近几年内开发的BAC网络、SCADA系统以及建筑管理系统和生产商设计和开发的系统已频繁用于测量和记录泵内的振动。确立基准参考值、确定限度以及将振动测量值并入预防性维修计划等,通常将在振动引起重大故障或其他无法预知的后果之前保证泵的正常服务。  
  但是振动本身并不是"根本性问题":振动由泵内部或系统内部的某个部件引起。  
  水泵振动产生的三大原因  
  1.误用、设计或制造引起的振动  
  2.内部原因引起的振动  
  3.外部原因引起的振动  
  由上述任一类原因引起的振动通常将导致其加剧达到一个将导致另一原因下出现故障的水平。  
  误用、设计或制造引起的振动  
  目前这一类原因为少见,但在处理泵的振动问题时却通常是首先考虑的因素。  
  引起振动的这一类原因的主要原因包括:  
  a.临界转速问题——这类问题实际上在以全速运行的卧式泵内是不存在的:生产商已对泵进行了设计,因此其第一临界转速将高出高转速。("临界转速"指激起旋转设备自然频率的理论角速度。旋转速度达到自然频率时便发生振动和共振。)在立式泵(如具有各类长度和转头的立式涡轮机)内,临界转速应在制造之前予以考虑。在卧式泵内,临界转速通常由超速、缺少管道支撑件或未考虑的多泵组引起。(缺少管道支撑件时,管道实际上成为了"泵的一部分",且系统的临界转速与泵的临界转速不同。)这与下文将讨论的外部原因引起的问题相类似。可采用两种方法纠正临界转速问题,将振动减少至可接受水平:  
  1.改变泵的自然频率,这一操作应咨询泵生产商或在其协助下进行。属于常用方法。  
  2.改变转速(针对VFD系统时尤为有用)。通过临界转速"锁定"或加速以预防机械运转。  
  b.严重气浊——气浊达到一定严重程度时(由NPSH或携入的空气引起),内爆的能量将引起整个装置急剧振动。当然,随着气浊的继续,泵轮材料将被腐蚀,振动也进一步加剧。合理选用泵则可避免此类情况出现,但随着系统老化以及管道改变这类情况仍可发生。将需要增加NPSH或排空现有系统内的携入空气。  
  c.腐蚀和冲蚀——虽然腐蚀和冲蚀问题极易被视为"内部问题",但是其根源在于为泵的抽送能力选择材料时的不当。腐蚀或冲蚀产生的损坏可能毁坏叶轮或颈环,导致机械的振动超出限度。需分析泵的抽送能力才能解决这一问题。即使受沙砾冲蚀较厉害,仍需按照步骤更换材料以根除问题或延长MTBF。  
  d.叶轮的不平衡——按照ISO标准1940/1,叶轮应该切割到大运行速度时的恰当直径并实现动态平衡(6.3级),该平衡级允许转速为1800时每盎司泵轮重量产生0.0014盎司英寸不平衡(转速为3600时为0.0007盎司英寸/盎司)。如果在现有泵上切割叶轮,按照标准平衡叶轮时出现初始故障或重新平衡失败将导致振动超出可接受的范围。这一点在各种大、小机械上均很重要,因为已建立的标准考虑了机械的总质量以及叶轮对振动产生的影响。唯一的解决方法是拆掉叶轮重新进行平衡。  
  e.电动机转动元件的不平衡——这是一种少见的制造缺陷。有关电动机平衡测试要求请见美国电气制造业协会(NEMA)的标准MG-12007第1节第7部分。通常情况下,被确定为电动机转子不平衡(通过断开电动机并由其自行运转)的问题实际上是曲轴或轴承故障问题,该内容已在本文其他部分进行讨论。电动机旋转部分的不平衡实际上在启动时(或启动过后不久)将非常明显。如果需质量保证,应咨询电动机生产商或著名电动机维修店,如与美国电气设备维修协会(EASA)合作的店。  
  f.软底脚——安装支座(通常在电动机上,但也在无整体支座的泵上)不在同一平面内时会出现这一问题,是出现相对频繁的导致振动的问题。由于支座在下方固定,框架扭转时,振动产生。这可能且确实已经在铸型电动机上发生且在初期很难确定,因为共振将在整个机械以及管道内(通常)传送。软底脚通常出现在启动时或维护后。考虑到其频率,除非其他振动引起的问题可以很容易地确定,建议在故障排查程序的早期检查软底脚。检查安装可使用度标指示的方法。另一种常用的简易方法则是轻轻解开压紧螺栓(一次解一个)并检查振动是否减少或消除。如果发现振动或螺栓解开过当,加垫片并重新校准就可以纠正。如果螺栓为解开状态,则应进行标记以防日后忘记对其进行紧固。  
  g.不平衡联轴器——不能与未对准的情况混淆,联轴器本身极少出现不平衡的情况。实际上在四极速度时绝不会出现不平衡,在两极速度时出现的频率也不高。当排除所有引起振动的原因后应适当进行不平衡问题的调查。虽然重新平衡联轴器有可能实现,但整套更换通常将更经济实惠。  
  h.机械容差——即使单个部件的容差值在生产商规范所规定的范围内,机械容差仍可引起机械内的振动。简言之,泵组装的零件越多,(在其他条件相同的情况下)容差"累计"使机械产生振动的风险越大。单个部件在检查时可能在规范(通常为ASME/ANSIY14.5)允许的范围内。由于这样一个事实的存在,即采用可能产生问题的已加工部件查找并确定其他可能问题,上述情况将变得更为复杂。精确度和垂直状态的全面检查将难于在实地准确测量,但是这是确定问题的唯一途径。  
  i.在另一方面,如果容差直接涉及转动部件,则机械容差引起的振动将易于诊断。"失圆"或"失方"的加工部件可能导致在其他部件内出现束缚或磨削。参考下文"外部原因导致振动"中的内容,区别机械容差与管道校准问题。  
  j.机械松动——为了便于讨论,本文中的机械松动仅指螺母和螺栓没有恰当进行紧固的情况。单独的螺帽在装配时可能没有紧固或在运输和安装过程中出现松动。所有外部螺帽在运输和安装时应解开。生产商每次就装配提出建议时,所有外部螺帽应紧固并在随后进行定期紧固(对于大多数机械,建议每年紧固一次)。  
  内部原因引起的振动  
  为了便于进行论述,本文中"内部原因"指机器内部的原因,不论是在泵的外部或内部。这些原因包括:  
  a.泵和电动机未对准——这无可争辩的是泵内产生振动的常见原因(其他原因,参考"外部原因引起的振动")。应该注意的是,按照泵生产商建议(而非联轴器生产商的限制范围)进行校准极为重要。(联轴器通常可以比泵或电动机承受的未校准值更大,但是负荷将传送至泵或电动机。)  
  b.旋转不当——虽然在方向错误的情况下泵也将旋转,但是流量和转头将减少,且由于流体动力学可能产生振动。旋转应进行检查并校正。(改变三相电动机的任意两根导线,并在确认泵能以预期旋转运行后检查电动机上的标示牌以纠正单相电动机上的导线。)  
  c.曲轴——曲轴可能由一些与场地有关的问题引起并能导致振动产生。通常情况下,曲轴将不相等负荷传递至轴承和阀座并引起过早磨损,即使在正常观测实践条件下这种磨损水平不足以被检测到。诚然,在底脚固定框架式泵上检查轴的准确度或"摆度"相对较容易,因为框架形成了一个平台,便于检查。所有故障部件的检查通常将显示引起故障的原因,包括在阀座和轴承内的故障原因。  
  d.轴承磨损/故障——正如其他讨论所示,润滑不足或润滑不当可以加速轴承磨损并引起振动。但是即使是在"完好"条件下,轴承也将出现磨损并因疲劳而出现故障。对轴承的检查以及磨损轨迹和滚道内的"剥落"将有助于确定是否有外来力加速磨损并促使振动发生。  
  e.堵塞——泵堵塞后并不总会产生过量振动,但其发生的频率还是很高。如果泵轮部件发生堵塞(不论是部分堵塞还是全部堵塞),泵送的液体将减少并产生振动。拆卸泵以检查其是否堵塞之前,建议检查电动机的电流消耗。堵塞的泵轮所消耗的安培数将比预计更低,除非堵塞产生的不平衡(和振动)足以使泵轮和泵壳之间产生摩擦。(在这种情况下,振动极有可能伴随摩擦和磨削噪音产生且安培消耗量也会增加。)  
  外部原因引起的振动  
  经验表明外部原因引起的问题是绝大多数振动产生的原因。  
  a.管道应变(泵和管道之间未对准)——管道应变(以及泵与电动机之间未对准)无可争辩地是引起泵振动的首要原因,且在排查泵振动原因时应首先关注这个原因。引入水之后考虑调整管支架极为重要。水的重量可能相当大,排空时支撑恰当的管道在满水之后可能需要进行调整。水的重量可能引起足够应变,导致振动,但同样也导致束缚和未对准或重大故障。  
  b.基础或锚固不牢——如果泵的基础不平或基板紧固或灌浆不当,(如"软底脚"的情况一样)有可能且会产生振动。虽然在启动时将立即出现这种情况,但随时间的推移和系统的稳定,振动将加剧。如果缺陷不是很严重,则调整基板和垫片可以进行纠正。直联泵在进行维修之后常出现这种情况,这并非偶然现象。如果铸铁(首选)或钢没有使用"底基层",则使用所有螺纹埋于混凝土中的部件将电动机直接与地面相贴,在顶上使用螺母以紧固泵。由于这种装置无法使用"后拉式结构",通常需切削所有螺纹以便于移除泵的旋转部件和电动机。这些螺纹很少更换,泵也不会直接与地面相接。振动和过早失效可能发生。  
  c.系统共振——由于每一个系统都存在一些共振频率,因此泵内的"可接受振动"将有可能导致系统频率振动,放大共振频率,从而加剧泵内的振动。这可能导致部件出现故障。与临界转速相似,需调整管道以解决这一问题。  
  结论  
  过量振动易于发现且能引起重大故障发生。确定振动产生的原因尤为重要,以便进行有效纠正。由于大多数振动产生的原因为外部原因或校准问题,因此应着重关注确定较长使用期限和较低寿命周期成本的调查。

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