摘 要：為解決某電廠循環(huán)水泵電機換新后振動超標問題，采用頻譜分析進行故障診斷，確定為共振問題。再借助有限元計算，有針對性地對泵組進行支撐加固，改變了泵組的固有頻率，使其遠遠避開了共振區(qū)間，共振問題因此得到妥善解決。

概述

立式混流泵廣泛應(yīng)用于能源化工行業(yè)冷卻水輸送、海水淡化、城市排水、南水北調(diào)、農(nóng)業(yè)灌溉等，但由于其軸系長、支撐剛度低等特點，無論是變頻改造還是更換某些部件，都極易引發(fā)水平方向的共振問題。一旦發(fā)生共振問題，如果不進行振動分析、明確振動機理、破壞共振條件，僅每次檢修轉(zhuǎn)子部件、更換磨損的導(dǎo)軸承等，將無法徹底解決振動問題。本文結(jié)合頻譜分析及有限元分析，為此類轉(zhuǎn)頻共振問題提供了解決思路，該思路成本低，效率高。

循環(huán)水泵組介紹

循環(huán)水泵為立式單級、非抽芯式混流泵，葉片角度固定不可調(diào)，泵重7.5 t，額定轉(zhuǎn)速745 rpm。新更換的電機為定速電機，重量7.2 t，額定轉(zhuǎn)速747 rpm，泵與電機配有各自的推力軸承。

如圖1所示，泵組分為基礎(chǔ)以上部分（依次為：1. 立式電機，2. 電機架，3. 水泵推力軸承箱，4. 出水彎座，5. 底板）和基礎(chǔ)以下部分（為：6. 泵體及轉(zhuǎn)子部件）。

振動情況及處理措施

四臺循環(huán)水泵自更換新電機后，運行均出現(xiàn)電機頂部軸承水平方向振動嚴重超標的情況。

原始狀態(tài)

循環(huán)水泵及電機初始振動速度如表1所示。

表1：初始振動速度表（mm/s，rms）

頻譜分析

脫開泵與電機之間的聯(lián)軸器，進行電機空載測試，頻譜見圖2。

圖2：電機空轉(zhuǎn)頻譜

電機空轉(zhuǎn)振動速度見表2。

表2：電機空轉(zhuǎn)振動速度（mm/s，rms）

根據(jù)頻譜，判斷電機振動主要由轉(zhuǎn)頻引起（額定轉(zhuǎn)速745rpm，頻率12.45Hz）。轉(zhuǎn)頻振動大，考慮的因素有：轉(zhuǎn)子動平衡差，轉(zhuǎn)子缺陷，安裝松動，共振等。此前水泵和電機均返廠維修，重做動平衡，均未解決振動問題，因此判斷共振的可能性較大。

固有頻率測試

進行敲擊實驗，固有頻率測試結(jié)果如圖3和表3。

圖3：電機固有頻率

表3：電機固有頻率

出水方向和垂直出水方向固有頻率存在差異，主要是因為：

1）電機架垂直出水方向開了檢修窗。

2）出水方向連接了出水管路[1]。

物體的固有頻率和物體的質(zhì)量成反比，和剛性成正比，表達式為：

式中，

因此，我們可以通過改變物體剛度或質(zhì)量來改變固有頻率，避開共振區(qū)間，減小振動。如松開電機地腳螺栓后空轉(zhuǎn)電機，電機頂部振動由先前的18 mm/s~20 mm/s（rms）下降至2 mm/s~4mm/s（rms），變化明顯。因為松開螺栓后，剛性下降，固有頻率改變，破壞了共振條件從而影響振動，該方法可以作為無頻譜分析儀時判斷共振的簡單方法[1]。

有限元分析

對于共振問題，有限元分析是出具解決方案最直接有效且低成本的方法之一。通過數(shù)值計算，在不更改土建和設(shè)備的情況下，得到改造后的泵組的固有頻率，大大降低了試錯風險和成本。

圖4：原泵組有限元分析

表4：原泵組固有頻率計算結(jié)果

API610標準規(guī)定，固有頻率應(yīng)避開轉(zhuǎn)子頻率的±10%。工程上，固有頻率±10％為嚴重共振區(qū)，固有頻率±20％為共振風險區(qū)[2]。

解決共振問題，可以從兩方面著手，一方面減弱振動激勵力，另一方面改變固有頻率以避開共振區(qū)。改變固有頻率也可以從兩方面考慮，一是通過增強剛度或減輕質(zhì)量來提高固有頻率，二是通過減弱剛度或增加質(zhì)量來降低固有頻率[3]。對于變速運行的設(shè)備，一定要避免改造后的設(shè)備的固有頻率落在工作轉(zhuǎn)速區(qū)間，避免和其他常見故障頻率重合（如2X，3X等），否則會出現(xiàn)解決了一個共振點卻引發(fā)了另個共振點的情況。

一般地，為了減少工期和成本，工程上大多采取加支撐的方式來提高固有頻率。若通過焊接的方法將支撐件和泵組相連，需要注意泵組部件是否熱變形，帶來結(jié)構(gòu)安全風險。本案例中，通過三維建模，在地基上建立四根斜撐，頂住電機架，再對改造后的泵組進行有限元計算。

圖5：改造后泵組有限元分析

表5：改造后泵組固有頻率計算結(jié)果

經(jīng)過計算，加上四根斜撐，在正確安裝的情況下，改造后的泵組的固有頻率有了明顯提高，遠遠避開了共振風險區(qū)。

現(xiàn)場施工及驗證

將設(shè)計制造好的斜撐通過膨脹螺栓固定在基礎(chǔ)地面，另一端通過螺栓緊固在電機架上。

空載測試中，電機頂部軸承水平方向振動均小于1.5 mm/s（rms），帶載測試振動也小于2 mm/s（rms），共振問題得到解決。

結(jié)束語

對于立式泵強烈的轉(zhuǎn)頻振動，在進行轉(zhuǎn)子故障分析或安裝問題檢查的同時，要判斷泵組有無共振風險[4-5]。若固有頻率與轉(zhuǎn)動頻率避開率低，則需要處理共振問題。通過三步走的方法：定位振動源，確認共振問題，改造泵組以改變固有頻率，從而達到解決振動的目的。

參考文獻

[1] 何國安，龔偉，李志強，張衛(wèi)軍.立式泵組結(jié)構(gòu)共振分析及治理[J].熱力發(fā)電2015,44(11):94-97.

[2] 孔濤，周文朝，李海峰.立式泵組共振問題分類及預(yù)防[J].水泵技術(shù),20199(2):19-23.

[3] 付江永，劉明利，王鴻雁.核電站立式長軸泵電動機故障診斷及處理[J].發(fā)電設(shè)備，2019,33(3):201-204.

[4] 柯嘯.核電站立式泵-電機振動高設(shè)計改進[J].電氣技術(shù)，2017,7:73-77.

[5] 潘再兵.立式導(dǎo)葉式泵振動問題的探討[J].中國農(nóng)村水利水電，2008,7:100-102.

兩位作者均來自于：上海凱士比泵有限公司