立式导叶式泵振动问题的探讨

立 式 导 叶 式 泵 振 动 问 题 的 探 讨 
潘 再 兵
(上海凯士比泵有限公司 ，上海 200245)
作者简 介：潘  兵 (1963一)．男，高级工程 师。

摘 要：分析了泵机组振动的不同状态，并结合立式导叶式泵的特点提出了其振动问题在安装形式的选择、设计、制造 、安装及运行过程中的预防措施 ，探讨了振动问题的解决思路和方法。
关键词 ：立式泵；导叶 ；振动
中图分类号 ：TH3  文献标 识码 ：B

    立式导叶式泵，包括立式导叶式离心泵 、立式导叶式混流泵和立式轴流泵，  城市给排水、污水泵站、钢厂和船坞水输送、水利排灌、电厂等领域得到了广泛的应用。在水泵使用和运行工况变化较广的场合．立式泵已越来越多地采用变速运行方式 ．以节约能源 。

    振动是衡量水泵机组运行是否安全可靠的主要技术指标之一 。对水泵机  及系统 的研究 ，就必然要考虑振动问题 。引起水泵振动的原因很多，也很复杂，国内对水泵振动原闪及消除措施有不少研究^【1-5】，针对泵机组各部什存在的振动，从机械、电气、水力、水工及其他方面分析了水泵机组产生振动的原因．提出了减轻 机组振动的措施。

立式泵可节省平而空间，但其具有高而细的塔状结构，其电机支承仲具有较低的田有频率，与卧式泵相比更容易发生振动。转子的不平衡、联轴器的不对中、轴承的偏差或水力扰动等都可能引起作用于立式泵机组的振荡动力。当一个动力的频率与泵的一个部件的固有频率卡H等或成比例时，就会发生共振 。当泵的转速变化时，这些动力的频率也会改变，同样条件下，一个动力与泵的一个部件的固有有频率相等的机会要 比等速运行时大得多，因而发生振动往往难以避免。本文将结合立式导叶式泵的特点，着重探讨预防和解决立式导叶式泵的共振问题。

1 振动问题的分析

泵机组运行过程中部不可避免地存在不同程度的振动，大致分为4种情况。
(1)存规定的评价值范同之内的低强度振动。此时泵机组属正常运行 。
(2)超过规定评价值的一般强度振动。其振动频率不靠近 泵机组部件 的同有频率 ，振动是 由一种或几种较大的动力源引起的，也需要通过消除或减轻该动力源来解决 。文献[1]～[5]对此有详细描述，本文不再赘述。
(3)高振幅的激烈振动(即共振)。一个部件在它的固有频率下被一个动力所激励，就会导致共振。在固有频率下运转是极不稳定的，而且只要很少的不平衡或不对中即会导致很大的振动振幅。因此，共振问题通常不足采用减少动力值的方法来解决，最好的解决方法是改变周有频率。
有3个参数，即质量、刚度和阻尼，影响着同有频率的高低。其中质结和刚度是最主要的两个参数。增加振动物体的质量将降低其固有频率；增加部件的刚度则会提高其固有频率。阻尼也会改变固有频率的位置，但影响不大。增加阻尼会使固有频率的峰值频率略微降低，并减小其振幅值。减小这3个参数，对固有频率的影响则相反。
(4)振动超过一定限度，造成机组损坏而无法运行。这是需要注意预防而避免发生的结果。

2 振动问题的预防
选型、设计 、制造、安装等各过程中都要充分考虑振动问题 ，尤其要注意使电机支承件具有适当的固有频率，以避免振动发 生。在运行的过程中要注意识别初始的振动、及时维护以防止机组损坏 。
2．1 安装形式的选择
2．1．1 安装形式及特点
如图 1所示，立式导叶式泵有如下 4种安装形式：
(1)“A”安装形式，即出水弯管布置在基础楼板上方，泵支承在出水弯管下方的基础楼板之上，驱动电机通过电机座与泵法兰式相连。其电机支承件南}{J水弯管和电机座组成，其固有频率低，且难以通过增加刚度来提高固有频率；塔状结构的高度较大，在基础处振动相同的情况下电机顶部振幅较大。仅适用于口径 900 mm 以下的小型泵机组 。

图 1  立式导叶式泵的安装形式 

(2)“B”安装形式 ，即 水弯管布置在基础楼板上方。泵支承在出水弯管下方的基础楼板之方。驱动电机安装在另一单独基础楼板之上。电机支承件为电机支架，可通过增加刚度来提高其固有频率；塔状结构的高度小，在基础处振动相同的情况下电机顶部振幅小。适用于排灌泵站机组，广泛应用于大中型泵站机组 。

(3)“C”安装形式，即出水弯管布置在基础楼板上方 。泵支承在出水弯管下方的基础楼板之上。驱动电机安装在电机座上。电机座和泵分别置于一公共的基础底座上。电机支承件为增 强型电机座 ，其径向尺寸大 、固有频率高 ，适用于电机质量较大的泵机组 。但增强型电机座成本较高且需要的平面空间较大 ，实际应用较少。

(4)“D'’安装形式，即出水弯管被布置在基础楼板下方。泵由出水弯管上方的基础楼板支承。驱动电机通过电机座与泵法兰式相连并通过泵座或底板安装在基础底座上。电机支承件为电机座，可通过增加刚度来提高其 固有频率 ；塔状结构的高度较小，在基础处振动相同的情况下电机顶部振幅较小。适用于中小型泵站机组，广泛应用于电厂循环水泵机组。

2．1．2 实例分析
从防止振动发生的角度看 ，安装形式选择的关键点在于考虑电机支承件的固有频率(即电机质量及支承件刚度 )。

实际工程应用中，有一个中型水泵机组 (泵出口直径为DN15O0)选用了上述“A”安装形式 ，所配电机质量很大(约 3．3万 kg)而电机支承件(出水弯管和电机座)的刚度又不够大，致使塔状结构(由出水弯管、电机座和电机组成)的固有频率很低，导致泵机组运行时发生共振(振动十分强烈，无需测量仪器就能观察到)，致使泵机组不能正常运行。此外，在电机支承件中出水弯管刚度难以提高，给振动故障处理造成了极大困难。
最后只得采用图 2所示方式加固电机支承件、提高塔状结构其固有频率，最终消除了振动。但这种方案不仅影响外观，现场布置也很困难。笔者认为口径 900 mm以上的泵机组应慎用或不用“A”安装形式 ，宜选择“B”或“D”安装形式。

2．2 设 计
(1)合理选型，包括选择合适的安装形式和合理的水力模型。
(2)计算泵临界转速，合理确定轴承间距 ，保证转子刚度。

图 2 电机支承件的加固
藏式 导叶式泵均采用刚性轴设计，泵临界转速应不小于 1．3倍的工作转速；泵机组为变速运行时，泵临界转速应不小于 1．3倍的最大工作转速。
(3)可采用如下方法提高电机支承件刚度，使其固有频率处 r不引起振动的适当频率值(最好高于机组的最大T作转速的频率)：①增大支承件尺寸；②使用加强筋；③尽量减小开口(如电机座窗VI)；④对于引进技术，应注意国产电机与进VI电机的质量差异，必要时应加 固电机支承件；⑤必要时作振动模拟分析，依据分析结果改进结构设计。
(4)合理设计或选用进出水流道，对大型泵站 ，进行泵装置计算分析和模型试验。防止出现水力不平衡和汽蚀等对泵机组运 行的影响 。

2．3 制 造
(1)转子平衡试验，将不平衡重控制在允许的范围。对混、轴流泵开式叶片，可采用数控加工方法 ，减少叶片间的重量差异 ，保证转子平衡。
(2)零部件尺寸和形位公差的控制(如轴的跳度和联轴器的垂直度等)。
(3)必要时对塔状结构(电机和电机支承件)作振动频谱分析，验证其具有适当的固有频率，并根据分析结果对电机支承件作必要的改进。

2．4 安 装
按八大部件配合要素进行质量控制：高差、同心、垂直、受力、摆度、中心、圆度和间隙[7]。

2．5 运 行
应按程序进行操作 ，保持适当的机组运行条件，记录机组运行数据 ，关注机组运行状态。
对立式导叶式泵机组的振动状态进行监测和分析 ，是减少机组事故 、提高维修效率的有效途径。目前这方面的技术还不成熟[8]。对泵潜水部位的振动测试缺少经验 ，对磨损和损坏的预测还非常困难 ，因而造成在没有报警的情况下发生故障。有必要加强这方面的研究。

3 振动问题的解决
3．1 解决振动问题的系统性
尽管要求在设计、制造等过程中采取预防措施，但有些振动问题对于泵的制造商来说是难以预防的。如由泵与进口管或进水室不匹配所引起的水力扰动会激励固有频率；立式泵可以配很多不同型式的电机，每种电机不同的质量，也会影响固有频率。在这些情况下，有时共振问题就不可避免。泵制造商通过试验测试可以掌握泵的振动特性 ，从而能比较准确地预测潜在的振动问题并设法避免之。但是当共振发生时，必需从系统上着手来解决问题。

3．2 解决振动问题的复杂性
一台机组的振动往往是复杂的，有可能是几种振动的复合．有的振动动互相迭加，而有的互相抵消，并且有些振动并非固定不变．这就给分析判断带来了困难，因此在分析时要借助测
试仪器．反复对比判断，才能找出真正的原因[9]。
但是机组运行时出现的故障却有一定的规律。旋转机械的故障特征频率与转子的转速有关 ，等于回转频率及其倍频或分频。掌握这些规律有助对于振动问题的分析和解决。
下面为立式泵机组 常见的机械 和电气振 动故 障特征 。
(1)转子不平衡。转子不平衡是最常见的振动故障动力源。  振动特征为：在1倍频率点上产生频谱峰值，以径向振动为主，对工作转速敏感，振幅与不平衡度成正比．并随转速升降增减过临界转速有共振峰。

(2)轴不对中。轴不对中也是十分常见的振动问题来源。
其振动特征为：径向以2倍频率为主，轴向以1倍频率为主；对载荷变化敏感，振动随载荷增加而增大；对环境温度变化敏感；在联轴器相邻的轴承处径向振动较大；轴向振动大。

(3)转子与静止件磨擦。非线性振动，频率成分分布范同较宽 。

(4)机械松动。产生非常明显的 1倍基频波峰；分为轴承故障(导轴承松脱、损坏 ；轴承壳体配合松动；轴承磨损，轴承间隙过大)引起的旋转松动和泵组与基础之间的结构松动引起的
非旋转松动。

(5)电机内部电磁力不平衡。主要产生 2倍和 3倍频率的电磁谐波 【1】。

3．3 解决振动问题的步骤

第一步，要确定靠近泵机组运行范嗣的所有固有频率。这可在泵停机时使用可调节 的激振器来实现。试验测试所得到的频谱响应曲线有助于识别出在止常运行情况下激励振动的振荡动力(如不平衡、不对中、水动力等)。

第二步，必须取得与每一个固有频率相应的模态数据，以找 每一个固有频率对应的部件。
最后，必须采收措施使同有频率高于或低于转速范围。如果降低固有频率 ，那么振动就可能正好移向泵转速范围的下限。但是如果提高固有频率，则它就会处于机组转速范围的上限以上，固有频率就永远不会被激励了。

参 考文献 ：
[1] 朱红耕．消除泵站振动危害 提高水泵装置效率[J]．中国农村水利水 电．1996，(1)：67  69．
[2] 牟焕君．水泵振动原  及消除措施[J]．中国没备]_程，2003，( 1)：27。。28．
[3] 淮惠梅．水泵振动原  及对策[J]．机械 丁程与 自动化，2004，(2)：59  61．
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L6] R J Meyer．．Solving the Problem of Vertical Pump Vibration[J]．Pumps，1978，141：275—281．
[7] 仇宝云．大中型水泵装置理论  关键技术[M]．北京：中国水利水电出版社 ，2005．

[8] 丁 军．大型泵站机组振动监测与故障诊断研究fJ]．水泵技术，2004，(2)：4l  43．
[9] 刘述坤．泵站机组振动问题的讨论[J J．农Lu水利与小水电，l993，(4)：37～ 38．
[1O] 张碧波．设备状态检测 卜j故障诊断[M]．北京：化学工业出版社 ，2005．