某型離心水泵振動特性分析

1 引 言

離心泵是艦艇上的重要設備，廣泛應用于生活用水、消防用水以及設備和軸系的冷卻用水的供給，研究其振動特性，對其進行低噪聲改進，降低艦艇輻射噪聲有著重要的意義。

2 試驗設計與數據采集

2.1 試驗工況

為了掌握某型離心泵振動狀態與截止閥開度的關系，進行了截止閥開度為20%、50%和100%等三個工況的試驗。

2.2 離心泵振動機理

離心泵產生振動的原因包括，機組轉子的旋轉不平衡、軸系連接對中誤差、軸承的振動、泵機內部的非定常流場壓力脈動激發過流部件振動、泵機葉輪實際旋轉中心與設計中心偏離導致過流部件配合變化產生的流場脈動、轉動件與固定件之間的摩擦、電機的電磁振動以及電機軸帶冷卻風扇產生的氣流脈動對機殼的激勵等。

識別振動源的方法有多種[1-3]，從測試參數來講，有振動頻譜、相位譜、時域波形和聲壓頻譜等；從信號處理方法來講，有頻譜分析方法、細化譜分析方法、包絡分析、階比譜和復合功率譜、轉速譜陣與坎貝爾圖、相關分析、互譜分析和聲強分析、相干分析和偏相干分析等等。其中頻譜分析方法是最簡單的方法，因為，不同運動部件的振動產生不同特征頻率，往往根據振動頻譜即可識別振動源。離心泵的振動頻率特性見表1。

表1 離心泵的振動頻率特性

2.3 振動測點布置

振動測點應布置在產生振動的部件附近剛度較大的位置，以獲得較好的信噪比，以分析振動來源。離心泵的振動測試共布置了17個測點，具體布置情況為：測點1～6位于電機機腳上；測點7、8位于泵體支撐處隔振器安裝螺栓旁；測點9、10位于電機端隔振器安裝螺栓旁；測點11、12位于電機頂部兩端；測點13位于泵體；測點14、15位于泵的進口連接法蘭上；測點16、17位于泵的出口連接法蘭上。

圖1 振動測點布置

3 數據分析

3.1 截止閥開度對設備振動影響的分析

通過對比截止閥開度為20%、50%和100%三個工況下，各測點5～500 Hz和500 Hz～3.2 kHz振動加速度有效值的測量數據，可以看出，在5～500 Hz各點的振動加速度有效值在截止閥開度50%工況時，約為截止閥開度20%工況時的83%(最低點為75.9%，最高點約為93%)，在截止閥開度100%工況時，則約為85%(最低點為76.5%，最高點約為97%)；在500 Hz～3.2 kHz，除了測點2的振動強度稍大，測點5、10、12的振動強度不變以外，各點的振動強度都有大小不等的降低[4-6]。

3.2 各工況下離心泵振動特征頻率分析

3.2.1頻率范圍(5～500 Hz)

圖2 工況1功率譜

圖3 工況2功率譜

圖4 工況3功率譜

該型離心泵振動加速度功率譜見圖2～圖4。從圖中可以看出，在5～500 Hz頻率范圍，各測點的振幅較大的頻率為24.5，49.5，98.5，197.5，299.5，311和322 Hz，其中24.5 Hz為軸頻，49.5 Hz為2倍軸頻，98.5 Hz為葉頻，197.5 Hz為2倍葉頻，299.5 Hz為3倍葉頻；222 Hz只在工況1存在，應該是由于截止閥開度較小，導致流體流動受阻,在截止閥處形成激勵源引起的振動； 311 Hz以及322 Hz則需要進一步分析識別。在機腳測點1～5處，299.5 Hz的振動幅值為最大(工況1，測點2次大)；在管路測點處，除了工況1外，24.5 Hz的振幅為最大。根據這一點，可以作出以下判斷：該型離心泵機組中，泵葉的不平衡量比電機轉子的不平衡量要大，否則在機腳測點處，24.5 Hz即軸頻的振幅應比299.5 Hz即3倍葉頻要大，而不會出現299.5 Hz振幅較24.5 Hz振幅要大的情況。

從圖2～圖4可以看出，隨著工況的變化，該型離心泵單頻振幅存在以下變化：

1) 24.5 Hz：工況2下，各個測點的振幅相比工況1都有較大增長；工況3下，各個測點的振幅相比工況2又有所增長；

2) 49.5 Hz：各個測點的振幅以工況1下的最大，以工況2下的最小；

3) 98.5 Hz：除了2,3,6,16號測點外，工況2下，各個測點的振幅相比工況1有所增長；工況3下，各個測點的振幅相比工況2又有較大增長；

4) 197.5 Hz：工況2、工況3下，各個測點的振幅相比工況1有較大減小；

5) 222 Hz：工況2、工況3下，各個測點的振幅相比工況1有較大減小；

6) 299.5 Hz：除了4、5號測點在工況2下有所減小外，其余各測點在三個工況下的振動幅值變化不大。

7) 寬帶頻譜：在工況1下不少測點的寬帶頻譜，在工況2、工況3下都有減少。

綜上所述，工況2、3下，設備振動強度較工況1為小的主要原因是49.5,197.5,222 Hz以及寬帶連續譜處振幅的減小。若能采取措施，如改善機組動平衡狀況、安裝動力吸振器等，降低25 Hz的振幅，并以工況2為該型離心泵運行狀態，可望取得該設備對艦艇輻射噪聲最小。

3.2.2頻率范圍(500 Hz～3.2 kHz)

該型離心泵振動加速度功率譜(500 Hz～3.2 kHz)。從圖2～圖4中可以看出，在該頻率范圍內，各測點振幅較大的頻率為1 086,1 111,1 162,1 187和2 272 Hz，并且在986～1 286 Hz區間，存在以軸頻25 Hz為間隔的一系列譜線。由于這些頻率不是軸頻的整數倍，可以排除是電機轉子和水泵轉子軸頻的高次諧頻或電機的電磁振動，也可以排除是該型離心水泵內產生的脈動壓力直接引起的振動。

由于這些頻率和軸頻的高次諧頻比較接近，應當考慮到這些頻率可能與機組中除了電機和水泵轉子外的另一種運動部件——電機軸承有關：滾動軸承在旋轉時，軸承內的滾動體除了以軸承中心線公轉外，還以自身中心在軸承保持架上自轉，并和軸承內圈、外圈作相對運動，引發振動頻或其的諧頻，一般不等于軸頻或其諧頻，但和軸頻的諧頻比較接近，并且隨著轉速而變化。但由于缺乏電機轉子槽數和機組各個軸承的相關參數，不能肯定這些頻率就是由電機軸承產生。在清楚滾動軸承的滾動體個數、內外滾道直徑以及滾動體接觸角等參數的情況下，則可計算滾動軸承運動產生的特征頻率，用于離心泵振動源的識別。

從圖5～圖7中可以看出，隨著工況的變化，該型離心泵單頻振幅存在以下變化：大多數測點的各個單頻振幅變化不大，測點16在工況2、工況3下1 086，1 186，1 210 Hz處的振幅有較大的減小；測點17在工況2、工況3下，1 086，1 210 Hz處振幅有很大的減少。這是工況2、3下，設備振動強度較工況1為小的原因。

圖5 工況1功率譜

圖6 工況2功率譜

圖7 工況3功率譜

3.3 離心泵安裝基座振速特征線譜分析

在艦艇輻射噪聲估算中，往往使用設備安裝基座和管路處的振動速度作為輸入參數。圖8～圖12為該型離心泵運行時，安裝基座測點振動速度線譜;圖13～圖14為該型離心泵進口管路、出口管路振動速度線譜。從各圖中可以看出，振動較大的頻率是該型離心泵引起艦艇輻射噪聲最大的頻率成分。10～400 Hz頻率范圍內存在連續譜，這是水動力脈動所引起的振動。

圖8 安裝基座的測點1

圖9 安裝基座的測點2

圖10 安裝基座的測點3

圖11 安裝基座的測點4

圖12 安裝基座的測點5

圖13 進口管路測點

圖14 出口管路測點

4 分析結果

1) 在截止閥20%、50%和100%開度三種工況中，50%開度工況時,該型離心泵的振動最小，其原因是49.5,197.5和222 Hz以及寬帶連續譜處振幅的減小；

2) 在低頻段，該型離心泵振動較大的頻率為24.5,49.5,98.5,197.5和299.5 Hz；

3) 在較高頻段內，該型離心泵振動較大的頻率為1 086,1 111,1 162,1 187和2 272 Hz，并且在986 ～1 286 Hz區間，存在以軸頻25 Hz為間隔的一系列譜線；

4) 該型離心泵泵葉的不平衡量比電機轉子的不平衡量要大；

5) 該型離心泵造成對艦艇輻射噪聲最大的頻率成分為25 Hz(軸頻)、50 Hz(2倍軸頻)、74 Hz(3倍軸頻)和99 Hz(4倍軸頻、葉頻)的以及10～400 Hz頻率范圍內的連續譜。

5 改進建議

1) 在截止閥三個開度中，以50%開度為該型離心泵常開工況；

2) 改善機組(尤其是泵葉)的動平衡狀態，加強軸系的剛度，提高軸系對中精度，以及應用動力吸振器，以減小軸頻和倍軸頻的振幅；

3) 應該采取增加葉片數、改變葉片形狀、降低水泵葉片和汽輪機葉片與流動介質的相對速度，使用精密鑄造工藝保證葉輪實際中心和設計中心重合等措施，減小泵內壓力脈動和沖擊以減小水泵的葉頻。

[1] 盛兆順，尹崎嶺．設備狀態監測與故障診斷技術及應用[M]．北京：化學工業出版社，2003.

[2] 屈梁生，何正嘉．機械故障學[M]．上海:上海科技出版社，1986.

[3] 韓捷，張瑞林．旋轉機械故障機理及診斷技術[M]．北京:機械工業出版社，1997.

[4] 吳英友，趙耀，陳炯.汽輪給水泵機組振動頻率特性分析[J].中國艦船研究，2006，1(5-6)：90-93.

[5] 區維德．機械振動手冊[M]．北京:機械工業出版社，1992.

[6] 何正嘉．機械故障診斷案例選編[M]．西安:西安交通大學出版社，1991.