螺桿泵異常振動噪聲的分析與處理

廖金軍，高海平，高隆隆

（華中科技大學機械科學與工程學院，湖北武漢 430074）

0 引言

螺桿泵由于其結構和工作特性，相對其他液壓泵而言，具有自吸能力強、結構緊湊、工作噪聲以及流量壓力脈動小和使用壽命長等優點［1］，在能源、船舶、化工和陶瓷工業等領域得到了廣泛的應用［2］。

雖然螺桿泵工作平穩，振動和工作噪聲較小，但在日常安裝和調試過程中也常出現螺桿泵系統的異常振動以及工作噪聲大等情況，甚至在系統運行一段時間后也會出現諸如上述異常的工況。當螺桿泵出現異常振動和噪聲后，其作為振動源激勵系統基礎和相連的管路系統，通過相連設備傳遞到系統下游，從而導致系統工況和工作條件的惡化，甚至對設備造成損害［3］。

由此可見，維護螺桿泵的正常運行，消除螺桿泵系統存在的異常振動和工作噪聲具有實際意義。

1 物理模型

螺桿泵系統的工作原理如圖1所示，本系統主要由以下4個部分組成:油源、安全裝置、螺桿泵和負載設備。由于空間原因，油箱的安裝位置位于螺桿泵的側下方，油箱液面距離螺桿泵的吸油口垂直高度為1.25 m;泵的吸、排油口均安裝有閥門裝置（維修時關閉，正常工況為常開）;螺桿泵豎直安裝，通過管路與閥門和油箱相連;負載設備通過長度為6.5 m左右的管路與泵連接。

本文針對按上述結構安裝的2臺同型號同規格的螺桿泵中的1臺出現異常振動和噪聲的現象，對螺桿泵振動噪聲原因進行分析。

圖1 螺桿泵系統工作原理圖Fig．1Functional diagram of the screw pump

螺桿泵系統的各物理參數如表1所示。

2 吸油特性分析

螺桿泵是通過螺桿的回轉運動來完成吸、排油的。同時，油液通過吸油管路和閥門裝置時都將產生一定的壓降，其中油液通過吸油管路的水頭損失為:

式中:g為重力加速度，m/s2;hf為吸油管路水頭損失，m;λ為管路沿程阻力系數;Li為吸油管路管段的長度，m，i≤n;ξj為吸油管路彎頭局部阻力系數，j≤k;v為吸油管內流體流速，m/s。

2.1 沿程阻力系數

為了計算油液通過螺桿泵吸油管路的水頭損失，需對吸油管內的油液流動狀態進行分析。當管中油液以層流或紊流狀態流動時，管道的沿程阻力系數也將發生變化。

1）吸油管內油液流速

分別將表1中的數據代入式（2），可得v=1.24 m/s。

2）雷諾數

將表1中數據帶入式（3），可得Re=1 240，并根據吸油管中的流體流動雷諾數可以確定油液在管中流動為層流。

3）沿程阻力系數

式中:r為管道半徑，m;R為管道彎曲半徑，m;θ為彎頭彎角，（°）。

彎頭的局部阻力系數按式（4）計算，由于吸油管路中彎頭都為90°彎管，并按標準彎徑彎制R= 2.5r，于是可得彎頭局部阻尼系數ξ=0.206。

2.2 吸油管水頭損失

將各參數的結果代入式（1）可得吸油管路水頭損失為hf=2.19 m。

根據計算結果hf＜Hs可知，螺桿泵的吸油能力足夠，不會因為吸油困難而造成系統的振動和噪聲。

3 汽蝕余量分析

為了避免螺桿泵汽蝕現象的發生，泵的安裝應在距離油箱液面一定高度范圍之內，否則，當泵安裝過高時極易造成泵的汽蝕，并導致泵及管路系統的振動和噪聲［5－6］。以下就螺桿泵不發生汽蝕條件下的泵安裝高度進行分析。

根據對螺桿泵汽蝕余量的分析，螺桿泵不發生汽蝕應滿足的條件是:

式中:NPSHa為螺桿泵有效汽蝕余量，m;NPSHr為螺桿泵必需汽蝕余量，m;S為安全系數（通常取0.5～1 m）。

根據文獻［5］中的定義:

式中:P0為工作環境下的大氣壓力，Pa;ρf為工作介質的密度，kg/m3;he為泵的安裝高度，h;Pv為工作介質的飽和蒸汽壓，Pa。

同理:

式中，Hs為泵的真空吸上高度，m。

將式（6）和式（7）化簡可以得到:

代入各計算參數可得:

實際中，螺桿泵的安裝高度he=1.25 m，可知泵的安裝高度已在允許的范圍內。

圖2 系統參數狀態與計算參數Fig．2Comparison of system parameter and calculated result

通過對螺桿泵系統的吸油特性和汽蝕余量分析可知，螺桿泵的安裝高度在其吸油能力范圍之內;同時，螺桿泵的汽蝕余量分析也表明，泵在當前的高度上不會造成泵汽蝕的產生（如圖2所示）。

4 原因分析

螺桿泵在工作過程中產生異常振動和噪聲的原因大致可以分為以下幾種情況［7］:

1）泵與電機的安裝不同心;

2）螺桿與殼體安裝不同心或二者嚙合間隙過大;

3）泵吸油管路有空氣吸入;

4）泵的安裝高度過大，泵內產生汽蝕現象。

從第2和第3節的計算分析和圖2所示可知，首先泵的吸油能力足夠，不會出現螺桿泵吸油不足的問題，可排除原因4）;再則，在現場中，同類型的螺桿泵沒有出現類似的異常振動和噪聲現象，因此可以排除原因1）和原因2）。

從以上分析初步得出結論:吸油管路有漏氣的可能性;如果管路螺紋連接及焊接處沒有漏氣現象，則安裝在泵前吸油管路中的截止閥可能存在密封不好的情況。

5 結語

在初步確定了螺桿泵異常振動和噪聲工況后，對吸油管路進行了排除，發現管路連接及密封良好;同時，將吸油管路截止閥進行了更換，重新啟動系統后，螺桿泵振動噪聲明顯減小，屬于正常運行工況。由此可以斷定螺桿泵系統的計算和分析結論是正確的，吸油管路中截止閥的手動操作部件存在有密封不牢，當螺桿泵運行時有空氣從該處進入吸油管路。

［1］李壯云．液壓元件與系統［M］．北京:機械工業出版社，2008．

［2］雷天覺．新編液壓工程手冊［M］．北京:北京理工大學出版社，1998．

［3］張得儉．單螺桿泵的振動分析及防止措施［J］．機械研究與應用，2001，（3）:13－16．

［4］張也影．流體力學［M］．北京:高等教育出版社，1999．

［5］郭立君．泵與風機［M］．北京:中國電力出版社，1997．

［6］王朝輝，石永春，朱煥勤．泵幾何安裝高度的分析與確定［J］．油氣儲運，2003，22（1）:46－48．

［7］孔建益，李公法．潛艇振動噪聲的控制研究［J］．噪聲與振動控制，2006，（5）:1－4．