小舜江泵站3號泵停機過程振動原因分析

陳喜陽，彭玉成，張克危，竺維佳，施準備

（1.華中科技大學能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074；2.浙江紹興市上虞市湯浦水庫有限公司，浙江 紹興 312000）

0 引言

小舜江泵站位于浙江省上虞市湯浦鎮，承擔著供水的重任。自泵站建成后，3號和4號機組就存在振動過大的問題。關機過程中，振動尤其劇烈，造成廠房振動超標，成為泵站建筑物的嚴重安全隱患。為消除這一隱患，泵站方曾與有關單位合作，采取了一些整改措施，包括增加承重地板和橫梁加固，開、停機過渡過程仿真計算及閥門關閉過程的優化等，使問題在一定程度上得到了緩解，但始終沒有根本解決。作為項目組對3號泵機組停機過程中異常振動機理分析課題研究的部分成果，本文結合現場試驗數據，分析其振動原因，為實施降振措施提供依據。

1 現場試驗

為獲得分析振動原因所必須的數據，項目組于2010年7月8日對3號機組進行了針對性的現場測試 （見圖 1）。

圖1顯示，停機過程中，T4時刻開始，橫梁的振動突然大幅增加，最大幅值超過了2 mm。從T3到T4的時間間隔為13.7 s的時段內，閥前和閥后的水壓都比較平穩，閥前水壓靜態值略有增加，但脈動幅度增加比較明顯。這顯示葉輪內的流態處于最混亂的狀態[1]。通常，頻率信息是判斷振源的主要依據，但由于停機過程中不存在穩定的頻率組成，所以不能簡單地給出頻率組成，需要采用一定的策略進行分析[2]。橫梁垂直方向發生強烈振動，極有可能是某種激勵的頻率與橫梁固有頻率接近，使其產生共振所致。下文將分析究竟是什么因素導致橫梁發生強烈振動。

圖1 停機過程中幾個重要參數的變化過程

1.1 橫梁的固有頻率測量

劇烈振動現象通常與共振有關，判斷是否發生共振，需要知道固有頻率，所以需要測量梁的固有頻率。由于現場條件的限制，只能采用比較簡單的方法——錘擊法。此法是用錘擊引發梁的自由振動，自由振動就是某一階固有頻率的振動或者若干階固有頻率振動的疊加。

需要說明的是，這里所說的橫梁的固有頻率，是整個廠房的某一階振型的固有頻率 （因為橫梁與整個廠房是一個整體）。由于橫梁尺寸較大而錘子質量較小，所激發的振動的幅值很小 （小于0.2 mm），且橫梁振動的阻尼較大，每一次錘擊只能得到1～1.5個完整的波形，所以不便于進行精確的頻率分析。

圖2 錘擊橫梁產生的振動波形示意

圖2是錘擊橫梁產生的振動波形。由圖2可見，振動表現出明顯的非線性特征，其頻率不是恒定的，在一個周期中 （例如從第一個波峰到第二個波峰），兩個半周期 （從第一個波峰到波谷為第一個半周期，從波谷到第二個波峰為第二個半周期）的長度并不相等。所以，梁并不具有恒定的固有頻率，其頻率與振幅相關。

對于這樣的振動系統，不便于用傳統的傅立葉分析計算其頻率，這里采用如下方法進行分析。圖2所示為5次錘擊產生的振動。其中，第二次和第三次錘擊是連續進行的，第二次的振動尚未結束，第三次錘擊即已開始。所以第二次所產生的波形是不完整的，不對其進行分析。對其余的取一個完整的波形，將波峰和波谷出現的時刻標記出來并予記錄 （以采樣點的序號表示），然后計算每半個周期的時間，從而推導出振動頻率值 （見表1）。

表1 梁的固有頻率計算結果

計算結果表明，按前半個周期計算所得固有頻率的值為0.428～0.458 Hz，按后半個周期計算所得固有頻率的值為0.287～0.301 Hz。各次計算結果的大小與圖中各波形的幅值的關系基本是確定的。即，振幅越大，頻率越高。綜合各次計算結果可知，梁的固有頻率為0.287～0.458 Hz，與振幅有關。在泵關機的過程中產生的振動的振幅很大，因此梁的固有頻率更高。估計應該達到0.5～0.6 Hz，甚至更高 （停機時振幅達2 mm，而錘擊的振幅最大只有 0.17 mm）。

1.2 關機過程中橫梁的振動頻率

圖3給出了關機過程中橫梁振動的波形。由圖3可見，振動并不是單純的簡諧振動，仍然帶有一定的隨機成分，頻率也不穩定。取停泵前相對比較規則的兩個周期進行分析。圖3中用?表示分析的特征點，兩個點是波峰，兩個是波谷。兩個波峰之間為一個周期，兩個波谷之間也是一個周期。按前述方法計算周期的長度和對應的頻率，結果見表2。

表2 關機過程梁的振動頻率

圖3 關機過程中橫梁1的振動波形

可見，梁的振動頻率大約為0.4～0.6 Hz，與前面估計的固有頻率相當接近。

1.3 關機過程中閥前水壓脈動的頻率

根據振動頻率分析，橫梁劇烈振動的激振力應該是水壓脈動的結果，故對閥前水壓脈動的頻率進行分析。

圖4是橫梁振動劇烈的時段的閥前水壓脈動信號的波形圖。圖4a中是水壓的原始信號和靜態信號。由于這個時段是閥門關閉的過程中，泵的工況和閥門處的流態處于不斷變化的過程中，給頻率分析帶來極大的困難。

圖4 閥前水壓信號的處理

閥門關閉過程中，流量逐漸減小，泵揚程逐漸升高，靜態水壓也逐漸升高。由于這不是一個周期性的過程，如果直接對原始的信號進行FFT（頻譜）分析，會帶來較大的誤差。為消除靜壓力逐漸變化的影響，需設法將靜壓信號從原始信號中剔除，只分析動態信號。為此，首先對原始信號進行滑動平均計算 （每1 s計算1個平均值），得到靜態壓力隨時間變化的規律。由于平均計算的時間只有1 s時間，低于1 Hz的低頻脈動也會包含在此平均值之中。由于低頻信號對于梁的振動是最重要的信號，不應從原始信號中剔除。所以對所得的靜態水壓與時間的關系曲線進行一次光順處理 （光順樣條擬合）。這樣，所得的水壓靜態分量與時間的關系，見圖4a中曲線。從原始信號中剔除靜態分量以后，得到圖4b為純動態水壓信號的波形圖，頻率分析是針對這樣的數據進行的。

剔除靜態信號以后，分析仍然面臨著一個很大的困難。如果取一個較短的時間段進行分析，那么根據FFT分析的數學原理，不可能得到低頻分量的信息。如過取較長的時段進行分析，由于流態是逐漸變化的，所得結果實際上只是這一較長時段里不同狀態的某種意義上的平均值，并不是實際的情況。

所以，這里取各種不同時段進行分析 （見表3）。實際上，引起橫梁劇烈振動的頻率，不是幅值最大的頻率分量 （稱為主頻），而是頻率與固有頻率最接近的頻率分量。所以，表3中除了按照FFT分析的一般做法那樣給出主頻及次頻、季頻等分量的幅值以外，還特地給出了可以得到的1 Hz以下的低頻分量的幅值。

為使水壓分析的時段與橫梁分析的時段盡可能一致，分析時段都是從圖4的最后時刻向前推算的。

從以上結果可知，雖然以上頻率分析的結果不是精確的結果 （原因已如前述），但有一點是明顯的，那就是在梁的固有頻率范圍內 （0.4～0.6 Hz或更高），的確存在著水壓脈動的分量。這些分量的幅值雖然小于主頻分量，但相對于其他的頻率成分還是比較大的。

2 結論

根據上述分析基本上可以確定：橫梁的劇烈振動是在閥門開度很小時，泵和管道內水壓脈動的低頻成分的頻率與橫梁的固有頻率相近，從而產生共振所致。

［1］ 施準備，竺維佳，彭玉成，陳喜陽.基于CFD數值模擬的水泵機組振動分析［M］.水力發電，2010，36(10):62-64.

［2］ 陳喜陽.水電機組穩定性監測中狀態分析方法研究 ［R］.武漢：華中科技大學， 2008.