振動分析在離心泵空化監(jiān)測中的應用

段向陽，王永生，蘇永生

(海軍工程大學 船舶與動力學院，武漢 430033)

離心泵空化后，空泡潰滅時輻射的高頻脈動噪聲會誘發(fā)泵體產生劇烈的振動。隨著空化的發(fā)展，產生的空泡數量逐步增多，空泡潰滅的速度加快，對泵體產生的沖擊作用隨之增大，引起泵體的振動加劇、振幅也增加。因此空化空蝕程度與振動信號的幅值、振動水平等之間存在著一定的關系。

國內外很多學者對空化監(jiān)測進行了大量研究，但其研究對象主要以水輪機等水力機械為主［1－3］，研究方法涉及到高速攝影法，聲壓法，聲發(fā)射等［4－6］。也有很多學者采用振動分析法對離心泵中的空化進行了研究，但其特征提取主要是基于時域分析的［5，7］。本文在實驗室條件下，運用振動法對離心泵的空化進行了大量的試驗研究，進一步探索離心泵空化時振動信號的頻域特點和規(guī)律，為開展離心泵的實時空化監(jiān)測奠定基礎。

1 空化監(jiān)測原理和方法

空化發(fā)生時，會產生大量的氣泡，氣泡隨著周圍流體運動到高壓區(qū)時會潰滅。空泡的潰滅會產生高頻脈沖，輻射空化噪聲，引起介質壓力波動，并誘發(fā)機械結構振動。空化監(jiān)測的原理就是測量空泡潰滅時產生的沖擊波和輻射噪聲以及介質的壓力脈動和機械結構的振動等，從測量信號中提取出表征空化的特征值，建立空化特征值與空化強度的對應關系，通過監(jiān)測信號中各特征值的變化來判斷空化的發(fā)生和發(fā)展程度［8］。

本文通過安裝在離心泵軸承座及泵殼上的加速度傳感器獲取空化前后的振動加速度信號，通過時域分析和頻域分析等分別提取信號的特征。在此基礎上，計算與分析空化前后的振動加速度水平，通過振動分析，尋找離心泵空化的特點和規(guī)律，提取空化特征，再根據這些特征值的屬性，判斷離心泵空化空蝕的發(fā)生、發(fā)展以及嚴重程度，進而確定離心泵空化監(jiān)測的特征量及其對應的空化監(jiān)測閾值。

2 試驗裝置與試驗方法

本實驗在離心泵開式試驗臺上進行，試驗臺示意圖如圖1所示。該泵為6葉單級單吸離心泵，進出口直徑分別為125mm和100mm，額定功率為7.5 kW，額定轉速為1440 r/min，額定流量100 m3/h。泵進口前有一段透明管路，可以實時觀測流動情況。

圖1 離心泵開式試驗臺示意圖Fig.1 Scheme of the open test rig for centrifugal pump

試驗前，先記錄各儀表的初始值。試驗過程中，保持轉速不變，通過逐步調節(jié)進口閥的開度改變管路系統(tǒng)的阻力，從而降低泵進口的壓力，模擬空化的產生和發(fā)展。同時調節(jié)出口閥，使流量保持不變。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，分別記錄每個工況點泵出口壓力表以及進出口水銀壓差計的讀數，同時通過高速數據采集系統(tǒng)采集振動加速度信號。加速度傳感器的頻響范圍為3 kHz～15 kHz，線性范圍為3 kHz～12 kHz，采樣頻率設置為64 kHz。

根據以上試驗方法，在額定轉速下(n=1440 r/min)，分別對流量 Q=90 m3/h、100 m3/h和 110 m3/h三種情況進行了多次重復試驗，每個流量分別測取了9個工況點，每工況點采集10組數據進行平均。

3 離心泵空化的振動特征

3.1 不同測點位置的影響

為了尋找能夠較好反映出空化狀況的振動加速度測點，將加速度傳感器分別安裝在支撐軸承軸承座和離心泵泵殼上，測點布置位置如圖2所示。

圖2 加速度傳感器安裝位置Fig.2 Installation positions of the acceleration transducers

在額定流量下，按上述試驗方法，同時測取9個工況點下測點A和測點B的加速度信號，各個工況點記錄參數如表1所示。分別對兩測點的信號進行5 kHz～8 kHz和8 kHz～12 kHz的帶通濾波，考察加速度信號在這兩個頻段上的能量分布特點。圖3和圖4分別為測點A和測點B的加速度信號在空化前后不同頻帶的歸一化能量分布。

表1 額定流量下各工況點試驗參數Tab.1 Test parameters of each operating point on rated flow

國內外很多學者通過研究發(fā)現空化噪聲存在極值。從圖3和圖4中可以看出，空化振動信號也呈現這一變化趨勢，即隨著空化的不斷發(fā)展，振動加速度逐漸增大，達到某一極值后又減小。對比兩圖可以發(fā)現，測點A處的振動加速度信號在空化前后的變化率大約為2∶1，而在測點B處約為4∶1，即測點B對空化振動更加敏感，此處測取的振動加速度信號在空化前后的變化更加明顯，有利于進一步研究空化的振動特征。為此，以下重點對測點B處的振動信號進行分析。

圖3 測點A空化前后各頻帶的能量分布(a):5 kHz～8 kHz，(b):8 kHz～12 kHzFig.3 Energy distribution of the measuring point A

3.2 空化振動信號的特性

在實際的空化在線監(jiān)測現場，由于背景噪聲的干擾，而空化聲信號相對于背景噪聲而言又較為微弱，往往會淹沒在強大的干擾噪聲之中，在時域中往往無法識別。

圖4 測點B空化前后各頻帶的能量分布(a):5 kHz～8 kHz，(b):8 kHz～12 kHzFig.4 Energy distribution of the measuring point B

通過對比可以發(fā)現空化前后振動信號的幅值有了一定程度的增加，但在時域圖上難以進一步獲取有關空化的特征信息。從某種程度上講，空化信號的頻域特性比時域信號更加明顯［9］，因此，在空化空蝕分析時，往往會通過頻域分析確定空化信號的頻譜成分，進而識別空化空蝕的特征頻率，而時域圖僅僅作為參考數據。

為了便于分析，參照聲壓級等量級分別定義振動加速度級、頻帶振動加速度級和振動加速度譜級［10］。

假設{an}={a1.a2，…，an}為測取的一振動加速度序列，則其振動加速度級定義為:

式中:ae為振動加速度的有效值;a0為參考值，通常取a0=10－6m/s2。

振動加速度譜級的定義是將振動加速度信號通過帶寬1Hz的理想濾波器得到的加速度級。其計算公式為:

式中fi為第i號濾波器的中心頻率，Δfi為第i號濾波器的有效帶寬。

在已知振動加速度譜級Las(fi)時，可以根據式(2)計算頻帶振動加速度級La(fi)，然后根據下式計算寬帶振動加速度級La(或總振動加速度級):

根據實驗記錄的相關參數，通過式(4)和式(5)計算各個流量下的汽蝕余量和揚程。

將揚程下降3%的點作為臨界汽蝕點，通過作圖法求得了各流量下的臨界汽蝕余量NPSHC。不同流量下各工況點的汽蝕余量和揚程以及臨界汽蝕余量如表2所示。從表2中可以看出，臨界汽蝕點基本處在工況點6附近。

圖5為額定流量下空化前后振動信號的頻譜分布。經頻域分析發(fā)現，振動信號在整個頻段上都有能量分布，且在 2 kHz、4 kHz、6 kHz以及 8 kHz附近有明顯的峰值，而在15 kHz以上頻段信號能量相對較小。實驗過程中，管路系統(tǒng)出現了輕微的振動，到某一工況點后振動有所加劇。為減小低頻段信號的干擾，增加信噪比，信號在采集前進行了1 kHz～20 kHz的帶通濾波。

圖5 空化前后振動信號頻譜圖Fig.5 Frequency of the vibration signal before and after cavitation

表2 不同流量下各工況點的汽蝕余量和揚程Tab.2 Net positive suction head and head of delivery in different flow discharge

4 空化監(jiān)測特征量及其閾值的確定

根據圖5可以發(fā)現，空化后振動信號在5 kHz以上的變化趨勢更加明顯，且在6 kHz和8 kHz附近出現了明顯的峰值。根據振動信號的頻域分布特點，同時考慮到加速度傳感器的線性范圍，為了更好對振動信號進行量化分析，分別對其進行2 kHz～5 kHz、5 kHz～8 kHz和8 kHz～12 kHz的帶通濾波，考察其在這幾個頻帶內的頻帶振動加速度級以及寬頻帶上總振動加速度級的變化規(guī)律。圖6、圖7和圖8分別為額定流量下振動信號在上述三個頻帶內的頻帶振動加速度級變化趨勢。由圖可見，三個頻帶振動加速度級都有著相似的變化規(guī)律。但在2 kHz～5 kHz頻帶內空化前后振動加速度級變化不大，而其中5 kHz～8 kHz和8 kHz～12 kHz的頻帶振動加速度級在空化前后都有10 dB左右的明顯差別，可以作為空化監(jiān)測的特征量。圖9為5 kHz～12 kHz寬帶振動加速度級，也有著類似的明顯變化趨勢。

圖6 2 kHz～5 kHz頻帶振動加速度級Fig.6 Band vibration acceleration level in 2 kHz～5 kHz

圖7 5 kHz～8 kHz頻帶振動加速度級Fig.7 Band vibration acceleration level in 5 kHz～8 kHz

圖8 8 kHz～12 kHz頻帶振動加速度級Fig.8 Band vibration acceleration level in 8 kHz～12 kHz

圖9 5 kHz～12 kHz寬帶振動加速度級Fig.9 Broadband vibration acceleration level in 5～12 kHz

表3中列出了空化前后不同流量下各頻帶振動加速度級以及寬帶振動加速度級大小。表中將初始工況點的振動信號作為參考背景。比較幾個頻帶振動加速度級可以看出，在2 kHz～5 kHz頻段內，空化前后的振動加速度級只有2 dB左右的差別，即該頻段對空化不敏感，不適宜作為空化監(jiān)測的特征頻段。而在5 kHz～8 kHz和8 kHz～12 kHz頻段內，其振動加速度級在空化前后的變化值明顯高于2 kHz～5 kHz，均有10dB左右的增加。其中5 kHz～8 kHz頻段內空化時最大振動加速度級高達147dB，空化前后最大差值11 dB，最小差值9 dB，平均相差10 dB左右。而在8 kHz～12 kHz頻段內，空化時最高振動加速度級在139 dB～142 dB范圍內，空化前后最大差值10 dB，最小7 dB，平均相差8.5dB。由此可見，5 kHz～8 kHz頻帶振動加速度級空化前后的變化趨勢更加明顯，更適宜作為空化監(jiān)測的特征量。表中2 kHz～12 kHz和5 kHz～12 kHz寬帶振動加速度級根據 2 kHz～5 kHz、5 kHz～8 kHz和8 kHz～12 kHz的頻帶振動加速度級通過式(3)求得。

表3 不同流量下的頻帶振動加速度級Tab.3 Vibration acceleration level on different flow capacity

根據以上分析，5 kHz～8 kHz和8 kHz～12 kHz的頻帶振動加速度級和5 kHz～12kHz的寬帶振動加速度級都可以作為空化監(jiān)測的特征量。其監(jiān)測閾值的選擇可以以各工況下最大振動級的均值X和均方差S為依據，以為參考基準，在此基礎上再降低3 dB～5 dB作為參考監(jiān)測閾值。

表4 各頻帶的參考監(jiān)測閾值Tab.4 Referential monitoring threshold for each frequency band

在確定參考監(jiān)測閾值的基礎上，以各工況下的臨界汽蝕點的振動加速度級為報警基準，若某工況下該閾值與其臨界汽蝕點的振動加速度級的差值在±2 dB以內，則視為正確報警，否則都視為虛警，以此考察該閾值在不同工況下報警的準確性。各頻帶的參考監(jiān)測閾值及對應的虛警率如表4所示。

根據試驗數據分析結果，5 kHz～8 kHz、8 kHz～12 kHz和5 kHz～12 kHz頻段的監(jiān)測閾值分別取為138 dB、135 dB和140 dB，在保證較小虛警率的前提下，可以有效的防止空化的發(fā)展，閾值的選擇是合理可行的。

5 結論

通過對離心泵空化時的振動信號的測量與分析，主要結論如下:

(1)加速度傳感器在不同的測點位置測得的信號差別較大。本文中選取的位于泵殼上的測點B對空化更加敏感，更適宜作為空化監(jiān)測點;

(2)空化時振動信號呈現出先增強，達到極值后又逐步減小的趨勢;在5 kHz以上變化趨勢更加明顯，且在6 kHz和8 kHz附近出現了明顯的峰值;

(3)5 kHz～8 kHz和8 kHz～12 kHz頻帶振動加速度級以及5 kHz～12 kHz寬帶振動加速度級在空化前后都有10 dB左右的增大，能夠明顯的反映出空化的變化趨勢，都可以作為空化監(jiān)測的特征量。

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