磨蝕故障下離心泵的振動特性分析*

傅 田,麻建坐,2*

(1.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程與自動化學(xué)院,重慶 400040;2.重慶大學(xué) 航空航天學(xué)院,重慶 400044)

0 引 言

在離心泵的正常運(yùn)行過程中,磨蝕是其最為常見的故障。由于離心泵的工作條件復(fù)雜,其運(yùn)載液體往往含有一定量的固體顆粒,固體顆粒的存在會使泵的過流斷面產(chǎn)生一定的磨蝕破壞,磨蝕的產(chǎn)生會加速流體空化現(xiàn)象的形成,從而加劇離心泵的磨蝕損壞。因此,對離心泵的磨損故障規(guī)律進(jìn)行研究,可以防止因其磨蝕故障而造成損失。

在運(yùn)行過程中,離心泵所產(chǎn)生的振動特性與其故障類型、振動部位存在直接的關(guān)系。而利用振動信號特征頻率對機(jī)械進(jìn)行故障監(jiān)測診斷是一種常用的方法[1]。許志華等人[2]和紀(jì)俊卿等人[3]采用不同的分析方法,對齒輪箱和軸承進(jìn)行了振動信號處理,尋找到了其故障的特征頻率,大大提高了其故障診斷的準(zhǔn)確率。雪增紅等人[4]和趙亮等人[5]通過對離心泵的振動現(xiàn)象進(jìn)行故障分析,提高了該離心泵產(chǎn)品的運(yùn)行效率和其工作安全性。

當(dāng)前,對于離心泵的故障研究多集中在其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不穩(wěn)定、葉輪空化和空蝕方面,對于發(fā)生磨蝕后離心泵的研究較少。而磨蝕故障的產(chǎn)生會嚴(yán)重降低泵的水力性能和可靠性,加大整個泵組的振動水平。

羅先武[6]和田愛民[7，8]等人利用葉輪質(zhì)量失重測量的方法和表面涂層法,對泵進(jìn)行了磨蝕試驗分析,發(fā)現(xiàn)葉輪磨蝕的破壞程度取決于顆粒濃度、顆粒形狀以及葉輪材料等因素。劉小兵[9]通過含沙水對水輪機(jī)的磨蝕進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)了水輪機(jī)磨蝕破壞的集中區(qū)域。徐姚等人[10]通過對圓盤的磨蝕現(xiàn)象進(jìn)行了模擬計算,得到了其流場的速度分布和顆粒的運(yùn)動軌跡等。MARSIS E等人[11]采用DPM與E-E顆粒模型,模擬了含有顆粒水流對潛水泵的磨蝕,并預(yù)測了旋轉(zhuǎn)機(jī)械的磨蝕情況。WO Bo等人[12]采用離散相模型,對渣漿泵固相顆粒進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析得出了顆粒直徑、泵轉(zhuǎn)速、葉片參數(shù)對沖蝕特性的影響。AZIMIAN M[13]在磨損試驗臺上測試了轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、泥沙入射角等對沖蝕磨蝕的影響,發(fā)現(xiàn)固體顆粒的濃度越大,泥沙對其表面磨蝕的程度越大。WALKER C I和YOSHIRO J[14,15]通過實(shí)驗研究了不同形狀、固體顆粒大小和濃度對離心泵磨損速率的影響,并通過總結(jié)得出了其磨蝕損失的經(jīng)驗公式。

本文通過搭建LabVIEW虛擬試驗臺,在水箱加入黃河沙,加速離心泵磨蝕故障的產(chǎn)生,采集不同時間和不同流量下離心泵的振動信號,對其時域下的均方根及頻域的頻譜進(jìn)行分析,以研究磨蝕產(chǎn)生后離心泵的振動變化規(guī)律。

1 試驗和數(shù)據(jù)采集

1.1 試驗裝置及方法

該磨蝕試驗裝置由進(jìn)水管道、出水管道、試驗泵、閥門、傳感器等部分組成,如圖1所示。

圖1 試驗裝置

在數(shù)據(jù)采集方面,筆者通過LabVIEW虛擬儀器平臺,利用采集板卡對試驗數(shù)據(jù)(流量、進(jìn)口壓力、出口壓力、振動速度信號等)進(jìn)行采集;在振動信號測量方面,則是通過PCB振動傳感器對不同流量下的振動信號進(jìn)行測量。

試驗泵的主要參數(shù)如表1所示。

表1 試驗泵幾何參數(shù)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn),該雙吸單級泵振動測點(diǎn)選在軸承的驅(qū)動端和非驅(qū)動端(驅(qū)動端為靠近電機(jī)端軸承座,另一端為非驅(qū)動端)。筆者在水箱中添加黃河沙,使其濃度為10 kg/m3,在該工況下進(jìn)行磨蝕試驗。

傳感器的安裝位置如圖2所示。

圖2 傳感器安裝位置

1.2 泵外特性

為了更準(zhǔn)確地繪制雙吸泵的外特性(揚(yáng)程、效率)曲線,在運(yùn)行到每個流量點(diǎn),待離心泵運(yùn)行平穩(wěn)后,筆者對其數(shù)據(jù)進(jìn)行采集;并根據(jù)泵揚(yáng)程和效率公式,對不同時間段磨蝕狀態(tài)下離心泵的外特性和正常狀態(tài)下泵的外特性進(jìn)行對比。

根據(jù)定義,泵的揚(yáng)程可以表示為:

(1)

式中:H—揚(yáng)程,m;pd,ps—泵進(jìn)出口液體的靜壓力,Pa;vd,vs—泵進(jìn)出口液體否認(rèn)速度,m/s;zd,zs—泵進(jìn)出口到任選的測量基準(zhǔn)面的距離,m。

泵的功率通常指輸入功率及原動機(jī)傳到泵軸上的功率,用P表示。泵的有效功率稱為輸出功率,用Pe表示,即:

Pe=ρgQH

(2)

式中:ρ—輸送液體的密度,kg/m3;Q—泵的流量,m3/s;H—泵的揚(yáng)程,m;g—重力加速度,m/s2。

有效功率Pe和軸功率P之比為泵的效率,用η表示,其公式為:

η=Pe/P

(3)

筆者根據(jù)磨蝕試驗的揚(yáng)程、效率定義,研究外特性曲線揚(yáng)程和效率的變化后發(fā)現(xiàn):磨蝕的破壞會導(dǎo)致泵過流斷面發(fā)生磨蝕故障,使阻力系數(shù)增加,并產(chǎn)生大量空穴使流動紊亂,最終導(dǎo)致?lián)P程和效率下降。

為了更好地觀察空蝕狀態(tài)下離心泵振動特性的變化規(guī)律,筆者采用時域、頻域的方法對離心泵在磨蝕工況運(yùn)行時的振動信號進(jìn)行分析,以更準(zhǔn)確地得到在磨蝕故障下離心泵的振動特性。

泵外特性曲線如圖3所示。

圖3 泵外特性曲線

2 振動信號分析

2.1 時域分析

振動信號在不同峰值的變化主要是由離心泵機(jī)械振動和流體誘導(dǎo)振動引起的,各個方向的振動是離心泵不同因素綜合作用的結(jié)果。當(dāng)葉輪發(fā)生故障后,整個泵的振動強(qiáng)度會發(fā)生強(qiáng)烈的變化,此時離心泵在各個方向的振動信號表現(xiàn)出典型的非穩(wěn)態(tài)特征。

均方根(root mean square,RMS)是信號處理中最常見的數(shù)據(jù)分析方法,主要分析其故障信號的平均有效量。

為了更好地分析各個流量下離心泵振動信號的穩(wěn)定情況,筆者采用均方根來表征信號的平均強(qiáng)度。因此,筆者分別對各個方向、各個流量下振動加速度信號進(jìn)行均方根處理。

均方根[16]表達(dá)式如下:

(4)

式中:XK—振動信號的測量值,K=1,2…n。

根據(jù)式(4),此處采用均方根表征來每個流量下離心泵的平均振動強(qiáng)度。

在離心泵驅(qū)動端和非驅(qū)動端產(chǎn)生磨蝕后,每個方向上的振動強(qiáng)度變化較大,這是由于磨蝕的發(fā)生使葉輪不平衡造成轉(zhuǎn)子振動過大,動、靜部件摩擦加重所致;而在正常情況下,各個方向振動信號的均方根相對變化較小,這是由于磨蝕的產(chǎn)生在磨蝕破損位置產(chǎn)生大量漩渦,漩渦對磨蝕位置造成沖擊，使得其振動平均強(qiáng)度增加。

驅(qū)動端振動均方根變化曲線如圖4所示。

非驅(qū)動端振動均方根變化曲線如圖5所示。

由圖(4,5)可知:

(1)當(dāng)發(fā)生磨蝕后,離心泵驅(qū)動端的整體振動水平增加,其振動烈度隨流量的增加呈拋物線型式,且在流量為118 m3/h時其振動烈度最小;

(2)在非驅(qū)動端和驅(qū)動端軸向方向上,在每個流量下,振動力烈度都遠(yuǎn)大于初始振動,該方向可以作為磨蝕故障的參考方向;

(3)在豎直方向和水平方向上,其振動較為復(fù)雜,設(shè)計點(diǎn)處豎直方向磨蝕后的振動值小于其初始值,設(shè)計點(diǎn)處水平方向磨蝕后的振動值大于初始值。

2.2 頻域分析

目前,在工程應(yīng)用領(lǐng)域,對旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行振動信號的頻譜分析,基本上都是采用傅里葉變換的方法,該方法是把信號的時域和頻域聯(lián)系在一起的重要工具。

由于采集到的工程信號有隨機(jī)性和非平穩(wěn)性,會存在非同步的采樣誤差。傅里葉分析可以在頻域上把時域上不明顯的信號突顯出來,可以對信號進(jìn)行更好地識別和處理。

離心泵在磨蝕后,其表面會出現(xiàn)破損,磨蝕后的旋轉(zhuǎn)部件會誘導(dǎo)產(chǎn)生大量振動,不同頻率會出現(xiàn)不同的變化,各個頻率段振動以軸頻以及高倍頻為主[17，18]。筆者對發(fā)生磨蝕后的離心泵驅(qū)動端和非驅(qū)動端的振動信號進(jìn)行傅里葉變換,以分析不同流量下振動各頻率的變化。

在不同流量下,雙吸泵驅(qū)動端的水平方向、豎直方向、軸向方向振動信號的頻譜圖,如圖6所示。

在不同流量下,雙吸泵非驅(qū)動端的水平方向、豎直方向、軸向方向振動信號的頻譜圖,如圖7所示。

本次試驗中,離心泵的額定轉(zhuǎn)速N=2 960 r/min,即旋轉(zhuǎn)頻率軸頻f0=49.3 Hz,葉頻fBPF=6,f0=295.8 Hz。

由圖6和圖7可知:

(1)在每個方向上都有振動能量變化,這說明磨蝕會誘導(dǎo)離心泵產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動;在進(jìn)口水流中,由于固體顆粒的存在會使液體進(jìn)入過流部件時的流場變得相對錯亂、不平穩(wěn);而長時間的磨蝕會導(dǎo)致離心泵的轉(zhuǎn)軸和密封環(huán)、轉(zhuǎn)軸與軸瓦、轉(zhuǎn)軸與密封瓦等動、靜部件產(chǎn)生摩擦,從而引起振動;

(2)在離心泵驅(qū)動端和非驅(qū)動端水平方向上,軸頻處振動信號能量相對集中;且隨著流量的增加,軸頻能量呈現(xiàn)先下降后上升趨勢;在設(shè)計點(diǎn)的振動能量最小,呈拋物線式升降,葉頻振動能量逐漸降低;由于顆粒的不均勻沖擊,軸頻的諧頻處(2f0、3f0)產(chǎn)生一定能量的振動;

(3)在離心泵驅(qū)動端和非驅(qū)動端豎直方向,由于磨蝕造成的破壞,流體會在進(jìn)入離心泵后產(chǎn)生大量的漩渦,導(dǎo)致軸頻振動能量較大;隨著流量的增加,軸頻以及葉頻逐漸降低,并在3f0處振動能量逐漸減弱;

(4)在離心泵驅(qū)動端和非驅(qū)動端軸向方向,由于顆粒對轉(zhuǎn)動軸的不均勻沖擊,致使葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡,不同流量下軸頻的變化不明顯,整個方向振動能量集中在軸頻處。

3 結(jié)束語

本文搭建了LabVIEW虛擬試驗臺,通過對單級雙吸離心泵的磨蝕試驗,采集了不同時間和不同流量下離心泵的振動信號,分析了磨蝕故障下水力性能以及產(chǎn)生的振動特性,通過對其振動信號的時域和頻域進(jìn)行分析,研究了磨蝕產(chǎn)生后離心泵的振動變化規(guī)律,得出了如下結(jié)論:

(1)磨蝕試驗中,固體顆粒的存在使流體阻力系數(shù)增加,磨蝕部位產(chǎn)生大量漩渦,造成離心泵揚(yáng)程和效率的下降;

(2)磨蝕發(fā)生后,在離心泵驅(qū)動端和非驅(qū)動端的軸向方向,振動均方根遠(yuǎn)大于初始振動值,該方向可作為離心泵故障診斷的參考方向;

(3)磨蝕故障下,在離心泵軸頻及諧頻處產(chǎn)生一定能量的振動,軸向方向上的能量主要集中在軸頻上。

本文得到的磨蝕運(yùn)行中雙吸離心泵的振動特性,可以為離心泵的故障監(jiān)測提供一定的幫助。

在后續(xù)的研究中,筆者將探討顆粒濃度、顆粒大小對離心泵磨蝕試驗的影響,以得到其振動特性的變化規(guī)律。