離心泵干濕狀態下振動特性分析與研究

紀鄭瑜

摘 要：振動是影響離心泵機組安全可靠運行的重要因素，對離心泵進行動力學研究，為離心泵設計提供依據成為研究離心泵振動的熱點。文章針對某離心泵實驗臺，通過數據采集系統對其離心泵振動特性在8種工作狀態下，分別記錄離心泵1在干態與濕態平穩運行以后5s的加速度信號。利用Origin軟件對采集到的數據進行FFT分析，結果證明了干態分析和濕態分析下，離心泵各階倍頻的數值高度相近，因此，可以將原有的設計流程加以改進，在干態下進行設計即可。這樣可以簡化設計流程，節省設計經費，且設計結果在解決避免離心泵在各階倍頻下工作這一任務時有著較好的效果。因此，文章基于現有的離心泵設計方法，提出改進意見，提高了離心泵設計的工作效率，為離心泵結構設計的進一步研究提供了參考依據。

關鍵詞：離心泵；動力學研究；FFT分析

中圖分類號：TH165+.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）01-0060-02

Abstract： Vibration is an important factor affecting the safe and reliable operation of centrifugal pump unit. The research on the dynamics of centrifugal pump to provide the basis for the design of centrifugal pump has become a hot spot in the study of centrifugal pump vibration. In this paper， the acceleration signals of centrifugal pump No.1 in dry state and wet state are recorded in No.8 working states by data acquisition system. The acceleration signals of centrifugal pump No.1 in dry state and wet state are recorded after running smoothly in dry state and wet state respectively. The data collected are analyzed by FFT using Origin software. The results show that the numerical values of each order frequency doubling of centrifugal pump are similar under dry state analysis and wet state analysis. Therefore， the original design flow can be improved. The design can be carried out in dry state. This can simplify the design process， save design costs， and the design results in solving the problem of avoiding centrifugal pumps in the various times the frequency of the work of this task has a better effect. Therefore， based on the existing centrifugal pump design method， the paper puts forward the improvement suggestions， improves the efficiency of centrifugal pump design， and provides a reference basis for the further study of centrifugal pump structure design.

Keywords： centrifugal pump； dynamics study； FFT analysis

引言

離心泵在日常生活中被廣泛應用，大約占到泵類設備的70%以上，它在城市排污、農業灌溉、施工建設、石油管道運輸等各方面都有著不可替代的用途。通常，離心泵是整個機械設備的核心部件，一旦離心泵出現故障，會造成設備部件損壞，生產中斷，甚至機毀人亡、爆炸污染等嚴重災難，因此，其安全可靠運行至關重要。

20世紀70年代至80年代，機械設備的動力學分析在許多發達國家開始研究。但由于國產離心泵的設計經驗積累較少，加上缺少有效的監測手段，生產加工工藝不夠成熟，造成了巨大經濟損失。考慮到國內現狀和存在的問題，研究離心泵的振動對其所在系統的影響，從而為提高離心泵設計運行的安全性和可靠性提供實驗依據，為離心泵設計改進提供新的思路和設計方法，具有重要的現實意義。

1 實驗裝置

1.1 實驗臺

本文所使用的實驗臺管路結構示意圖如圖1所示，由離心泵、變頻器、電動機、循環水箱、閘閥以及測試設備等組成，振動由布置在離心泵泵殼上的振動加速度傳感器測量，流量、壓力由布置在管路中的流量傳感器（用Q1、Q2表示）和壓力傳感器（用P1-P4表示）組成。

本實驗臺使用利歐臥式多級離心泵，主要參數如表1所示。

1.2 FFT變換

2 Origin分析

本實驗以離心泵1為研究對象對離心泵干濕狀態下的振動信號進行分析，利用虛擬儀器系統控制變頻器分別在25Hz、30Hz、35Hz、40Hz、45Hz、50Hz、55Hz、60Hz這8種工作狀態下，分別記錄離心泵1在干態與濕態平穩運行以后5s的加速度信號，并設置數據采集頻率為600Hz。

2.1 Origin FFT濾波分析

通過觀察發現，各工況加速度傳感器x軸方向第一秒內的振動信號時間-加速度大致為簡諧振動，且變頻器頻率越高，離心泵轉速越快，振動加速度變化周期越快；加速度極值與變頻器頻率未發現明顯關系，最大都接近200m/s2。由于y、z方向為離心泵相同振動不同方向的表現，其振動信號是相同的，因此，我們只需要分析y方向即可。

各工況加速度傳感器y軸方向第一秒內的振動信號時間-加速度圖像。得出的結論與觀察x軸方向所得出的結論基本一致。因此，可以認為離心泵振動是由各方向上的簡諧振動組合而成的，且振動加速度大小在額定轉速附近基本相同；變頻器頻率越高，離心泵轉速越快，振動加速度變化周期越快。由這一結論可以發現，該振動信號滿足迪力克里條件，且濕態下的振動和干態下的振動其振動類型是相同的，因此，接下來可以對加速度傳感器信號做快速傅里葉變換分析。

2.2 Origin FFT分析

利用Origin軟件，在干態和濕態兩種狀態下，利用虛擬儀器系統控制變頻器輸出25Hz、30Hz、35Hz、40Hz、45Hz、50Hz、55Hz、60Hz，并記錄下離心泵穩定運行后這8種狀態下5s的數據，進行FFT分析，首先分析其x軸方向的振動信號。

該三維圖可以清晰地反應變頻器頻率變化過程中振動頻譜的變化過程。可以發現干態與濕態下x軸方向上在變頻器輸出頻率相同時，幅值和各階倍頻很相近。繼續分析y方向FFT分析結果。

分析可知，不論干態還是濕態下，變頻器各個工作頻率下，工頻振動表現非常均勻，一倍頻的時候振動幅值最大；干濕態下，各階工頻相差不大，但幅值在某些倍頻時相差較為明顯；x軸方向與y軸方向上，干濕狀態下各階倍頻值基本一致；離心泵設計頻率為50Hz下工作，但是在該設計頻率下振動幅值并不是最小，筆者認為通常在設計離心泵時都是通過效率最佳這一指標進行設計的，因此在該點并不一定振動幅值效果最佳，也就是說效率最優并不意味著各測點的振動烈度最小。

通過對以上表格分析可得：在變頻器頻率為25Hz和45Hz時，振動幅值最大，由此發現，工頻振動最大振動幅值與變頻器頻率之間關系比較復雜，并不是變頻器輸出頻率越高振動幅值越大；不論干態還是濕態，一倍頻在變頻器頻率達到50Hz以后不會隨著變頻器頻率增大而增大，50Hz、55Hz、60Hz一倍頻基本不變，都是30.4Hz；干態和濕態的振幅在大多數情況下，相差不大，都在5×10-3mm以內，但是在55Hz時x軸方向上的一倍頻干濕態下幅值相差較大；干態和濕態下變頻器一倍頻數值高度相近，只在變頻器輸出為55Hz和60Hz的y軸方向上相差0.2Hz。

3 結束語

在進行離心泵設計時，由于高速轉動的離心泵在達到其額定轉速時要通過自身各階倍頻，因此，分析其倍頻是設計離心泵時需要著重考慮的因素。現有的離心泵設計需要通過實際試驗，分析其各階倍頻，以避免其工作轉速在倍頻下運行，由于離心泵在其倍頻下一定會有較大的振幅，在設計時通常只需避免其在倍頻下工作而不需要分析其倍頻下的變形量。通過本實驗證明了干態分析和濕態分析下，離心泵各階倍頻的數值高度相近，因此，可以將原有的設計流程加以改進，在干態下進行設計即可，這樣可以簡化設計流程，節省設計經費，且設計結果在解決避免離心泵在各階倍頻下工作這一任務時有著較好的效果。因此，基于現有的離心泵設計方法，提出改進意見，提高了離心泵設計的工作效率，為離心泵結構設計的進一步研究提供了參考依據。

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