永湖泵站機組及廠房異常振動分析和研究

楊佳欽，程 龍，劉德祥，潘英杰，魯 偉

（1.武漢大學水利水電學院，武漢430072；2.深圳市東江水源工程管理處，深圳518038）

0 引言

水泵作為工農業生產和排水排澇工作中必不可少的機械之一，在推動經濟發展和保護人民安全等方面起著重要作用。在運行過程中，泵站機組不可避免發生振動，機組異常振動不僅會降低泵站機組效率，縮短其檢修周期與使用壽命，嚴重時還會引起輸水管道和整個廠房結構的振動，甚至導致被迫停機［1］。因此，對水泵機組和廠房的異常振動原因進行分析研究意義重大。

常見的水泵機組異常振動，包括機械、水力和電磁因素導致的振動［2］。田山一級泵站出現間歇振動主要由水力因素導致［3］，江都四站水泵振動偏大主要受水力和機械因素影響［4］。廠房是否發生共振可以通過測定廠房建筑物的自振頻率和機組振動頻率加以對比分析得出。誘發泵站廠房劇烈振動的原因常常是共振［5］，而對機組異常振動的研究常使用分析振動特性的方法［6，7］。要了解機組異常振動的原因可以通過測定機組不同工況下運行的振動特性，將其作為異常振動的識別依據［11-16］。國內針對異常振動產生的原因和改進方法也有了一些研究［3-10］。

本文通過收集永湖泵站機組及廠房不同工況下運行的振動信號，分析其振動特性，找到機組和廠房異常振動的原因并加以改進。

1 工程概況與試驗

1.1 工程概況

永湖泵站是深圳市東江水源工程輸水主干的二級加壓泵站［17］，總裝機容量2.6 萬kW，屬大（2）型泵站。泵站設計安裝水泵機組10 臺套（一期1～5 號機組，二期6～10 號機組）。其中，二期工程安裝的主水泵為德國KSB 公司生產的RDL900-1050A1型水平中開式雙吸離心泵，葉片數為6 片，設計流量3.75 m3/s，設計揚程53.2 m。配套電動機為德國西門子公司生產的1RN4636-3HE80-Z 型三相鼠籠式異步電動機，電壓等級10 kV，額定功率2 600 kW，額定轉速594 r/min。

永湖泵站廠房為干室型，分地下和地上兩部分。其中，地下部分為主機間，布置有主機組及管路系統等；地上部分靠出水側布置有巡視平臺、電氣室及中控室等。該泵站二期工程投入運行兩年以來一直問題不斷，主要表現在：

（1）機組振動偏大。二期工程5臺機組在各種開機組合下，振動、噪聲均較一期工程明顯偏大，已對設備安全運行和使用壽命造成了很大影響。

（2）水泵口環磨損嚴重。通過水泵開蓋檢查，發現水泵傳動端和非傳動端的口環均存在有規律的磨損。磨損區域位于從電動機向水泵方向看去的5 時至10 時針范圍內，尤以8～9 時針處磨損最為嚴重。其中6 號機組，非傳動端口環有12 cm 弧長被磨至刀口狀，且口環磨損部位附近存在明顯的淬火變色痕跡，如圖1所示。

（3）建筑物局部振感強烈。機組運行時，位于地面層的出水側巡視平臺以及臨近的中控室墻體、梁、柱等構筑物振感強烈，導致值班人員在中控室有明顯不適的感覺。

針對上述問題，為保證泵站運行安全和管理人員的身心健康，武漢大學對永湖泵站展開了振動試驗研究，以期找出機組及廠房局部結構振動的原因。

1.2 試驗儀器

振動檢測使用的儀器為優泰振動試驗系統，該系統主要包括動態信號采集器1臺、壓電式加速度傳感器5個、力錘1把（含力傳感器1個）、計算機1臺、數據采集整理與分析軟件1套。儀器設備型號及參數詳見表1。

表1 儀器設備信息一覽表Tab.1 Equipment information list

1.3 測點布置及試驗工況

永湖泵站局部振感強烈的構件主要有出水側巡視平臺、梁、柱以及中控室的墻體等。分別在上述建筑物構件上布置加速度傳感器，傳感器布置在平臺梁頂面和平臺地面等處。分別用力錘進行敲擊，使其產生響應，同步記錄力錘敲擊和響應信號。

對與水泵直接連接的進出水管道同樣采用力錘激勵法測定其自振頻率，傳感器均安裝在管道側面。

二期工程5臺機組水泵非傳動端徑向（水平）、軸向、垂直方向以及進出水管道上布置加速度傳感器，測定機組振動狀況，結果表明5 臺機組振動狀況基本一致，本文以9 號機組為例予以說明。

試驗工況包括正常運行工況、無水空載運行工況、不同進水池水位條件下運行和失電工況。

2 試驗檢測結果及分析

2.1 自振頻率檢測

（1）廠房建筑物自振頻率.通過對記錄信號的時域特性和頻域特性的分析，提取各結構的自振頻率，如表2所示。

表2 振感強烈的構件自振頻率檢測結果 HzTab.2 Detection results of natural vibration frequency of components with strong vibration sensation

（2）水泵進出水管自振頻率.同樣提出水泵進出水管各結構的自振頻率，如表3所示。

表3 水泵進出水管自振頻率檢測結果 HzTab.3 Detection result of natural vibration frequency of water pump inlet and outlet pipes

2.2 設計運行工況下的機組振動特性

圖2 為水泵非傳動端軸承徑向的振動時域波形圖。圖3 為通過傅里葉變換，得到的水泵非傳動端軸承徑向振動頻譜圖。圖4為100 Hz以下頻譜細化圖。

圖2 9號機組水泵軸承振動時域波形圖Fig.2 Time domain waveform of vibration of pump bearing of Unit 9

圖3 9號機組水泵軸承振動頻譜圖Fig.3 Spectrum of vibration of pump bearing of Unit 9

圖4 軸承振動頻譜圖在100 Hz以下放大圖Fig.4 Enlarged view of bearing vibration spectrum below 100 Hz

在圖3 中對主要振動頻率成分進行采點，結果如表4所示。由表4可以看出，水泵振動的頻率成分主要有60、180和220 Hz。

表4 9號機組水泵軸承振動頻譜圖采點Tab.4 Pump bearing vibration spectrum drawing point of Unit 9

計算9 號水泵振動烈度（10～1 000 Hz），結果如表5所示。永湖泵站二期工程水泵屬于第一類泵，對照《泵的振動測量與評價方法》（GB/T 29531-2013）［18］的評價泵的振動級別表，9 號水泵振動級別已達到D級。

表5 9號機組各測點的振動烈度 mm/sTab.5 Vibration intensity of each measuring point of Unit 9

根據上述試驗結果可以得到以下結論：

（1）永湖泵站二期工程水泵振動烈度較大，其中6、8、10 號振動級別為C 級，7、9 號水泵振動級別已達到D 級，屬不合格范疇。

（2）水泵振動的主要頻率為60 Hz，永湖泵站二期工程水泵葉片數為6，實測轉速為595.5 r/min，故其轉頻為9.925 Hz，60 Hz為葉頻。

（3）振動頻率成分除轉頻外，2、3、4、5 倍頻率成分均存在，但與葉頻相比振動幅值均較小。其中3 倍相對偏大，推測可能是聯軸器不對中導致。經檢查，9 號水泵與電機聯軸器同心偏差較大。

2.3 無水空載工況下的機組振動特性

關閉水泵進、出口閥門，排空泵內水體后開機運行，測定水泵的振動特性。

圖5 為9 號水泵在無水運行工況下非傳動端軸承徑向的振動頻譜圖。

圖5 無水運行試驗頻譜圖Fig.5 Spectrum diagram of operating test without water

與圖3比較，在無水運行狀態下，水泵60 Hz振動不再突出，表明水泵60 Hz振動主要是由水力因素導致的。

2.4 不同進水池水位條件下的機組振動特性

改變進水池水位，將進水池水位由21.5 m 逐漸降低到17.8 m，測定水泵在不同進水池水位條件下運行的振動特性。試驗結果如圖6所示。

圖6 60 Hz振動幅值隨進水池水位變化圖Fig.6 60 Hz vibration amplitude changes with the water level of the inlet pool

從圖6中可以看出，隨著進水池水位降低，振動幅值逐漸加大。造成該結果的原因可能是水泵發生了進氣或汽蝕。

對9號機組進行填料函進氣試驗，即降低進水池水位，直至水泵填料函進氣，然后在填料函上淋水，使其產生水封效果，在此過程中對機組振動進行檢測。試驗結果見表6。

表6 填料函進氣試驗結果Tab.6 Stuffing box inlet test results

由表中所示的實驗結果分析知，當填料函進氣時，60 Hz 振動幅值開始增大，而一旦通過淋水形成水封，則振動幅值恢復到高水位時的水平。也就是說，水位下降造成振動幅度增大，事實上主要是填料函進氣引起的，汽蝕因素幾乎沒有造成影響。再考慮到永湖泵站實際運行時，進水池一般保持在高水位狀態，因此填料函進氣對振動的發生影響較小。

根據上述試驗結果可以得出以下結論：

（1）機組振動強度與進水池水位有關，進水池水位越低，振動越劇烈。其主要是由于水泵填料函水封不嚴，運行時漏氣造成的。

（2）水封嚴密情況下機組60 Hz異常振動仍然突出，只是不隨進水池水位降低而增大，說明該異常振動不是由于汽蝕或漏氣造成的。

2.5 失電工況下的機組振動特性

為研究電磁因素導致異常振動的可能性，對9 號機組進行停機試驗。全程采集機組從正常狀態直至完全停機的過程中軸承的振動數據，然后抽取斷電前、斷電1 s 后和斷電10 s 后的檢測數據進行頻譜分析和比較，如圖7～9所示。

圖7 9號機組斷電前軸承頻譜圖Fig.7 Spectrum of bearing before power off of Unit 9

圖8 9號機組斷電1 s后軸承頻譜圖Fig.8 Spectrum diagram of bearing after 1 s power failure of Unit 9

圖9 9號機組斷電10 s后軸承頻譜圖Fig.9 Spectrum diagram of bearing after 10 s power failure of Unit 9

從試驗結果可以看出，機組斷電后，轉速緩慢降低，此時200 Hz 以下的主要振動頻率都有所下降，但主要組成成分沒有改變。這表明機組異常振動與電磁因素無關。

3 異常振動及口環磨損原因分析

3.1 機組振動偏大

機組振動偏大，7、9號水泵振動級別已達到D 級。從圖3、4可以看出，9 號機組水泵振動的主要頻率中60 Hz 葉頻最為突出。在水泵運行中，機組振動頻率都會存在基頻和葉頻，但它們幅值常常相差不大。而此時機組60 Hz葉頻幅值遠遠超過其他頻率成分，所以機組振動偏大主要是葉頻引起的。

葉頻突出的原因可能是轉子質量分布不均或者葉輪槽道內水體流速和壓力分布不均，導致葉輪受力不均。根據無水空載試驗，排除了轉子質量分布不均的情況。根據不同進水池水位條件下機組振動特性檢試驗驗，機組異常振動不是由汽蝕或進氣引起的。所以導致水泵機組振動偏大的原因是葉輪進口流速、壓力分布不均。為檢驗其是否是水泵振動偏大的原因需要測定水泵進口流速、壓力分布。但由于場地等原因無法展開試驗。

檢查發現，水泵進水漸縮管收縮過快，收縮角遠大于規范規定的最大角度，且與水泵進口至葉輪進口吸水管的形狀耦合，水泵吸水管中央有一隔板，這一系列因素導致水泵葉輪進口的流速、壓力分布不均。水流經過進水漸縮管后，底部水流快速沿漸縮管收縮方向流動，沖擊其后直管段頂部后轉而直下，隨后被隔板分隔，致使隔板下部流量大于上部，因而到達葉輪進口時，斷面流速分布不均。水泵進口漸縮管收縮見圖10。

圖10 水泵進口漸縮管收縮Fig.10 The inlet tapered pipe of the water pump

綜上所述，水泵的60 Hz 振動很有可能是由于進口漸縮管收縮過快導致水泵進口壓力和流速分布不均造成的。

3.2 口環磨損原因分析

永湖泵站二期工程5 臺機組口環均發生嚴重磨損，說明機組在運行過程中口環與葉輪進口外緣發生了碰擦，一般情況下，碰擦引起的振動在頻譜圖上表現為轉頻突出且伴有1/2 和1/3的分頻。

對比正常運行工況下的振動檢測結果（見圖3）可以看出機組在試驗檢測過程中并未發生碰磨，結合口環確實存在磨損這一事實，初步推斷口環與葉輪進口外緣發生的碰擦屬于偶發性。根據偶發性的推論、口環嚴重磨損和黏連磨損位置均為從電機方向看約8 點鐘方向的位置等現象，進一步推斷口環和葉輪可能發生黏連。葉輪受到不平衡力的作用，導致其與口環一個方向上的間隙變小，發生偶發性碰擦。由于葉輪和口環材料均為不銹鋼，偶發性碰擦后發生黏連，加劇了口環的磨損和變形。

將機組口環更換為銅質并運行一段時間后，經揭蓋檢查發現口環與葉輪沒有出現黏連情況。

因此可以得出結論，口環的嚴重磨損是由于水泵葉輪和口環材料一致，運行時偶發碰擦，進而發生黏連導致的。

3.3 建筑物局部振動

由廠房建筑物自振頻率檢測結果（見表1）可以看出，廠房出水側平臺梁側面、梁頂面、地面以及中控室墻體的自振頻率均包含60 Hz的頻率。該頻率正好與水泵運行時的主要振動頻率一致（見圖3、4）。因此這些建筑物結構極易在機組運行時發生共振。

為此，對出水側平臺地板的底部和邊梁的側面進行加厚、加固處理，并調整二期中控室大門的位置，原門用混凝土封堵。上述結構異常振動現象消失。

所以建筑物結構異常振動的主要原因是發生了共振。

4 結論

通過現場試驗以及頻譜分析等手段，對永湖泵站二期工程機組及廠房局部結構異常振動問題進行研究，得出了以下結論：

（1）機組振動偏大，異常振動頻率成分主要為葉頻，主要是由水泵進口偏心漸縮管收縮過快，導致水泵進口壓力和流速分布不均造成的。

（2）水泵口環磨損嚴重主要是由于設計不合理，葉輪和口環材料一致，水泵運行時偶發碰擦，進而發生黏連導致的。

（3）出水側巡視平臺、中控室墻體等局部建筑物結構異常振動主要是由于其自振頻率與葉頻一致，引發共振導致的?！?/p>