永湖泵站機(jī)組及廠房異常振動(dòng)分析和研究

楊佳欽，程 龍，劉德祥，潘英杰，魯 偉

（1.武漢大學(xué)水利水電學(xué)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)和排水排澇工作中必不可少的機(jī)械之一，在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保護(hù)人民安全等方面起著重要作用。在運(yùn)行過程中，泵站機(jī)組不可避免發(fā)生振動(dòng)，機(jī)組異常振動(dòng)不僅會(huì)降低泵站機(jī)組效率，縮短其檢修周期與使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起輸水管道和整個(gè)廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，甚至導(dǎo)致被迫停機(jī)［1］。因此，對(duì)水泵機(jī)組和廠房的異常振動(dòng)原因進(jìn)行分析研究意義重大。

常見的水泵機(jī)組異常振動(dòng)，包括機(jī)械、水力和電磁因素導(dǎo)致的振動(dòng)［2］。田山一級(jí)泵站出現(xiàn)間歇振動(dòng)主要由水力因素導(dǎo)致［3］，江都四站水泵振動(dòng)偏大主要受水力和機(jī)械因素影響［4］。廠房是否發(fā)生共振可以通過測(cè)定廠房建筑物的自振頻率和機(jī)組振動(dòng)頻率加以對(duì)比分析得出。誘發(fā)泵站廠房劇烈振動(dòng)的原因常常是共振［5］，而對(duì)機(jī)組異常振動(dòng)的研究常使用分析振動(dòng)特性的方法［6，7］。要了解機(jī)組異常振動(dòng)的原因可以通過測(cè)定機(jī)組不同工況下運(yùn)行的振動(dòng)特性，將其作為異常振動(dòng)的識(shí)別依據(jù)［11-16］。國(guó)內(nèi)針對(duì)異常振動(dòng)產(chǎn)生的原因和改進(jìn)方法也有了一些研究［3-10］。

本文通過收集永湖泵站機(jī)組及廠房不同工況下運(yùn)行的振動(dòng)信號(hào)，分析其振動(dòng)特性，找到機(jī)組和廠房異常振動(dòng)的原因并加以改進(jìn)。

1 工程概況與試驗(yàn)

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(jí)加壓泵站［17］，總裝機(jī)容量2.6 萬kW，屬大（2）型泵站。泵站設(shè)計(jì)安裝水泵機(jī)組10 臺(tái)套（一期1～5 號(hào)機(jī)組，二期6～10 號(hào)機(jī)組）。其中，二期工程安裝的主水泵為德國(guó)KSB 公司生產(chǎn)的RDL900-1050A1型水平中開式雙吸離心泵，葉片數(shù)為6 片，設(shè)計(jì)流量3.75 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程53.2 m。配套電動(dòng)機(jī)為德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的1RN4636-3HE80-Z 型三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，電壓等級(jí)10 kV，額定功率2 600 kW，額定轉(zhuǎn)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(jī)間，布置有主機(jī)組及管路系統(tǒng)等；地上部分靠出水側(cè)布置有巡視平臺(tái)、電氣室及中控室等。該泵站二期工程投入運(yùn)行兩年以來一直問題不斷，主要表現(xiàn)在：

（1）機(jī)組振動(dòng)偏大。二期工程5臺(tái)機(jī)組在各種開機(jī)組合下，振動(dòng)、噪聲均較一期工程明顯偏大，已對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行和使用壽命造成了很大影響。

（2）水泵口環(huán)磨損嚴(yán)重。通過水泵開蓋檢查，發(fā)現(xiàn)水泵傳動(dòng)端和非傳動(dòng)端的口環(huán)均存在有規(guī)律的磨損。磨損區(qū)域位于從電動(dòng)機(jī)向水泵方向看去的5 時(shí)至10 時(shí)針范圍內(nèi)，尤以8～9 時(shí)針處磨損最為嚴(yán)重。其中6 號(hào)機(jī)組，非傳動(dòng)端口環(huán)有12 cm 弧長(zhǎng)被磨至刀口狀，且口環(huán)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(qiáng)烈。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，位于地面層的出水側(cè)巡視平臺(tái)以及臨近的中控室墻體、梁、柱等構(gòu)筑物振感強(qiáng)烈，導(dǎo)致值班人員在中控室有明顯不適的感覺。

針對(duì)上述問題，為保證泵站運(yùn)行安全和管理人員的身心健康，武漢大學(xué)對(duì)永湖泵站展開了振動(dòng)試驗(yàn)研究，以期找出機(jī)組及廠房局部結(jié)構(gòu)振動(dòng)的原因。

1.2 試驗(yàn)儀器

振動(dòng)檢測(cè)使用的儀器為優(yōu)泰振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括動(dòng)態(tài)信號(hào)采集器1臺(tái)、壓電式加速度傳感器5個(gè)、力錘1把（含力傳感器1個(gè)）、計(jì)算機(jī)1臺(tái)、數(shù)據(jù)采集整理與分析軟件1套。儀器設(shè)備型號(hào)及參數(shù)詳見表1。

表1 儀器設(shè)備信息一覽表Tab.1 Equipment information list

1.3 測(cè)點(diǎn)布置及試驗(yàn)工況

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

對(duì)與水泵直接連接的進(jìn)出水管道同樣采用力錘激勵(lì)法測(cè)定其自振頻率，傳感器均安裝在管道側(cè)面。

二期工程5臺(tái)機(jī)組水泵非傳動(dòng)端徑向（水平）、軸向、垂直方向以及進(jìn)出水管道上布置加速度傳感器，測(cè)定機(jī)組振動(dòng)狀況，結(jié)果表明5 臺(tái)機(jī)組振動(dòng)狀況基本一致，本文以9 號(hào)機(jī)組為例予以說明。

試驗(yàn)工況包括正常運(yùn)行工況、無水空載運(yùn)行工況、不同進(jìn)水池水位條件下運(yùn)行和失電工況。

2 試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果及分析

2.1 自振頻率檢測(cè)

（1）廠房建筑物自振頻率.通過對(duì)記錄信號(hào)的時(shí)域特性和頻域特性的分析，提取各結(jié)構(gòu)的自振頻率，如表2所示。

表2 振感強(qiáng)烈的構(gòu)件自振頻率檢測(cè)結(jié)果 HzTab.2 Detection results of natural vibration frequency of components with strong vibration sensation

（2）水泵進(jìn)出水管自振頻率.同樣提出水泵進(jìn)出水管各結(jié)構(gòu)的自振頻率，如表3所示。

表3 水泵進(jìn)出水管自振頻率檢測(cè)結(jié)果 HzTab.3 Detection result of natural vibration frequency of water pump inlet and outlet pipes

2.2 設(shè)計(jì)運(yùn)行工況下的機(jī)組振動(dòng)特性

圖2 為水泵非傳動(dòng)端軸承徑向的振動(dòng)時(shí)域波形圖。圖3 為通過傅里葉變換，得到的水泵非傳動(dòng)端軸承徑向振動(dòng)頻譜圖。圖4為100 Hz以下頻譜細(xì)化圖。

圖2 9號(hào)機(jī)組水泵軸承振動(dòng)時(shí)域波形圖Fig.2 Time domain waveform of vibration of pump bearing of Unit 9

圖3 9號(hào)機(jī)組水泵軸承振動(dòng)頻譜圖Fig.3 Spectrum of vibration of pump bearing of Unit 9

圖4 軸承振動(dòng)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(duì)主要振動(dòng)頻率成分進(jìn)行采點(diǎn)，結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，水泵振動(dòng)的頻率成分主要有60、180和220 Hz。

表4 9號(hào)機(jī)組水泵軸承振動(dòng)頻譜圖采點(diǎn)Tab.4 Pump bearing vibration spectrum drawing point of Unit 9

計(jì)算9 號(hào)水泵振動(dòng)烈度（10～1 000 Hz），結(jié)果如表5所示。永湖泵站二期工程水泵屬于第一類泵，對(duì)照《泵的振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)方法》（GB/T 29531-2013）［18］的評(píng)價(jià)泵的振動(dòng)級(jí)別表，9 號(hào)水泵振動(dòng)級(jí)別已達(dá)到D級(jí)。

表5 9號(hào)機(jī)組各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)烈度 mm/sTab.5 Vibration intensity of each measuring point of Unit 9

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

（1）永湖泵站二期工程水泵振動(dòng)烈度較大，其中6、8、10 號(hào)振動(dòng)級(jí)別為C 級(jí)，7、9 號(hào)水泵振動(dòng)級(jí)別已達(dá)到D 級(jí)，屬不合格范疇。

（2）水泵振動(dòng)的主要頻率為60 Hz，永湖泵站二期工程水泵葉片數(shù)為6，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速為595.5 r/min，故其轉(zhuǎn)頻為9.925 Hz，60 Hz為葉頻。

（3）振動(dòng)頻率成分除轉(zhuǎn)頻外，2、3、4、5 倍頻率成分均存在，但與葉頻相比振動(dòng)幅值均較小。其中3 倍相對(duì)偏大，推測(cè)可能是聯(lián)軸器不對(duì)中導(dǎo)致。經(jīng)檢查，9 號(hào)水泵與電機(jī)聯(lián)軸器同心偏差較大。

2.3 無水空載工況下的機(jī)組振動(dòng)特性

關(guān)閉水泵進(jìn)、出口閥門，排空泵內(nèi)水體后開機(jī)運(yùn)行，測(cè)定水泵的振動(dòng)特性。

圖5 為9 號(hào)水泵在無水運(yùn)行工況下非傳動(dòng)端軸承徑向的振動(dòng)頻譜圖。

圖5 無水運(yùn)行試驗(yàn)頻譜圖Fig.5 Spectrum diagram of operating test without water

與圖3比較，在無水運(yùn)行狀態(tài)下，水泵60 Hz振動(dòng)不再突出，表明水泵60 Hz振動(dòng)主要是由水力因素導(dǎo)致的。

2.4 不同進(jìn)水池水位條件下的機(jī)組振動(dòng)特性

改變進(jìn)水池水位，將進(jìn)水池水位由21.5 m 逐漸降低到17.8 m，測(cè)定水泵在不同進(jìn)水池水位條件下運(yùn)行的振動(dòng)特性。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 60 Hz振動(dòng)幅值隨進(jìn)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(jìn)水池水位降低，振動(dòng)幅值逐漸加大。造成該結(jié)果的原因可能是水泵發(fā)生了進(jìn)氣或汽蝕。

對(duì)9號(hào)機(jī)組進(jìn)行填料函進(jìn)氣試驗(yàn)，即降低進(jìn)水池水位，直至水泵填料函進(jìn)氣，然后在填料函上淋水，使其產(chǎn)生水封效果，在此過程中對(duì)機(jī)組振動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 填料函進(jìn)氣試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Stuffing box inlet test results

由表中所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析知，當(dāng)填料函進(jìn)氣時(shí)，60 Hz 振動(dòng)幅值開始增大，而一旦通過淋水形成水封，則振動(dòng)幅值恢復(fù)到高水位時(shí)的水平。也就是說，水位下降造成振動(dòng)幅度增大，事實(shí)上主要是填料函進(jìn)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(shí)際運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水池一般保持在高水位狀態(tài)，因此填料函進(jìn)氣對(duì)振動(dòng)的發(fā)生影響較小。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）機(jī)組振動(dòng)強(qiáng)度與進(jìn)水池水位有關(guān)，進(jìn)水池水位越低，振動(dòng)越劇烈。其主要是由于水泵填料函水封不嚴(yán)，運(yùn)行時(shí)漏氣造成的。

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

2.5 失電工況下的機(jī)組振動(dòng)特性

為研究電磁因素導(dǎo)致異常振動(dòng)的可能性，對(duì)9 號(hào)機(jī)組進(jìn)行停機(jī)試驗(yàn)。全程采集機(jī)組從正常狀態(tài)直至完全停機(jī)的過程中軸承的振動(dòng)數(shù)據(jù)，然后抽取斷電前、斷電1 s 后和斷電10 s 后的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析和比較，如圖7～9所示。

圖7 9號(hào)機(jī)組斷電前軸承頻譜圖Fig.7 Spectrum of bearing before power off of Unit 9

圖8 9號(hào)機(jī)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(hào)機(jī)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(yàn)結(jié)果可以看出，機(jī)組斷電后，轉(zhuǎn)速緩慢降低，此時(shí)200 Hz 以下的主要振動(dòng)頻率都有所下降，但主要組成成分沒有改變。這表明機(jī)組異常振動(dòng)與電磁因素?zé)o關(guān)。

3 異常振動(dòng)及口環(huán)磨損原因分析

3.1 機(jī)組振動(dòng)偏大

機(jī)組振動(dòng)偏大，7、9號(hào)水泵振動(dòng)級(jí)別已達(dá)到D 級(jí)。從圖3、4可以看出，9 號(hào)機(jī)組水泵振動(dòng)的主要頻率中60 Hz 葉頻最為突出。在水泵運(yùn)行中，機(jī)組振動(dòng)頻率都會(huì)存在基頻和葉頻，但它們幅值常常相差不大。而此時(shí)機(jī)組60 Hz葉頻幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他頻率成分，所以機(jī)組振動(dòng)偏大主要是葉頻引起的。

葉頻突出的原因可能是轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均或者葉輪槽道內(nèi)水體流速和壓力分布不均，導(dǎo)致葉輪受力不均。根據(jù)無水空載試驗(yàn)，排除了轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均的情況。根據(jù)不同進(jìn)水池水位條件下機(jī)組振動(dòng)特性檢試驗(yàn)驗(yàn)，機(jī)組異常振動(dòng)不是由汽蝕或進(jìn)氣引起的。所以導(dǎo)致水泵機(jī)組振動(dòng)偏大的原因是葉輪進(jìn)口流速、壓力分布不均。為檢驗(yàn)其是否是水泵振動(dòng)偏大的原因需要測(cè)定水泵進(jìn)口流速、壓力分布。但由于場(chǎng)地等原因無法展開試驗(yàn)。

檢查發(fā)現(xiàn)，水泵進(jìn)水漸縮管收縮過快，收縮角遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的最大角度，且與水泵進(jìn)口至葉輪進(jìn)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(dǎo)致水泵葉輪進(jìn)口的流速、壓力分布不均。水流經(jīng)過進(jìn)水漸縮管后，底部水流快速沿漸縮管收縮方向流動(dòng)，沖擊其后直管段頂部后轉(zhuǎn)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(dá)葉輪進(jìn)口時(shí)，斷面流速分布不均。水泵進(jìn)口漸縮管收縮見圖10。

圖10 水泵進(jìn)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(dòng)很有可能是由于進(jìn)口漸縮管收縮過快導(dǎo)致水泵進(jìn)口壓力和流速分布不均造成的。

3.2 口環(huán)磨損原因分析

永湖泵站二期工程5 臺(tái)機(jī)組口環(huán)均發(fā)生嚴(yán)重磨損，說明機(jī)組在運(yùn)行過程中口環(huán)與葉輪進(jìn)口外緣發(fā)生了碰擦，一般情況下，碰擦引起的振動(dòng)在頻譜圖上表現(xiàn)為轉(zhuǎn)頻突出且伴有1/2 和1/3的分頻。

對(duì)比正常運(yùn)行工況下的振動(dòng)檢測(cè)結(jié)果（見圖3）可以看出機(jī)組在試驗(yàn)檢測(cè)過程中并未發(fā)生碰磨，結(jié)合口環(huán)確實(shí)存在磨損這一事實(shí)，初步推斷口環(huán)與葉輪進(jìn)口外緣發(fā)生的碰擦屬于偶發(fā)性。根據(jù)偶發(fā)性的推論、口環(huán)嚴(yán)重磨損和黏連磨損位置均為從電機(jī)方向看約8 點(diǎn)鐘方向的位置等現(xiàn)象，進(jìn)一步推斷口環(huán)和葉輪可能發(fā)生黏連。葉輪受到不平衡力的作用，導(dǎo)致其與口環(huán)一個(gè)方向上的間隙變小，發(fā)生偶發(fā)性碰擦。由于葉輪和口環(huán)材料均為不銹鋼，偶發(fā)性碰擦后發(fā)生黏連，加劇了口環(huán)的磨損和變形。

將機(jī)組口環(huán)更換為銅質(zhì)并運(yùn)行一段時(shí)間后，經(jīng)揭蓋檢查發(fā)現(xiàn)口環(huán)與葉輪沒有出現(xiàn)黏連情況。

因此可以得出結(jié)論，口環(huán)的嚴(yán)重磨損是由于水泵葉輪和口環(huán)材料一致，運(yùn)行時(shí)偶發(fā)碰擦，進(jìn)而發(fā)生黏連導(dǎo)致的。

3.3 建筑物局部振動(dòng)

由廠房建筑物自振頻率檢測(cè)結(jié)果（見表1）可以看出，廠房出水側(cè)平臺(tái)梁側(cè)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(yùn)行時(shí)的主要振動(dòng)頻率一致（見圖3、4）。因此這些建筑物結(jié)構(gòu)極易在機(jī)組運(yùn)行時(shí)發(fā)生共振。

為此，對(duì)出水側(cè)平臺(tái)地板的底部和邊梁的側(cè)面進(jìn)行加厚、加固處理，并調(diào)整二期中控室大門的位置，原門用混凝土封堵。上述結(jié)構(gòu)異常振動(dòng)現(xiàn)象消失。

所以建筑物結(jié)構(gòu)異常振動(dòng)的主要原因是發(fā)生了共振。

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及頻譜分析等手段，對(duì)永湖泵站二期工程機(jī)組及廠房局部結(jié)構(gòu)異常振動(dòng)問題進(jìn)行研究，得出了以下結(jié)論：

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

（2）水泵口環(huán)磨損嚴(yán)重主要是由于設(shè)計(jì)不合理，葉輪和口環(huán)材料一致，水泵運(yùn)行時(shí)偶發(fā)碰擦，進(jìn)而發(fā)生黏連導(dǎo)致的。

（3）出水側(cè)巡視平臺(tái)、中控室墻體等局部建筑物結(jié)構(gòu)異常振動(dòng)主要是由于其自振頻率與葉頻一致，引發(fā)共振導(dǎo)致的。□