盧明君，劉興發(fā)，王得勝，任勇，陳立軍

（1.西南油氣田公司天然氣凈化總廠忠縣分廠，重慶 404300；2.重慶水泵廠有限責(zé)任公司 國(guó)家企業(yè)技術(shù)中心，重慶 400033）

閉式冷卻水泵（SRI）作為裝置的重要設(shè)備，其功能為向機(jī)組各主、輔設(shè)備冷卻器提供冷卻水，因此，閉式冷卻水泵對(duì)泵運(yùn)行可靠性有較高的要求。

振動(dòng)是影響泵壽命及可靠性的重要因素，泵振動(dòng)情況是評(píng)價(jià)其性能的重要指標(biāo)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家對(duì)振動(dòng)機(jī)理、振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)及信號(hào)處理方法進(jìn)行了大量研究。針對(duì)離心泵水力誘導(dǎo)振動(dòng)機(jī)理，PertottiR.B等對(duì)離心泵葉片與隔舌的相互作用進(jìn)行了簡(jiǎn)單模擬及試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明這種相互作用與離心泵流量相關(guān)。倪永燕研究了葉輪蝸殼動(dòng)靜干涉對(duì)葉輪不同半徑處壓力脈動(dòng)的影響。吳仁榮等研究了降低離心泵振動(dòng)噪聲的水力設(shè)計(jì)方法。Guo等人進(jìn)行了不同導(dǎo)葉數(shù)和葉輪葉片數(shù)組合的離心泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)。Hajem等人用LDA系統(tǒng)分析了導(dǎo)葉式離心泵動(dòng)-靜部件干涉作用。Zhang等對(duì)葉輪葉片數(shù)與導(dǎo)葉數(shù)相同的離心泵內(nèi)部動(dòng)-靜部件干涉作用引起的非定常水動(dòng)力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。信號(hào)處理方面，曹沖峰等通過(guò)一種集成的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的信號(hào)分解方法，成功的表征出轉(zhuǎn)子啟動(dòng)階段的時(shí)頻特征。蘇文勝等通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和譜峭度對(duì)滾動(dòng)軸承早期微弱故障進(jìn)行了診斷。郭遠(yuǎn)晶等提出一種基于短時(shí)傅里葉變換的時(shí)頻系數(shù)收縮信號(hào)降噪方法，增強(qiáng)了齒輪故障振動(dòng)信號(hào)的調(diào)幅特征。

然而大多數(shù)研究只關(guān)注泵在額定工況點(diǎn)下的振動(dòng)情況，對(duì)多工況下的振動(dòng)研究較少。本文針對(duì)閉式冷卻水泵在多個(gè)工況下不能?chē)?yán)格滿足振動(dòng)要求等問(wèn)題，采用頻譜分析方法對(duì)泵振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析，并采取了多種降振手段。

1 泵結(jié)構(gòu)及測(cè)試點(diǎn)布置

閉式冷卻水泵為單級(jí)雙吸臥式離心泵，額定轉(zhuǎn)速為1490r/min，額定流量為2200m3/h，額定揚(yáng)程為40m，比轉(zhuǎn) 速 為267，并 要 求 在1600m3/h、1800m3/h、2000m3/h、2200m3/h、2400m3/h測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)值小于2.8mm/s，泵機(jī)組結(jié)構(gòu)及振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)如圖1所示。因此，在泵和電機(jī)軸承箱體位置分別布置如圖1所示測(cè)試點(diǎn)，并使用數(shù)據(jù)采集及故障診斷系統(tǒng)開(kāi)展振動(dòng)信號(hào)采集、故障診斷分析工作。

圖1 泵機(jī)組結(jié)構(gòu)及測(cè)試點(diǎn)布置

2 振動(dòng)信號(hào)分析

2.1 振動(dòng)RMS分析

振動(dòng)速度均方根RMS值又稱為有效值，直接反應(yīng)振動(dòng)能量的大小，穩(wěn)定性和重復(fù)性好，是評(píng)價(jià)旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的重要指標(biāo)。該泵在工作轉(zhuǎn)速為1490r/min，流量為1600m3/h、1800m3/h、2000m3/h、2200m3/h、2400m3/h工況下各測(cè)試點(diǎn)的RMS值如圖2所示。

圖2 不同工況下各測(cè)試點(diǎn)的RMS值

由圖2可知，在1600m3/h時(shí)，該水泵機(jī)組泵所有測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)均高于2.8mm/s，在1800～2400m3/h時(shí)驅(qū)動(dòng)端水平方向及泵非驅(qū)動(dòng)端水平方向2個(gè)測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)偏大，超出規(guī)格書(shū)要求值2.8mm/s，其余測(cè)試點(diǎn)滿足要求。為達(dá)到振動(dòng)要求，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，為減振設(shè)計(jì)提供參考。

2.2 振動(dòng)信號(hào)時(shí)域及頻域分析

時(shí)域波形是反映振源最直觀、最原始的信號(hào)表現(xiàn)形式，包含了豐富的振動(dòng)特征信息，通過(guò)其包含的周期信號(hào)、諧波信號(hào)、短脈沖等信號(hào)，可對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)作出初步判斷。頻域分析是基于傅里葉變換（FFT）將復(fù)雜的時(shí)域信號(hào)分轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，通過(guò)分析各頻率分量的幅值、相位、功率及能量與故障特征頻率的關(guān)系，能對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)作出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

通過(guò)對(duì)各測(cè)試點(diǎn)在不同工況下的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域及頻域分析發(fā)現(xiàn)，泵振動(dòng)葉片通過(guò)頻率是導(dǎo)致振動(dòng)超標(biāo)的主要原因，且偏離額定工況越遠(yuǎn)的工況點(diǎn)葉片對(duì)頻率的貢獻(xiàn)量越大。在1600m3/h時(shí)，水平方向時(shí)域波形及頻譜如圖3所示。其他工況及測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)與之類似。各工況下各測(cè)試點(diǎn)葉片通過(guò)頻率振動(dòng)如圖4所示。

圖3 泵驅(qū)動(dòng)端水平方向時(shí)域波形及頻譜圖

圖4 各工況下不同測(cè)試點(diǎn)的葉頻振動(dòng)

由圖3、圖4可知，泵振動(dòng)超標(biāo)主要是葉頻振動(dòng)過(guò)大所致，運(yùn)行工況偏離額定工況越遠(yuǎn)，葉頻振動(dòng)越大，且在偏小流量工況時(shí)對(duì)葉頻振動(dòng)更加敏感。因此，降低泵振動(dòng)的首要目標(biāo)是降低泵葉頻振動(dòng)。

2.3 泵性能分析

由圖5可知，切割葉片外徑降低了泵揚(yáng)程，揚(yáng)程降低的程度隨流量增大而減小，但當(dāng)流量為2450m3/h時(shí)，揚(yáng)程降低較多。相較于切割定律，實(shí)際揚(yáng)程在流量小于2000m3/h略微偏低，在2000m3/h以上時(shí)吻合較好。切割后高效點(diǎn)有向小流量移動(dòng)趨勢(shì)，由2200m3/h變?yōu)?100m3/h，且切割后在小于2200m3/h工況點(diǎn)效率略有提升，其他工況點(diǎn)效率略有降低。打磨隔舌有利于提高大流量工況的效率與揚(yáng)程，降低小流量工況區(qū)的揚(yáng)程，但對(duì)原高效點(diǎn)效率有較大影響。

圖5 泵外特性圖

3 故障診治

葉頻振動(dòng)是流道內(nèi)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)所誘發(fā)的高頻振動(dòng)，其影響因素眾多，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)合理設(shè)計(jì)葉片與隔舌的徑向間隙是降低葉頻振動(dòng)的有效措施。根據(jù)API610設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，對(duì)于單級(jí)揚(yáng)程超過(guò)200m和單級(jí)功率超過(guò)225kW的泵，導(dǎo)葉式泵的徑向間隙至少為葉尖半徑的3%，蝸殼式泵為6%，以此來(lái)減小葉輪葉片通過(guò)頻率振動(dòng)和小流量時(shí)的低頻振動(dòng)。

由于泵性能有一定余量，根據(jù)切割定律切割葉輪外徑由427～420mm（第二次試驗(yàn)）以增大徑向間隙降低葉頻振動(dòng)，但試驗(yàn)結(jié)果依然不能滿足振動(dòng)要求，因此繼續(xù)切割隔舌4.5mm，修薄葉片進(jìn)口邊（第三次試驗(yàn)），處理示意圖如圖6所示。

圖6 振動(dòng)處理方案圖

通過(guò)頻譜分析發(fā)現(xiàn)，切割葉輪外徑及打磨隔舌后由流體誘導(dǎo)振動(dòng)導(dǎo)致的葉頻貢獻(xiàn)量明顯降低，而其他頻率分量的振動(dòng)并無(wú)明顯變化。圖7為不同流量下，各測(cè)試點(diǎn)在不同試驗(yàn)方案下的振動(dòng)情況。

圖7 不同工況下各測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)RMS圖

由圖7可知，切割葉輪外徑，增大葉片徑向間隙及打磨隔舌能降低葉片通過(guò)頻率幅值，降低泵振動(dòng)RMS，達(dá)到減振效果。切割葉輪外徑對(duì)降低各工況點(diǎn)振動(dòng)均有一定效果，且對(duì)偏小流量工況效果更為顯著。此外，打磨隔舌也能降低葉片通過(guò)頻率幅值，但效果較增大葉片徑向間隙較差。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)閉式冷卻水泵在多個(gè)工況點(diǎn)下不能?chē)?yán)格滿足振動(dòng)要求，通過(guò)采集泵振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析及振動(dòng)有效值分析，發(fā)現(xiàn)葉片通過(guò)頻率振動(dòng)過(guò)大是導(dǎo)致泵振動(dòng)超標(biāo)的主要原因，并通過(guò)對(duì)葉輪及蝸殼進(jìn)行處理后成功降低泵振動(dòng)，結(jié)果表明：（1）切割葉輪外徑，保證合理的葉尖徑向間隙是降低葉片通過(guò)頻率振動(dòng)幅值的有效措施，因此對(duì)于低振動(dòng)離心泵在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮較大的葉尖徑向間隙。（2）打磨隔舌可以從一定程度上降低離心泵葉片通過(guò)頻率振動(dòng)，從而達(dá)到減振目的。（3）切割葉輪所得的實(shí)際揚(yáng)程在偏小流量區(qū)略小于理論計(jì)算揚(yáng)程，在大流量區(qū)吻合較好。