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泵震动解析（二）

发布日期:

2020-10-15 08:11:50

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如何进行水处理？

衡美水处理为您介绍一项水处理专业知识——泵震动解析。

十一、转子动力稳定性

转子动力稳定性指一种现象，即若转子在运转状态下是稳定的。转子动力不稳定性一个关键因素是交叉耦合刚度。交叉耦合刚度源于在轴承和其它紧密的旋转间隙中建立的流体动力油膜，流体动力油膜具有倾向于将转子推回到其中心位置的有利效果，这是典型的流体膜（轴颈）轴承的工作原理。

除此之外，交叉耦合力矢量作用在与运动垂直的方向，与源自流体阻尼的矢量方向相反，因此很多人将交叉耦合刚度理解为负阻尼。交叉耦合作用对稳定性是非常重要的，如果交叉耦合力矢量变成大于阻尼矢量，振动引起反应力以一种反馈的方式导致不断增加的振动，轴心轨迹不断变大直到产生严重摩擦，或由于大的运动反馈停止。

轴半速涡动是在低于一阶非临界阻尼的轴弯曲固有频率下的受迫响应，它是由流体激励力驱动的，产生力的静态压力场以低于转速的某个速度旋转，流体旋转的速度成为涡动速度。

涡动最常见的原因是围绕叶轮前或后侧板，或在轴颈轴承间隙的流体旋转。流体在定子壳壁是固定的，在转子表面以转子的速度旋转，这样在旋转间隙建立起大约半速的“库艾特流”分布。驱动这个涡动的压力分布一般是倾斜的，这样交叉耦合的分量与涡动运动方向相同，并且可能很强。如果某种原因间隙在一侧减小，例如由于偏心，结果耦合的力进一步增加。

如果流体涡动频率随转速增加而增加，直到涡动位于一个转子很小阻尼的临界转速，交叉耦合力的作用相位相对于对它的反应力成为不稳定的（力导致变形导致更大的力），那么“轴涡动”变为所谓的“轴振荡”，它是很具破坏性的，迅速地磨损掉泵腔内密封所需要的紧密设计间隙。

轴振荡开始于当涡动接近转速的一半，并等于轴的固有频率，正常的1X转速频率频谱和大概圆形的轴心轨迹现在表现出显著的大约0.45倍转速分量，在轨迹上表现为一个环，反映每隔一转一次轨迹脉动。这种情况下的典型观察是振动“锁定”在固有频率上，导致在振荡开始之后转速升高，振动偏离涡动的恒定百分比转速。

十二、参数共振和分数频率

当转子与壳体的定子部件相互作用时，常见一些类型的非线性振动响应，一般归结到参数共振类型。一般来讲，这些共振是由轴承支撑松动或在轴承、密封或其它旋转间隙处的摩擦引起的，征状是脉动的轴心轨迹，在转速的整分数倍频，如1/2，1/4等振动较大。

十三、测试方法——FFT频谱分析

振动幅值对频率的FFT频谱或“特征”分析可确定频率，对泵的内部部件和泵所连接的系统的振动特性，提示可能的原因。特征分析之后，实验模态分析（EMA）已经证明其通过分别确定泵系统的激励力和固有频率快速解决问题的能力。

泵的振动达到最大的转速被称为“临界转速”。泵的临界转速通常由“瀑布图”确定，它是泵在静止和运行状态之间加速或减速过程中，振动幅值对频率的频谱对时间的3-D绘图。

联图的分析配对是坎贝尔图，它是振动激励频率对转速的绘图。由于泵中最强的振动激励发生在转速的整数倍频，这些（1X，2X和流道通过）在图中作为从坐标原点放射的斜线绘出，同样对前几个计算的转子固有频率汇出大约水平线。激励和固有频率曲线的交点用半径等于交点发生的频率的10%画圆标注，如果任何圆的任何部分位于代表最小和最大运行转速的两条垂直线之间，那么共振会发生，需要采取步骤移动有问题的固有频率，增加其阻尼直到达到临界阻尼，或消除激励源。

十四、测试方法——冲击（敲击）测试

在模态响应冲击测试或激振器测试确定固有频率时，准确展示结果的绘图是log振动值对频率，结合相位角对频率的绘图，这个绘图识别和验证固有频率的值并表示其放大系数。另一个有用的绘图是奈奎斯特图，它承载相似的信息，但以极坐标图的方式，振动值是放射的矢量，相位是其角度。对后者，固有频率绘图作为近似圆，使用奈奎斯特图接近的振型更容易识别和分开。

实验模态分析（EMA）是一个振动测试方法，它对泵施加已知的力（在测试范围所有频率上恒定），泵由这个力单独产生的振动响应被观察和分析。EMA可以在实验台上也可以在现场确定泵的振动特性，可以得到结合了壳体、管道和支撑结构的实际固有频率；并且如果采用特殊的数据采集步骤，EMA也可以在泵的运行状态确定转子的固有频率。

做EMA使用的主要工具是一个双通道FFT频率分析仪，一个PC和特定软件，一组振动响应探头如加速传感器或涡流探头，和一个冲击力锤。力锤的设计能够将力分布到一个频率范围，覆盖测试的范围，结果就像一系列激振器测试的结合。冲击力锤在其头部有一个加速度计，标定指示施加的力，在EMA测试时，力锤冲击力加速度传感器的信号连接到频谱分析仪的一个通道。在每个频率上，第二通道除以第一通道得到泵及其连接的系统的“频率响应函数”（FRF）。FRF的峰是非临界阻尼的固有频率，峰的宽度和高度指示每个固有频率的阻尼，以及在测试位置振动对力锤冲击的位置附近发生的力，在给定固有频率附近频率的灵敏性。

Marscher开发了EMA的变种，不需要停掉泵、在实际现场测试的时间和运行制约下就可以准确确定固有频率，这个方法称为时间平均冲击（TAP）。TAP方法统计识别模态分析的数据，以便在泵运行在有问题的状态下可靠地确定结构固有频率和振型、共振力的位置和频率、转子临界转速。TAP使用经典模态分析处理技术产生每个固有频率下振型的动画模型，预测设计改变的有效性，例如加强轴承刚度，新的管道支撑，或加厚基板。这个方法可应用于任何转速和负荷下机器。

EMA可以分类复杂的模型测试数据库，由多个位置对一个敲击位置的振动响应的FRF绘图组成，选择的敲击位置代表可能存在显著激励力的地方。这个分类处理的结构是准确预测测试范围内每个固有频率的频率和阻尼，将“成箱的”固有频率振动变为“振型”。一些EMA软件中，这个信息可以用来自动预测增加质量、阻尼器或支撑的最佳位置，以解决与给定振型有关的振动问题。对于机器运行时在很大位置和方向采集的振动也可以做类似的“箱”，被称为运行变形形状（ODS），ODS是一个非常有用的故障排查工具，因为诸如软脚、部件松动、过大柔性区域之类的问题即刻变为明显的，从而可以提出修理措施。

十五、振动故障排查

图1和图2表示一个代表性的泵的典型故障模式和相关的频率，展示出了泵的主要问题，以及这些问题如何导致振动。图3表示FFT频谱和x-y轨迹（在探头位置轴中心线的运动），可以被用来确定发生第二故障以及严重性。