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離心泵產生振動的原因分析

時間:2015-4-20 來源:揚子江泵業 瀏覽數:7861

所有的水泵和旋轉機械都會產生振動。振動的產生是無法避免的,也不是泵本身的問題:經設計者(以及電動機設計者)設計的泵能承受正常限度內的振動。這些振動限度隨泵的類型、安裝配置、供電要求、旋轉速度以及泵送的液體等的差異而發生變化。水力資源協會出版了美國國家標準協會(ANSI)所采用的一整套標準,其內容涵蓋了振動動力學、測量標準以及允許限度。該標準為ANSI/HI9.6.4! 
  通常情況下,如不造成明顯問題大部分的振動都忽略不計(但不建議忽略)。過度振動可能導致噪音過大、設備損壞以及過早疲勞失效。近幾年內開發的BAC網絡、SCADA系統以及建筑管理系統和生產商設計和開發的系統已頻繁用于測量和記錄泵內的振動。確立基準參考值、確定限度以及將振動測量值并入預防性維修計劃等,通常將在振動引起重大故障或其他無法預知的后果之前保證泵的正常服務! 
  但是振動本身并不是"根本性問題":振動由泵內部或系統內部的某個部件引起! 
  水泵振動產生的三大原因  
  1.誤用、設計或制造引起的振動  
  2.內部原因引起的振動  
  3.外部原因引起的振動  
  由上述任一類原因引起的振動通常將導致其加劇達到一個將導致另一原因下出現故障的水平! 
  誤用、設計或制造引起的振動  
  目前這一類原因為少見,但在處理泵的振動問題時卻通常是首先考慮的因素! 
  引起振動的這一類原因的主要原因包括:  
  a.臨界轉速問題——這類問題實際上在以全速運行的臥式泵內是不存在的:生產商已對泵進行了設計,因此其第一臨界轉速將高出高轉速。("臨界轉速"指激起旋轉設備自然頻率的理論角速度。旋轉速度達到自然頻率時便發生振動和共振。)在立式泵(如具有各類長度和轉頭的立式渦輪機)內,臨界轉速應在制造之前予以考慮。在臥式泵內,臨界轉速通常由超速、缺少管道支撐件或未考慮的多泵組引起。(缺少管道支撐件時,管道實際上成為了"泵的一部分",且系統的臨界轉速與泵的臨界轉速不同。)這與下文將討論的外部原因引起的問題相類似?刹捎脙煞N方法糾正臨界轉速問題,將振動減少至可接受水平:  
  1.改變泵的自然頻率,這一操作應咨詢泵生產商或在其協助下進行。屬于常用方法! 
  2.改變轉速(針對VFD系統時尤為有用)。通過臨界轉速"鎖定"或加速以預防機械運轉! 
  b.嚴重氣濁——氣濁達到一定嚴重程度時(由NPSH或攜入的空氣引起),內爆的能量將引起整個裝置急劇振動。當然,隨著氣濁的繼續,泵輪材料將被腐蝕,振動也進一步加劇。合理選用泵則可避免此類情況出現,但隨著系統老化以及管道改變這類情況仍可發生。將需要增加NPSH或排空現有系統內的攜入空氣! 
  c.腐蝕和沖蝕——雖然腐蝕和沖蝕問題極易被視為"內部問題",但是其根源在于為泵的抽送能力選擇材料時的不當。腐蝕或沖蝕產生的損壞可能毀壞葉輪或頸環,導致機械的振動超出限度。需分析泵的抽送能力才能解決這一問題。即使受沙礫沖蝕較厲害,仍需按照步驟更換材料以根除問題或延長MTBF! 
  d.葉輪的不平衡——按照ISO標準1940/1,葉輪應該切割到大運行速度時的恰當直徑并實現動態平衡(6.3級),該平衡級允許轉速為1800時每盎司泵輪重量產生0.0014盎司英寸不平衡(轉速為3600時為0.0007盎司英寸/盎司)。如果在現有泵上切割葉輪,按照標準平衡葉輪時出現初始故障或重新平衡失敗將導致振動超出可接受的范圍。這一點在各種大、小機械上均很重要,因為已建立的標準考慮了機械的總質量以及葉輪對振動產生的影響。唯一的解決方法是拆掉葉輪重新進行平衡! 
  e.電動機轉動元件的不平衡——這是一種少見的制造缺陷。有關電動機平衡測試要求請見美國電氣制造業協會(NEMA)的標準MG-12007第1節第7部分。通常情況下,被確定為電動機轉子不平衡(通過斷開電動機并由其自行運轉)的問題實際上是曲軸或軸承故障問題,該內容已在本文其他部分進行討論。電動機旋轉部分的不平衡實際上在啟動時(或啟動過后不久)將非常明顯。如果需質量保證,應咨詢電動機生產商或著名電動機維修店,如與美國電氣設備維修協會(EASA)合作的店! 
  f.軟底腳——安裝支座(通常在電動機上,但也在無整體支座的泵上)不在同一平面內時會出現這一問題,是出現相對頻繁的導致振動的問題。由于支座在下方固定,框架扭轉時,振動產生。這可能且確實已經在鑄型電動機上發生且在初期很難確定,因為共振將在整個機械以及管道內(通常)傳送。軟底腳通常出現在啟動時或維護后?紤]到其頻率,除非其他振動引起的問題可以很容易地確定,建議在故障排查程序的早期檢查軟底腳。檢查安裝可使用度標指示的方法。另一種常用的簡易方法則是輕輕解開壓緊螺栓(一次解一個)并檢查振動是否減少或消除。如果發現振動或螺栓解開過當,加墊片并重新校準就可以糾正。如果螺栓為解開狀態,則應進行標記以防日后忘記對其進行緊固! 
  g.不平衡聯軸器——不能與未對準的情況混淆,聯軸器本身極少出現不平衡的情況。實際上在四極速度時絕不會出現不平衡,在兩極速度時出現的頻率也不高。當排除所有引起振動的原因后應適當進行不平衡問題的調查。雖然重新平衡聯軸器有可能實現,但整套更換通常將更經濟實惠! 
  h.機械容差——即使單個部件的容差值在生產商規范所規定的范圍內,機械容差仍可引起機械內的振動。簡言之,泵組裝的零件越多,(在其他條件相同的情況下)容差"累計"使機械產生振動的風險越大。單個部件在檢查時可能在規范(通常為ASME/ANSIY14.5)允許的范圍內。由于這樣一個事實的存在,即采用可能產生問題的已加工部件查找并確定其他可能問題,上述情況將變得更為復雜。精確度和垂直狀態的全面檢查將難于在實地準確測量,但是這是確定問題的唯一途徑! 
  i.在另一方面,如果容差直接涉及轉動部件,則機械容差引起的振動將易于診斷。"失圓"或"失方"的加工部件可能導致在其他部件內出現束縛或磨削。參考下文"外部原因導致振動"中的內容,區別機械容差與管道校準問題! 
  j.機械松動——為了便于討論,本文中的機械松動僅指螺母和螺栓沒有恰當進行緊固的情況。單獨的螺帽在裝配時可能沒有緊固或在運輸和安裝過程中出現松動。所有外部螺帽在運輸和安裝時應解開。生產商每次就裝配提出建議時,所有外部螺帽應緊固并在隨后進行定期緊固(對于大多數機械,建議每年緊固一次)! 
  內部原因引起的振動  
  為了便于進行論述,本文中"內部原因"指機器內部的原因,不論是在泵的外部或內部。這些原因包括:  
  a.泵和電動機未對準——這無可爭辯的是泵內產生振動的常見原因(其他原因,參考"外部原因引起的振動")。應該注意的是,按照泵生產商建議(而非聯軸器生產商的限制范圍)進行校準極為重要。(聯軸器通?梢员缺没螂妱訖C承受的未校準值更大,但是負荷將傳送至泵或電動機。)  
  b.旋轉不當——雖然在方向錯誤的情況下泵也將旋轉,但是流量和轉頭將減少,且由于流體動力學可能產生振動。旋轉應進行檢查并校正。(改變三相電動機的任意兩根導線,并在確認泵能以預期旋轉運行后檢查電動機上的標示牌以糾正單相電動機上的導線。)  
  c.曲軸——曲軸可能由一些與場地有關的問題引起并能導致振動產生。通常情況下,曲軸將不相等負荷傳遞至軸承和閥座并引起過早磨損,即使在正常觀測實踐條件下這種磨損水平不足以被檢測到。誠然,在底腳固定框架式泵上檢查軸的準確度或"擺度"相對較容易,因為框架形成了一個平臺,便于檢查。所有故障部件的檢查通常將顯示引起故障的原因,包括在閥座和軸承內的故障原因! 
  d.軸承磨損/故障——正如其他討論所示,潤滑不足或潤滑不當可以加速軸承磨損并引起振動。但是即使是在"完好"條件下,軸承也將出現磨損并因疲勞而出現故障。對軸承的檢查以及磨損軌跡和滾道內的"剝落"將有助于確定是否有外來力加速磨損并促使振動發生! 
  e.堵塞——泵堵塞后并不總會產生過量振動,但其發生的頻率還是很高。如果泵輪部件發生堵塞(不論是部分堵塞還是全部堵塞),泵送的液體將減少并產生振動。拆卸泵以檢查其是否堵塞之前,建議檢查電動機的電流消耗。堵塞的泵輪所消耗的安培數將比預計更低,除非堵塞產生的不平衡(和振動)足以使泵輪和泵殼之間產生摩擦。(在這種情況下,振動極有可能伴隨摩擦和磨削噪音產生且安培消耗量也會增加。)  
  外部原因引起的振動  
  經驗表明外部原因引起的問題是絕大多數振動產生的原因! 
  a.管道應變(泵和管道之間未對準)——管道應變(以及泵與電動機之間未對準)無可爭辯地是引起泵振動的首要原因,且在排查泵振動原因時應首先關注這個原因。引入水之后考慮調整管支架極為重要。水的重量可能相當大,排空時支撐恰當的管道在滿水之后可能需要進行調整。水的重量可能引起足夠應變,導致振動,但同樣也導致束縛和未對準或重大故障! 
  b.基礎或錨固不牢——如果泵的基礎不平或基板緊固或灌漿不當,(如"軟底腳"的情況一樣)有可能且會產生振動。雖然在啟動時將立即出現這種情況,但隨時間的推移和系統的穩定,振動將加劇。如果缺陷不是很嚴重,則調整基板和墊片可以進行糾正。直聯泵在進行維修之后常出現這種情況,這并非偶然現象。如果鑄鐵(首選)或鋼沒有使用"底基層",則使用所有螺紋埋于混凝土中的部件將電動機直接與地面相貼,在頂上使用螺母以緊固泵。由于這種裝置無法使用"后拉式結構",通常需切削所有螺紋以便于移除泵的旋轉部件和電動機。這些螺紋很少更換,泵也不會直接與地面相接。振動和過早失效可能發生! 
  c.系統共振——由于每一個系統都存在一些共振頻率,因此泵內的"可接受振動"將有可能導致系統頻率振動,放大共振頻率,從而加劇泵內的振動。這可能導致部件出現故障。與臨界轉速相似,需調整管道以解決這一問題! 
  結論  
  過量振動易于發現且能引起重大故障發生。確定振動產生的原因尤為重要,以便進行有效糾正。由于大多數振動產生的原因為外部原因或校準問題,因此應著重關注確定較長使用期限和較低壽命周期成本的調查。

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