泵的振动问题分析

发表时间:2021.04.27 19:32

来源:水泵圈

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测试方法 – FFT频谱分析

振动幅值对频率的FFT频谱或“特征”分析可确定那些被强烈激起的频率,对熟悉泵的内部部件和泵所连接的系统的振动特性的专业人员,提示可能的根本原因。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,并且根据经验,很严重足以引起可靠性问题,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。图3所示的例子,是一个锅炉给水泵在一个低流速下(排放口节流)在一个速度范围内运行的三维图。对泵来说,这样一个绘图可能有明显误差,因为环形密封在起机和停机的瞬态的刚度值k与它们在感兴趣的稳定运行状态的值有很大差别,主要由于 Lomakin效应。


级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。


Off-BEP振动对转速的瀑布或级联图


图3:Off-BEP振动对转速的瀑布或级联图


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,展示结果方便的绘图是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度传感器或涡流探头,和一个冲击力锤。力锤的设计能够将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,和转子临界转速。TAP然后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,预测设想的设计改变的有效性,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”。在一些EMA软件,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。


振动故障排查

图4和图5表示一个代表性的泵型式的典型故障模式和相关的频率,这些图的重点不在于包括所有泵的问题,但示出了主要问题,以及这些问题如何与导致的振动相关。图6表示FFT频谱和x-y轨迹(在探头位置轴中心线的运动)如何被用来确定发生了什么故障,基于振动水平,它们的严重性怎样。


卧式泵典型的流体和机械问题征兆


图4:卧式泵典型的流体和机械问题征兆


与泵的故障模式相关的典型频率


图5:与泵的故障模式相关的典型频率


轴心轨迹和频谱,不对中举例


图6:轴心轨迹和频谱,不对中举例


案例:立式泵带空心轴/齿轮箱驱动

一个主要的US炼油厂的一些服务水泵发生了一系列齿轮箱失效问题,发出强烈的尖锐噪声违反OSHA标准。这些泵通过汽机经过一个直角1:1齿轮箱和空心轴以可变转速驱动。来自泵、透平和齿轮箱制造商和独立咨询公司的很多专家,在安装以来的几年中未能成功地使用振动特征测试(和某些FEA)理解和消除问题,更换一些按照更严格的误差仔细建造的齿轮箱没有效果,怀疑问题与由齿轮啮合频率激起的扭转临界转速有关。然而,完成的扭振测试发现所有转子系统的扭转固有频率接近他们预测的值,并不接近设备的单一的运转速度。


冲击模态测试在所有曝露的定子以及转子部件完成,使用上述谈到的累计时间平均方法,没有结果指示存在任何固有频率接近齿轮啮合激励频率,直到对4英尺长的空驱动轴在其运行时进行冲击测试。惊人的测试结果表明,空心轴在扭矩下几乎正好在齿啮合频率具有一个“钟振型”,激励的固有频率振型如图7所示,空心轴振型呈椭圆形,具有非常小的阻尼,引起轴长度随着横截面周期性地变为椭圆而波动。后续的分析表明,出乎意料的轴向运动是通过“泊松效应”发生的,即是,当你在一个方向拉紧部件,它自动在垂直方向同时变形。通过进一步测试表明,驱动力是来自大小齿轮啮合是扭转和轴向载荷的结合。驱动轴用油脂填充阻尼衰减这个异常振动,齿轮箱噪声立即下降了10倍,所有齿轮箱问题得以解决。


驱动轴的2阶钟振型


图7:驱动轴的2阶钟振型


结论

诸如检查振动的可接受性的程序之类的问题看似简单,现实中,它需要经验得到正确结论,涉及与选择和运行一个离心泵相关的内在关联的许多事项。


分析机器“在先”,在安装之前,最好在采购之前。如果没有内部人员做,请第三方咨询,或使它作为招标过程,制造商必须以可信的方式为你完成这种分析,然而有很多“可变通”的检查和简单分析,作为非专家人士可以自己完成。


认真对待你买的泵的大小,与你的过程和泵系统真正的需要比较。不要买大的多的泵,你之后会花大部分时间使之部分负荷运行。


对于转子动力学分析,对中监测,和固有频率共振测试,使用计算机软件工具比“手工”技术会更容易得到正确的结论。

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