水泵產(chǎn)生振動的原因分析

　　所有的水泵和旋轉(zhuǎn)機械都會產(chǎn)生振動。振動的產(chǎn)生是無法避免的，也不是泵本身的問題：經(jīng)設(shè)計者(以及電動機設(shè)計者)設(shè)計的泵能承受正常限度內(nèi)的振動。這些振動限度隨泵的類型、安裝配置、供電要求、旋轉(zhuǎn)速度以及泵送的液體等的差異而發(fā)生變化。水力資源協(xié)會出版了美國國家標準協(xié)會(ANSI)所采用的一整套標準，其內(nèi)容涵蓋了振動動力學(xué)、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(dǎo)致噪音過大、設(shè)備損壞以及過早疲勞失效。zui近幾年內(nèi)開發(fā)的BAC網(wǎng)絡(luò)、SCADA系統(tǒng)以及建筑管理系統(tǒng)和生產(chǎn)商設(shè)計和開發(fā)的系統(tǒng)已頻繁用于測量和記錄泵內(nèi)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(yù)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(yù)知的后果之前保證泵的正常服務(wù)。
　　
　　但是振動本身并不是"根本性問題"：振動由泵內(nèi)部或系統(tǒng)內(nèi)部的某個部件引起。
　　
　　水泵振動產(chǎn)生的三大原因
　　
　　1.誤用、設(shè)計或制造引起的振動
　　
　　2.內(nèi)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(dǎo)致其加劇達到一個將導(dǎo)致另一原因下出現(xiàn)故障的水平。
　　
　　誤用、設(shè)計或制造引起的振動
　　
　　目前這一類原因zui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(zhuǎn)速問題——這類問題實際上在以全速運行的臥式泵內(nèi)是不存在的：生產(chǎn)商已對泵進行了設(shè)計，因此其*臨界轉(zhuǎn)速將高出zui高轉(zhuǎn)速。("臨界轉(zhuǎn)速"指激起旋轉(zhuǎn)設(shè)備自然頻率的理論角速度。旋轉(zhuǎn)速度達到自然頻率時便發(fā)生振動和共振。)在立式泵(如具有各類長度和轉(zhuǎn)頭的立式渦輪機)內(nèi)，臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)在制造之前予以考慮。在臥式泵內(nèi)，臨界轉(zhuǎn)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(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速與泵的臨界轉(zhuǎn)速不同。)這與下文將討論的外部原因引起的問題相類似。可采用兩種方法糾正臨界轉(zhuǎn)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(yīng)咨詢泵生產(chǎn)商或在其協(xié)助下進行。屬于常用方法。
　　
　　2.改變轉(zhuǎn)速(針對VFD系統(tǒng)時尤為有用)。通過臨界轉(zhuǎn)速"鎖定"或加速以預(yù)防機械運轉(zhuǎn)。
　　
　　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(nèi)爆的能量將引起整個裝置急劇振動。當然，隨著氣濁的繼續(xù)，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(xiàn)，但隨著系統(tǒng)老化以及管道改變這類情況仍可發(fā)生。將需要增加NPSH或排空現(xiàn)有系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)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(chǎn)生的損壞可能毀壞葉輪或頸環(huán)，導(dǎo)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*問題或延長MTBF。
　　
　　d.葉輪的不平衡——按照ISO標準1940/1，葉輪應(yīng)該切割到zui大運行速度時的恰當直徑并實現(xiàn)動態(tài)平衡(6.3級)，該平衡級允許轉(zhuǎn)速為1800時每盎司泵輪重量產(chǎn)生0.0014盎司英寸不平衡(轉(zhuǎn)速為3600時為0.0007盎司英寸/盎司)。如果在現(xiàn)有泵上切割葉輪，按照標準平衡葉輪時出現(xiàn)初始故障或重新平衡失敗將導(dǎo)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(zhì)量以及葉輪對振動產(chǎn)生的影響。*的解決方法是拆掉葉輪重新進行平衡。
　　
　　e.電動機轉(zhuǎn)動元件的不平衡——這是一種少見的制造缺陷。有關(guān)電動機平衡測試要求請見美國電氣制造業(yè)協(xié)會(NEMA)的標準MG-12007第1節(jié)第7部分。通常情況下，被確定為電動機轉(zhuǎn)子不平衡(通過斷開電動機并由其自行運轉(zhuǎn))的問題實際上是曲軸或軸承故障問題，該內(nèi)容已在本文其他部分進行討論。電動機旋轉(zhuǎn)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(zhì)量保證，應(yīng)咨詢電動機生產(chǎn)商或電動機維修店，如與美國電氣設(shè)備維修協(xié)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(nèi)時會出現(xiàn)這一問題，是出現(xiàn)相對頻繁的導(dǎo)致振動的問題。由于支座在下方固定，框架扭轉(zhuǎn)時，振動產(chǎn)生。這可能且確實已經(jīng)在鑄型電動機上發(fā)生且在初期很難確定，因為共振將在整個機械以及管道內(nèi)(通常)傳送。軟底腳通常出現(xiàn)在啟動時或維護后。考慮到其頻率，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(fā)現(xiàn)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(tài)，則應(yīng)進行標記以防日后忘記對其進行緊固。
　　
　　g.不平衡聯(lián)軸器——不能與未對準的情況混淆，聯(lián)軸器本身極少出現(xiàn)不平衡的情況。實際上在四極速度時絕不會出現(xiàn)不平衡，在兩極速度時出現(xiàn)的頻率也不高。當排除所有引起振動的原因后應(yīng)適當進行不平衡問題的調(diào)查。雖然重新平衡聯(lián)軸器有可能實現(xiàn)，但整套更換通常將更經(jīng)濟實惠。
　　
　　h.機械容差——即使單個部件的容差值在生產(chǎn)商規(guī)范所規(guī)定的范圍內(nèi)，機械容差仍可引起機械內(nèi)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(chǎn)生振動的風(fēng)險越大。單個部件在檢查時可能在規(guī)范(通常為ASME/ANSIY14.5)允許的范圍內(nèi)。由于這樣一個事實的存在，即采用可能產(chǎn)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(fù)雜。度和垂直狀態(tài)的全面檢查將難于在實地準確測量，但是這是確定問題的*途徑。
　　
　　i.在另一方面，如果容差直接涉及轉(zhuǎn)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(dǎo)致在其他部件內(nèi)出現(xiàn)束縛或磨削。參考下文"外部原因?qū)е抡駝?中的內(nèi)容，區(qū)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(xiàn)松動。所有外部螺帽在運輸和安裝時應(yīng)解開。生產(chǎn)商每次就裝配提出建議時，所有外部螺帽應(yīng)緊固并在隨后進行定期緊固(對于大多數(shù)機械，建議每年緊固一次)。
　　
　　內(nèi)部原因引起的振動
　　
　　為了便于進行論述，本文中"內(nèi)部原因"指機器內(nèi)部的原因，不論是在泵的外部或內(nèi)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(nèi)產(chǎn)生振動的zui常見原因(其他原因，參考"外部原因引起的振動")。應(yīng)該注意的是，按照泵生產(chǎn)商建議(而非聯(lián)軸器生產(chǎn)商的限制范圍)進行校準極為重要。(聯(lián)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(zhuǎn)不當——雖然在方向錯誤的情況下泵也將旋轉(zhuǎn)，但是流量和轉(zhuǎn)頭將減少，且由于流體動力學(xué)可能產(chǎn)生振動。旋轉(zhuǎn)應(yīng)進行檢查并校正。(改變?nèi)�相電動機的任意兩根導(dǎo)線，并在確認泵能以預(yù)期旋轉(zhuǎn)運行后檢查電動機上的標示牌以糾正單相電動機上的導(dǎo)線。)
　　
　　c.曲軸——曲軸可能由一些與場地有關(guān)的問題引起并能導(dǎo)致振動產(chǎn)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(nèi)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(xiàn)磨損并因疲勞而出現(xiàn)故障。對軸承的檢查以及磨損軌跡和滾道內(nèi)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(fā)生。
　　
　　e.堵塞——泵堵塞后并不總會產(chǎn)生過量振動，但其發(fā)生的頻率還是很高。如果泵輪部件發(fā)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(chǎn)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(shù)將比預(yù)計更低，除非堵塞產(chǎn)生的不平衡(和振動)足以使泵輪和泵殼之間產(chǎn)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(chǎn)生且安培消耗量也會增加。)
　　
　　外部原因引起的振動
　　
　　經(jīng)驗表明外部原因引起的問題是絕大多數(shù)振動產(chǎn)生的原因。
　　
　　a.管道應(yīng)變(泵和管道之間未對準)——管道應(yīng)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(yīng)首先關(guān)注這個原因。引入水之后考慮調(diào)整管支架極為重要。水的重量可能相當大，排空時支撐恰當?shù)墓艿涝跐M水之后可能需要進行調(diào)整。水的重量可能引起足夠應(yīng)變，導(dǎo)致振動，但同樣也導(dǎo)致束縛和未對準或重大故障。
　　
　　b.基礎(chǔ)或錨固不牢——如果泵的基礎(chǔ)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(chǎn)生振動。雖然在啟動時將立即出現(xiàn)這種情況，但隨時間的推移和系統(tǒng)的穩(wěn)定，振動將加劇。如果缺陷不是很嚴重，則調(diào)整基板和墊片可以進行糾正。直聯(lián)泵在進行維修之后常出現(xiàn)這種情況，這并非偶然現(xiàn)象。如果鑄鐵()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(jié)構(gòu)"，通常需切削所有螺紋以便于移除泵的旋轉(zhuǎn)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(fā)生。
　　
　　c.系統(tǒng)共振——由于每一個系統(tǒng)都存在一些共振頻率，因此泵內(nèi)的"可接受振動"將有可能導(dǎo)致系統(tǒng)頻率振動，放大共振頻率，從而加劇泵內(nèi)的振動。這可能導(dǎo)致部件出現(xiàn)故障。與臨界轉(zhuǎn)速相似，需調(diào)整管道以解決這一問題。
　　
　　結(jié)論
　　
　　過量振動易于發(fā)現(xiàn)且能引起重大故障發(fā)生。確定振動產(chǎn)生的原因尤為重要，以便進行有效糾正。由于大多數(shù)振動產(chǎn)生的原因為外部原因或校準問題，因此應(yīng)著重關(guān)注確定較長使用期限和較低壽命周期成本的調(diào)查。