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摘要：立式泵组由于其结构大都是大型悬吊式支撑的安装型式，相较卧式泵组，整体结构刚度较低，导致存在整机固有频率低的问题。在实践中，火电厂、核电厂、化工厂、水厂等大量采用的典型立式泵组，如凝结水泵、疏水泵、循环水泵、供水泵等均易出现振动问题。尤其是为节能增效采用变频改造，或指定采用了不同的配套电机，这使得许多泵组工况由单一转速变为变频降速运行或双速运行，但在改造前未检査泵组结构的固有频率特征，导致出现许多立式泵组的共振问题。在实践中，一般可通过设备地脚联接螺栓松开的简单办法，或在不同工况下通过观察转速变化对振动的影响来确认共振的可能性，初步确定后可采用频谱仪进行键击法测试出结构的固有频率以明确是否是由共振导致的异常振动。
关键词：立式泵组；轴频共振；电磁共振
1轴频共振特征
在旋转机械结构中，1倍频振动故障是最容易发生的，大部分情况下与转子动平衡或轴弯曲、结构松动或动静摩擦相关。通常情况下，维修中采取重新动平衡的方法处理，但在发生1倍频共振情况下，即便进行转子动平衡也无法有效降低振动。这种出现了转子运行转速的激励频率与结构固有频率接近形成的振动异常，可将其列为轴频共振。如SPNC型泵结构设计运行转速为变频运行，最小转速757r/min，最高转速970r/min，因此其轴频运行区间为12．62～16．17Hz。结构的固有频率与轴频运行区间存在重叠区域，在低转速运行时容易发生轴频共振，结构需要进行设计改型，最终设计中采用了较弱刚度的电机架以避开共振。某核电厂用NLT型定速凝结水泵也曾出现过轴频共振的情况，其额定转速为1480r/min，在调试阶段4台泵组的电机顶部轴承位置振速值均偏大，最严重的1台泵组振速已达8mm/s以上，测试其固有频率存在26．5HZ，计算其固有频率也存在25．192Hz，为明显的1倍频共振问题。在实际处理中，可通过转子动平衡、焊接加强筋、增加橡胶垫圈等措施，但仍难以改变共振状态。某厂用RDLOV型供水泵变频运行出现共振问题，额定转速为785r/min，其变频后转速范围为350-992r/min，在现场运行4台泵，均出现转速运行至70％～75％时的振动跃升现象，最大一台振速可达10mm/s以上，而在其他转速下，振速低于1．5mm/s。经过计算，其固有频率为10．35Hz，对应转速即为621r/min，为额定转速的79％，与振动异常转速接近，可确定问题为轴频共振。轴频共振问题在工程应用中容易发生。在SPNCS型泵与RDLOVR型泵中，以往应用均为定速运行，多个现场运行均良好，未出现振动问题，但在变频运行后，由于转速降低，都出现了1倍转速激励频率与固有频率重合的情况而导致共振发生。在ＮＬＴ型泵组的定速运行中，该项目由于采购了与以往不同质量及重心高的电机，导致泵组固有频率发生变化，与以往电机相比，该项目电机偏重、重心偏高，导致其固有频率下降，与转速频率重合发生共振。在API1610标准8．3．9节试验中，对利用响应确定固有频率间隔范围有如下规定，“这样确定的固有频率应当至少低于最小连续工作转速的10％，或者应当至少高于最大连续工作转速的10％”。在设计中，为确保结构安全，工程上一般规定设备的固有频率应该避免出现在0．8／～1．2／之间（／为外激励力频率），因此要求在有限元计算中需要使固有频率与运行激励力频率避开20％，—定程度上是由于有限元计算的准确性与实际结构存在一定差异。在上述多台泵组的试验中，由于安装联接等状态的差异，同一现场的同一型号泵组表现出不同的振动数值与固有频率值，在现场测得的固有频率值与运行激励频率避开率在5％以内时共振强烈，振速一般可达8mm/s以上，而避开率在5％以上时，一般振速在4nun/S以内。共振可以认为是结构内部能量的释放，在共振排除中，改变结构固有频率是最有效的方法。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在工程中，一般认为设备应当刚性安装，但对于立式泵组，其转子转动惯量相对较小，泵组运行转速高于固有频率也可以长期正常运行，立式泵组在设计阶段一般都已达到了较大的钢结构支搾刚度，简单通过增加支撑的方法在有些条件下难以明显提升结构的固有频率。在这种情况下，改换为较弱刚度的支撑也可以有效避开固有频率，在这种情况下，需要保证结构静强度及构件屈曲满足使用条件。在设计中，立式泵组结构的固有频率调整也较难以实现，只有进行整体形式的变化才可有效改变固祚频率。在相应结构中，额外的约束是最有效增加固有频率的方法。
2电磁共振特征
在泵组中除了泵的激励外，电机特有的电磁激励也容易产生共振，一般泵组的测试主要采用10Hz～1000Hz振动速度信号，因此振动仅对较低频率的电磁激励敏感，其表现出的电磁激励力一般存在有电源频率及其两倍频、旋转频率及其两倍频，可将其列为电磁共振。对于要求较高的低噪音泵组的振动监测，主要采用振动加速度信号，一般取10Hz～10kHz，其振动对电磁更加敏感，对于泵组设计也需要避开电磁力波的高阶频次。某电厂用循环水泵曾出现电磁共振问题，其电机在出厂试验中采用空载测试，电机顶部振幅值在25以下，而现场安装后，空载测试电机顶部轴承壳体振幅测量值可达80Min。电机转速497r/min，经过频谱测试发现在空载时振动特征频率主要为2Ｘ倍频，一般2Ｘ倍频与对中相关。但此时处于空载状态，排除对中可能，因此怀疑与固有频率相关，经过测试其电机安装于泵组机架上的固有频率为17．81Hz，这与2Ｘ倍频16．57Hz接近，形成电磁共振。采用加垫片方法处理后，其后振动正常。在标准ＧＢ10068/ＩＥＣ60034－14中，已对电机试验台固有频率进行了相关规定，在项目现场电机底座的支撑固有频率也应当避开下述范围：（1）电机旋转频率的±10％；（2）二倍旋转频率的±5％；（3）—倍和或二倍电网频率的±5％。在电磁共振中，在确定安全的前提下，可通过断电测试进行相应诊断。旋转机械在断电后，转子在惯性作用下仍处于缓慢降速运行过程，而电磁力在断电瞬间即会消失，可根据断电过程振动的变化进行相应鉴别。根据经验，在断电瞬间，如果振动数值在1s内发生大幅下降可认为存在电磁共振。某卧式电机在电磁共振时的断电测试，对较严重情况的电磁共振，单纯增加垫片可能无法改变振动剧烈的状态，需要对电机气隙及电机机壳进行相应调整，以降低电磁力激励避免共振。内部新增6根对称加强筋，其整体刚度增强，减弱了激励响应，降低振动及振动耦合的几率。该凝结水泵为立式安装，泵整体为悬臂结构，泵转子悬臂安装，悬臂长度达7.5m，泵导流壳处于悬空状，在水流冲击下受流体扰动产生摆动，而且水流冲击方向与振动方向相同，造成激励振动的放大。针对这一问题制定增加导流壳弹性支撑的改造方案，在杲导流壳上增加弹性支撑以增加阻尼来减缓水流作用下泵导流壳的扰动，提高整个轴系刚度，减小泵振动幅值。在凝结水泵导流壳第三级叶轮处增加3个相邻120°夹角的弹性支撑组件，通过阻尼减弱泵的振动幅值。弹性支撑位于导流壳与泵外壳之间，当泵振动时，通过弹簧吸收泵体位移。由于滚轮的存在，弹簧支撑并不限制上下移动。一般情况下，立式泵组与建筑物共振的可能性较小，主要基于建筑物设计中对地震设计的要求，使其固有频率在33Hz以上，这一固有频率一般可保证立式泵组安装在刚性基础上，泵组自身的设计固有频率起主要作用，计算时一般可不考虑建筑基础的支撑影响。
3结论
立式泵组在发生共振问题后，实际工程中难以有效规范化处理，仅能通过如添加垫片、重新动平衡、增加加强筋、改换弱支撑等非标准性措施，保证振动正常。在采用了不同电机或变速运行等情况下，在立式泵组的设计阶段，应计算结构固有频率数值，避免与轴频、电磁频率相接近。在试验阶段可进行敲击固有频率试验，同时在性能及振动试验中，应对电机顶部轴承位置进行振速及振幅的同时测量。
参考文献:
[1]大型立式泵的振动分析及处理[J].何小锋,卢修连,刘晓锋.电站辅机.2018(04)
[2]大型立式泵振动问题分析及治理[J].何小锋,卢修连,刘晓锋,何利鹏,马运翔.山东电力技术.2018(03).
论文作者:白德旭
论文发表刊物:《防护工程》2019年9期
论文发表时间:2019/8/12
标签：频率论文; 转速论文; 电机论文; 电磁论文; 结构论文; 转子论文; 刚度论文; 《防护工程》2019年9期论文;