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技术难题:泵振动原因及其消除措施

2011/1/17/8:54来源:中国泵阀网

    针对泵机组的各部件存在的振动,分析了产生振动的原因。从泵的水力、机械结构设计,到泵的安装、运行、维护等方面几提出了减轻泵振动的措施。结果表明,保证泵零部件结构尺寸、精度与泵的无过载性能等水力特性相适应;保证泵的实际运行工况点与泵的设计工况点吻合;保证加工精度与设计精度的一致性;保证零部件安装质量与其运行要求的一致性;保证检修质量与零部件磨损规律的一致性,可以减轻泵的振动。

    振动是评价水泵机组运行可靠性的一个重要指标。振动超标的危害主要有:振动造成泵机组不能正常运行;引发电机和管路的振动,造成机毁人伤;造成轴承等零部件的损坏;造成连接部件松动,基础裂纹或电机损坏;造成与水泵连接的管件或阀门松动、损坏;形成振动噪声。

    引起泵振动的原因是多方面的。泵的转轴一般与驱动电机轴直接相连,使得泵的动态性能和电机的动态性能相互干涉;高速旋转部件多,动、静平衡沐能满足要求;与流体作用的部件受水流状况影响较大;流体运动本身的复杂性,也是限制泵动态性能稳定性的一个因素。

    1对引起泵振动原因的分析

    1.1电机

    电机结构件松动,轴承定位装置松动,铁芯硅钢片过松,轴承因磨损而导致支撑刚度下降,会引起振动。质量偏心,转子弯曲或质量分布问题导致的转子质量分布不均,造成静、动平衡量超标川。另外,鼠笼式电动机转子的鼠笼笼条有断裂,造成转子所受的磁场力和转子的旋转惯性力不平衡而引起振动,电机缺相,各相电源不平衡等原因也能引起振动。电机定子绕组,由于安装工序的操作质量问题,造成各相绕组之间的电阻不平衡,因而导致产生的磁场不均匀,产生了不平衡的电磁力,这种电磁力成为激振力引发振动。

    1.2基础及泵支架

    驱动装置架与基础之间采用的接触固定形式不好,基础和电机系统吸收、传递、隔离振动能力差,导致基础和电机的振动都超标。水泵基础松动,或者水泵机组在安装过程中形成弹性基础,或者由于油浸水泡造成基础刚度减弱,水泵就会产生与振动相位差1800的另一个临界转速,从而使水泵振动频率增加,如果增加的频率与某一外在因素频率接近或相等,就会使水泵的振幅加大。另外,基础地脚螺栓松动,导致约束刚度降低,会使电机的振动加剧。

    1.3联轴器

    联轴器连接螺栓的周向间距不良,对称性被破坏;联轴器加长节偏心,将会产生偏心力;联轴器锥面度超差;联轴器静平衡或动平衡不好;弹性销和联轴器的配合过紧,使弹性柱销失去弹性调节功能造成联轴器不能很好地对中;联轴器与轴的配合间隙太大;联轴器胶圈的机械磨损导致的联轴器胶圈配合性能下降;联轴器上使用的传动螺栓质量互相不等。这些原因都会造成振动。

    1.4叶轮

    ①叶轮质量偏心。叶轮制造过程中质量控制不好,比如,铸造质量、加工精度不合格;或者输送的液体带有腐蚀性,叶轮流道受到冲刷腐蚀,导致叶轮产生偏心。

    ②叶轮的叶片数、出口角、包角、喉部隔舌与叶轮出口边的径向距离是否合适等。

    ③使用中叶轮口环与泵体口环之间、级间衬套与隔板衬套之间,由最初的碰摩,逐渐变成机械摩擦磨损,这些将会加剧泵的振动。

    1.5传动轴及其辅助件

    轴很长的泵,易发生轴刚度不足,挠度太大,轴系直线度差的情况,造成动件(传动轴)与静件(滑动轴承或口环)之间碰摩,形成振动。另外,泵轴太长,受水池中流动水冲击的影响较大,使泵水下部分的振动加大。轴端的平衡盘间隙过大,或者轴向的工作窜动量调整不当,会造成轴低频窜动,导致轴瓦振动。旋转轴的偏心,会导致轴的弯曲振动。

    1.6泵的选型和变工况运行

    每台泵都有自己的额定工况点,实际的运行工况与设计工况是否符合,对泵的动力学稳定性有重要的影响。水泵在设计工况下运行比较稳定,但在变工况下运行时,由于叶轮中产生径向力的作用,振动有所加大;单泵选型不当,或是两种型号不匹配的泵并联。这些都会造成泵的振动。

    1.7轴承及润滑

    轴承的刚度太低,会造成第一临界转速降低,引起振动。另外,导轴承性能闭不良导致耐磨性差,固定不好,轴瓦间隙过大,也容易造成振动;而推力轴承和其他的滚动轴承的磨损,则会使轴的纵向窜动振动以及弯曲振动同时加剧。润滑油选型不当、变质、杂质含量超标及润滑管道不畅而导致的润滑故障,都会造成轴承工况恶化,引发振动。电动机滑动轴承油膜的自激也会产生振动。

    1.8管道及其安装固定

    泵的出口管道支架刚度不够,变形太大,造成管道下压在泵体上,使得泵体和电机的对中性破坏;管道在安装过程中较劲太大,进出口管路与泵连接时内应力大;进、出口管线松动,约束刚度下降甚至失效;出口流道部分全部断裂,碎片卡人叶轮;管路不畅,如出水口有气囊;出水阀门掉板,或没有开启;进水口有进气,流场不均,压力波动。这些原因都会直接或者间接地导致泵和管路的振动。

    1.9零部件间的配合

    电机轴和泵轴同心度超差;电机和传动轴的连接处使用了联轴器,联轴器同心度超差;动、静零部件之间(如叶轮毅和口环之间)的设计间隙的磨损变大;中间轴承支架与泵筒体间隙超标;密封圈间隙不合适,造成了不平衡;密封环周围的间隙不均匀,比如口环未人槽或者隔板未人槽,就会发生这种情况。这些不利因素都能造成振动。

    1.10水泵自身的因素

    叶轮旋转时产生的非对称压力场;吸水池和进水管涡流;叶轮内部以及涡壳、导流叶片漩涡的发生及消失;阀门半开造成漩涡而产生的振动;由于叶轮叶片数有限而导致的出口压力分布不均;叶轮内的脱流;喘振;流道内的脉动压力;汽蚀;水在泵体中流动,对泵体会有摩擦和冲击,比如水流撞击隔舌和导流叶片的前缘,造成振动;输送高温水的锅炉给水泵易发生汽蚀振动;泵体内压力脉动,主要是泵叶轮密封环,泵体密封环的间隙过大,造成泵体内泄漏损失大,回流严重,进而造成转子轴向力的不平衡和压力脉动,会增强振动。另外,对于输送热水的泵,如果启动前泵的预热不均,或者水泵滑动销轴系统的工作不正常,造成泵组的热膨胀,会诱发启动阶段的剧烈振动;泵体来自热膨胀等方面的内应力不能释放,则会引起转轴支撑系统刚度的变化,当变化后的刚度与系统角频率成整倍数关系时,就发生共振。

    2减轻振动的措施

    2.1从设计制造环节消除振动

    2.1.1机械结构设计方面注意的问题

    1)轴的设计。增加传动轴支撑轴承的数目,减小支撑间距,在适当范围内减小轴长,适当加大轴的直径,增加轴的刚度;当泵轴转速逐渐增加并接近或整数倍于泵转子的固有振动频率时,泵就会猛烈振动起来,所以在设计时,应使传动轴的固有频率避开电机转子角频率;提高轴的制造质量,防止质量偏心和过大的形位公差。

    2)滑动轴承的选择。采用无须润滑的滑动轴承;在液态烃等化工泵中,滑动轴承材料应采用具有良好自润滑性能的材料,比如聚四氟乙烯;在深井热水泵中,导流衬套选择填充聚四氟乙烯、石墨和铜粉的材质,并合理设计其结构,使滑动轴承的固定可靠;叶轮密封环和泵体密封环处采用摩擦因数小的摩擦副,比如M20lK石墨材料一钢;限制最高转速;提高轴瓦承载能力及轴承座的刚度。

    3)使用应力释放系统。对于输送热水的泵,设计时,应使由泵体变形而引起的连接件之间的结构应力得以释放,比如在泵体地脚螺栓上面增加螺栓套,避免泵体直接和刚度很大的基础接触。

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