對(duì)深井潛水泵的振動(dòng)故障原因解析
2018-02-23 17:37:43
泵站由2個(gè)內(nèi)徑18m，深31m的深井及上部廠房構(gòu)成。水經(jīng)4根Dg1200管道進(jìn)人深井，深井上部在截面為1450mm×410mm的鋼筋(英文：steel bar)混凝土框架梁上安有30JD-19x3型防砂深井潛水泵20臺(tái)。我們?cè)诮?jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的安裝及維護(hù)檢修過(guò)程(guò chéng)中，對(duì)其振動(dòng)的原因作了一些探索。
一、深井潛水泵有關(guān)技術(shù)性能參數(shù)
型號(hào)：30JD-19x3，三級(jí)葉輪
流量：1450m3/h
傳動(dòng)軸長(zhǎng)：24.94m，共9根軸
泵軸徑：0 80mm
泵軸材料品質(zhì)：40Cr
轉(zhuǎn)速：985r/min
推力瓦油溫：<50℃
冷卻水壓（特指：壓強(qiáng)）力：0.8MPa
揚(yáng)水管內(nèi)徑：500mm
揚(yáng)程：80m
橡膠軸承潤(rùn)滑介質(zhì)(起決定作用的物質(zhì))：清水
不含電機(jī)時(shí)單機(jī)重：14t
立式電機(jī)型號(hào)JKL15-6
額定功率（指物體在單位時(shí)間內(nèi)所做的功的多少）：500kW
額定電壓：6000V
額定電流：60A
電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：58kg·m2
電機(jī)重：4t
馬達(dá)及泵體垂直與水平方向允許振幅值：<0.l0mm
此深井潛水泵要求水質(zhì)含沙量不大于0.1%，粒度不大于0.2mm，且水泵的第一級(jí)葉輪（指裝有動(dòng)葉的輪盤）應(yīng)浸人動(dòng)水位lm以下。目前在七、八月洪水期間深井潛水泵抽取水含沙量最高已接近20%。
二、振動(dòng)故障的判斷
泵與電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)生振動(dòng)，在有條件時(shí)，首先應(yīng)斷開兩者之間的聯(lián)軸器（Coupling），分析(Analyse)振源是來(lái)自于泵還是電機(jī)，并仔細(xì)檢查立式電機(jī)底座與泵的連接固定螺栓是否擰緊，安裝后的水平度是否超差。
1.電機(jī)振動(dòng)源及判別
(1)轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速是否接近臨界轉(zhuǎn)速。上海凱泉泵業(yè)集團(tuán)有限公司性能的技術(shù)參數(shù)有流量、吸程、 揚(yáng)程、軸功率、水功率、效率等；根據(jù)不同的工作原理可分為 容積水泵、葉片泵等類型。 容積泵是利用其工作室容積的變化來(lái)傳遞能量； 葉片泵是利用回轉(zhuǎn)葉片與水的相互作用來(lái)傳遞能量，有 離心泵、 軸流泵和 混流泵等類型?？梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算電機(jī)軸的扭轉(zhuǎn)剛度及電機(jī)扭振頻率是否同電機(jī)臨界轉(zhuǎn)速、泵角頻率及電網(wǎng)頻率接近產(chǎn)生共振。尤其是第一次使用的電機(jī)，發(fā)生振動(dòng)故障時(shí)，要進(jìn)行分析計(jì)算。電機(jī)轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速應(yīng)至少低于臨界轉(zhuǎn)速25%或高于臨界轉(zhuǎn)速40%左右。在分析時(shí)還要考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不能簡(jiǎn)化成集中質(zhì)量情況，而是沿轉(zhuǎn)軸分布，因而分析臨界轉(zhuǎn)速時(shí)應(yīng)分析到二階和三階等主要臨界轉(zhuǎn)速。
(2)電機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡。
馬達(dá)轉(zhuǎn)子（rotor）的不平衡是最主要和常見(jiàn)的振動(dòng)原因，如：17#、19#電機(jī)，用速度測(cè)振儀(位移計(jì))測(cè)得電機(jī)振動(dòng)速度為9.8-l0mm/s，對(duì)照IS02372振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)， III類機(jī)械應(yīng)小于4.5mm/s，而在9.8-l0mm/s狀態(tài)下，用測(cè)振儀測(cè)得電機(jī)振幅值達(dá)到.30mm。為了摸清電機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡程度，我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)制作了兩副鋼架分別架設(shè)兩條平行鋼軌(要注意鋼架應(yīng)有足夠的剛度)，鋼軌上表面處理(chǔ lǐ)成光滑潔面，用水平儀配合將鋼軌面調(diào)整水平并固定(fixed)。巡查時(shí)將電機(jī)轉(zhuǎn)子置于兩條鋼軌之上，用手推動(dòng)轉(zhuǎn)子來(lái)回滾動(dòng)多次，每次待其靜止后，在轉(zhuǎn)子下面作上標(biāo)記。用粘性物粘貼在偏重位置的對(duì)稱點(diǎn)上，再對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行多次轉(zhuǎn)動(dòng)直至轉(zhuǎn)子在隨意位置都能停止時(shí)，確認(rèn)電機(jī)轉(zhuǎn)子已達(dá)到靜平衡狀態(tài)。以等效質(zhì)量取代粘貼物，完成電機(jī)轉(zhuǎn)子的平衡工作。如采用上述方法仍不能解決問(wèn)題時(shí)，就需要將電機(jī)轉(zhuǎn)子作動(dòng)平衡檢驗(yàn)。上述兩臺(tái)電機(jī)即在轉(zhuǎn)子一側(cè)增加45-5g平衡重量后，振幅值減至0.05mm，用位移計(jì)測(cè)得振動(dòng)速度值在2.1 mm/s左右。
(3)對(duì)已正常使用過(guò)一段時(shí)間的電機(jī)，其振動(dòng)原因要巡查軸承間隙是否過(guò)大，轉(zhuǎn)軸座固定(fixed)螺釘是否松動(dòng)，轉(zhuǎn)軸是否有磨損和彎曲或某一部分繞組短路、氣隙不均，轉(zhuǎn)子與定子間環(huán)形間隙不均勻一般不得超過(guò)10%。
特別值得注意的是，電機(jī)振幅值在接近標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，即認(rèn)為還在合格范圍內(nèi)的情況下，帶負(fù)荷以后往往電機(jī)振幅值將超標(biāo)，這是因?yàn)檎麄€(gè)深井潛水泵傳動(dòng)系統(tǒng)(system)振動(dòng)的因素是相互影響(influence)并共同作用的結(jié)果。
2.泵體振源及判斷
(1)泵安裝及裝配偏差引起的振動(dòng)。泵體及推力瓦在安裝后的水平度和揚(yáng)水管的垂直度超差將引起泵體的振動(dòng)，同時(shí)這三個(gè)控制（control)值又有一定關(guān)聯(lián)。泵體安裝完后，揚(yáng)水管及泵頭(不包括濾網(wǎng))總長(zhǎng)為26m，均為懸空掛置，如果揚(yáng)水管垂直度偏差過(guò)大，在泵轉(zhuǎn)動(dòng)中必將造成揚(yáng)水管及軸等劇烈振動(dòng)。揚(yáng)水管垂直度超差過(guò)大還將在泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生交變應(yīng)力，引起揚(yáng)水管的斷裂。深井潛水泵裝配完后，揚(yáng)水管在總長(zhǎng)度范圍內(nèi)，垂直度偏差應(yīng)控制在士2mm。泵的縱橫向水平誤差< 0.05/l000mm。對(duì)泵頭葉輪靜平衡允差不大于10g，組合安裝完后應(yīng)有8-12mm上下串動(dòng)間隙。安裝及裝配間隙誤差是造成泵體振動(dòng)的重要原因。
(2)傳動(dòng)軸的渦動(dòng)。上海凱泉由于葉輪進(jìn)口不可能形成絕對(duì)真空，因此離心泵吸水高度不能超過(guò)10米，加上水流經(jīng)吸水管路帶來(lái)的沿程損失，實(shí)際允許安裝高度（水泵軸線距吸入水面的高度）遠(yuǎn)小于10米。渦動(dòng)又稱 ;甩轉(zhuǎn) ；是旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生的一種自激振動(dòng)，它既不具有自由振動(dòng)的特征，也不屬受迫振動(dòng)的類型。它的特征是軸在軸承(bearing)間表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種振動(dòng)并不是在轉(zhuǎn)軸到達(dá)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)生，而是在較大范圍內(nèi)發(fā)生且與轉(zhuǎn)軸本身的轉(zhuǎn)速關(guān)系較少。深井潛水泵的甩轉(zhuǎn)主要由軸承潤(rùn)滑不充分引起，如果軸與軸承間的問(wèn)隙較大，則回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向與軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，這種情況又稱軸的抖動(dòng)。特別是深井潛水泵傳動(dòng)軸很長(zhǎng)，橡膠軸承和軸的配合間隙為0.20-0. 30mm，當(dāng)軸與軸承存在一定間隙，軸與軸承不同心，中心距較大，間隙中又缺乏潤(rùn)滑時(shí)，例如深井潛水泵橡膠軸承的潤(rùn)滑供水管斷裂、堵塞、誤操作造成供水不充分或不及時(shí)等情況下，更易出現(xiàn)抖動(dòng)。在某一瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)著的軸頸與橡膠軸承在一點(diǎn)接觸，軸頸受到軸承給它的切向力，設(shè)力作用方向與軸的轉(zhuǎn)速的方向相反，將此力向軸心平移，其力學(xué)效應(yīng)相當(dāng)于一個(gè)反時(shí)針?lè)较虻霓D(zhuǎn)矩和一個(gè)作用在軸頸中心的力，這個(gè)力平行于軸承壁接觸點(diǎn)的切線方向，并且有使軸頸下移的趨勢(shì)，因此軸頸將沿軸承壁作純滾動(dòng)，相當(dāng)于一副內(nèi)齒輪，這樣就形成與軸旋轉(zhuǎn)方向相反的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
這已被我們?cè)谌粘＿\(yùn)轉(zhuǎn)中的情況所證實(shí)，這種情況持續(xù)時(shí)間稍長(zhǎng)還會(huì)使橡膠軸承(bearing)燒損。
(3)超負(fù)荷引起的振動(dòng)。泵體推力瓦采用錫基巴氏合金，其允許負(fù)載為18MPa(180kgf/cm2)。泵體在起動(dòng)時(shí)，推力瓦的潤(rùn)滑處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。在泵體出水口處分別安裝有電動(dòng)蝶閥和手動(dòng)閘閥。在泵起動(dòng)同時(shí)打開電動(dòng)蝶閥，由于淤沙沉積造成閥板(由底板、梁等整體組成)無(wú)法開啟或人為因素造成手動(dòng)閘閥關(guān)閉，排氣不及時(shí)等，必將造成泵體的劇烈振動(dòng)，并很快燒損推力瓦，如15#、17#泵即是如此。
(4)出口湍流振動(dòng)。在泵出口依次設(shè)置Dg500短管、止逆閥、電動(dòng)蝶閥、手動(dòng)閥、主管及水錘消除器，水的紊流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生無(wú)規(guī)則的脈動(dòng)現(xiàn)象，加上各閥的阻擋，局部阻力較大，引起動(dòng)量的變化及壓力的變化，作用于管壁上及泵體上使其振動(dòng)，這可以觀察壓力表數(shù)值的脈動(dòng)現(xiàn)象來(lái)說(shuō)明。紊流中脈動(dòng)變化的壓力和速度場(chǎng)不斷傳遞給泵體能量，當(dāng)紊流的主頻率(frequency)與深井潛水泵系統(tǒng)的固有頻率相近時(shí)，系統(tǒng)就要吸收能量并引起振動(dòng)。為減少這種振動(dòng)影響，閥門應(yīng)完全開啟，短管應(yīng)有相應(yīng)長(zhǎng)度并加設(shè)支座。按此處理后，振動(dòng)值明顯減小。
(5)深井潛水泵的扭振。長(zhǎng)軸深井潛水泵與電機(jī)的聯(lián)接采用彈性聯(lián)軸器（Coupling），傳動(dòng)軸總長(zhǎng)24.94m。在泵運(yùn)轉(zhuǎn)中，存在著不同角頻率的主振動(dòng)的疊加。角頻率不同的兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)合成后的結(jié)果不一定是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，即泵體內(nèi)部存在兩自由度的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，這是不可避免的。這種振動(dòng)主要影響和損害推力瓦。因此在保證每塊平面推力瓦有相應(yīng)的進(jìn)油油楔情況下，我們將原設(shè)備(shèbèi)隨機(jī)說(shuō)明書中規(guī)定的68#機(jī)油改換成100#機(jī)油，提高推力瓦潤(rùn)滑油的粘度，使推力瓦油液動(dòng)壓潤(rùn)滑膜的形成和保持不被破壞。
(6)裝在同一根梁上的泵相互影響引起的振動(dòng)。深井潛水泵及電機(jī)是安裝在兩根截面為1450mm x 410mm的鋼筋混凝土框架梁上的，每臺(tái)泵與電機(jī)的集中質(zhì)量達(dá)18t，兩臺(tái)相鄰泵在同一框架梁上的運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)，這又是一個(gè)兩自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)其中一臺(tái)電機(jī)振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)在不帶負(fù)載試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，即彈性聯(lián)軸器不連接而空轉(zhuǎn)電機(jī)時(shí)，另一臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)泵的電機(jī)振幅值升至0.15mm左右，此種情況不易被察覺(jué)，應(yīng)引起注意。