1 引 言

離心泵是艦艇上的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于生活用水、消防用水以及設(shè)備和軸系的冷卻用水的供給，研究其振動特性，對其進(jìn)行低噪聲改進(jìn)，降低艦艇輻射噪聲有著重要的意義。

2 試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)采集

2.1 試驗工況

為了掌握某型離心泵振動狀態(tài)與截止閥開度的關(guān)系，進(jìn)行了截止閥開度為20%、50%和100%等三個工況的試驗。

2.2 離心泵振動機理

離心泵產(chǎn)生振動的原因包括，機組轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)不平衡、軸系連接對中誤差、軸承的振動、泵機內(nèi)部的非定常流場壓力脈動激發(fā)過流部件振動、泵機葉輪實際旋轉(zhuǎn)中心與設(shè)計中心偏離導(dǎo)致過流部件配合變化產(chǎn)生的流場脈動、轉(zhuǎn)動件與固定件之間的摩擦、電機的電磁振動以及電機軸帶冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生的氣流脈動對機殼的激勵等。

識別振動源的方法有多種[1-3]，從測試參數(shù)來講，有振動頻譜、相位譜、時域波形和聲壓頻譜等；從信號處理方法來講，有頻譜分析方法、細(xì)化譜分析方法、包絡(luò)分析、階比譜和復(fù)合功率譜、轉(zhuǎn)速譜陣與坎貝爾圖、相關(guān)分析、互譜分析和聲強分析、相干分析和偏相干分析等等。其中頻譜分析方法是最簡單的方法，因為，不同運動部件的振動產(chǎn)生不同特征頻率，往往根據(jù)振動頻譜即可識別振動源。離心泵的振動頻率特性見表1。

表1 離心泵的振動頻率特性

2.3 振動測點布置

振動測點應(yīng)布置在產(chǎn)生振動的部件附近剛度較大的位置，以獲得較好的信噪比，以分析振動來源。離心泵的振動測試共布置了17個測點，具體布置情況為：測點1～6位于電機機腳上；測點7、8位于泵體支撐處隔振器安裝螺栓旁；測點9、10位于電機端隔振器安裝螺栓旁；測點11、12位于電機頂部兩端；測點13位于泵體；測點14、15位于泵的進(jìn)口連接法蘭上；測點16、17位于泵的出口連接法蘭上。

圖1 振動測點布置

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 截止閥開度對設(shè)備振動影響的分析

通過對比截止閥開度為20%、50%和100%三個工況下，各測點5～500 Hz和500 Hz～3.2 kHz振動加速度有效值的測量數(shù)據(jù)，可以看出，在5～500 Hz各點的振動加速度有效值在截止閥開度50%工況時，約為截止閥開度20%工況時的83%(最低點為75.9%，最高點約為93%)，在截止閥開度100%工況時，則約為85%(最低點為76.5%，最高點約為97%)；在500 Hz～3.2 kHz，除了測點2的振動強度稍大，測點5、10、12的振動強度不變以外，各點的振動強度都有大小不等的降低[4-6]。

3.2 各工況下離心泵振動特征頻率分析

3.2.1頻率范圍(5～500 Hz)

圖2 工況1功率譜

圖3 工況2功率譜

圖4 工況3功率譜

該型離心泵振動加速度功率譜見圖2～圖4。從圖中可以看出，在5～500 Hz頻率范圍，各測點的振幅較大的頻率為24.5，49.5，98.5，197.5，299.5，311和322 Hz，其中24.5 Hz為軸頻，49.5 Hz為2倍軸頻，98.5 Hz為葉頻，197.5 Hz為2倍葉頻，299.5 Hz為3倍葉頻；222 Hz只在工況1存在，應(yīng)該是由于截止閥開度較小，導(dǎo)致流體流動受阻,在截止閥處形成激勵源引起的振動； 311 Hz以及322 Hz則需要進(jìn)一步分析識別。在機腳測點1～5處，299.5 Hz的振動幅值為最大(工況1，測點2次大)；在管路測點處，除了工況1外，24.5 Hz的振幅為最大。根據(jù)這一點，可以作出以下判斷：該型離心泵機組中，泵葉的不平衡量比電機轉(zhuǎn)子的不平衡量要大，否則在機腳測點處，24.5 Hz即軸頻的振幅應(yīng)比299.5 Hz即3倍葉頻要大，而不會出現(xiàn)299.5 Hz振幅較24.5 Hz振幅要大的情況。

從圖2～圖4可以看出，隨著工況的變化，該型離心泵單頻振幅存在以下變化：

1) 24.5 Hz：工況2下，各個測點的振幅相比工況1都有較大增長；工況3下，各個測點的振幅相比工況2又有所增長；

2) 49.5 Hz：各個測點的振幅以工況1下的最大，以工況2下的最??；

3) 98.5 Hz：除了2,3,6,16號測點外，工況2下，各個測點的振幅相比工況1有所增長；工況3下，各個測點的振幅相比工況2又有較大增長；

4) 197.5 Hz：工況2、工況3下，各個測點的振幅相比工況1有較大減?。?/p>

5) 222 Hz：工況2、工況3下，各個測點的振幅相比工況1有較大減??；

6) 299.5 Hz：除了4、5號測點在工況2下有所減小外，其余各測點在三個工況下的振動幅值變化不大。

7) 寬帶頻譜：在工況1下不少測點的寬帶頻譜，在工況2、工況3下都有減少。

綜上所述，工況2、3下，設(shè)備振動強度較工況1為小的主要原因是49.5,197.5,222 Hz以及寬帶連續(xù)譜處振幅的減小。若能采取措施，如改善機組動平衡狀況、安裝動力吸振器等，降低25 Hz的振幅，并以工況2為該型離心泵運行狀態(tài)，可望取得該設(shè)備對艦艇輻射噪聲最小。

3.2.2頻率范圍(500 Hz～3.2 kHz)

該型離心泵振動加速度功率譜(500 Hz～3.2 kHz)。從圖2～圖4中可以看出，在該頻率范圍內(nèi)，各測點振幅較大的頻率為1 086,1 111,1 162,1 187和2 272 Hz，并且在986～1 286 Hz區(qū)間，存在以軸頻25 Hz為間隔的一系列譜線。由于這些頻率不是軸頻的整數(shù)倍，可以排除是電機轉(zhuǎn)子和水泵轉(zhuǎn)子軸頻的高次諧頻或電機的電磁振動，也可以排除是該型離心水泵內(nèi)產(chǎn)生的脈動壓力直接引起的振動。

由于這些頻率和軸頻的高次諧頻比較接近，應(yīng)當(dāng)考慮到這些頻率可能與機組中除了電機和水泵轉(zhuǎn)子外的另一種運動部件——電機軸承有關(guān)：滾動軸承在旋轉(zhuǎn)時，軸承內(nèi)的滾動體除了以軸承中心線公轉(zhuǎn)外，還以自身中心在軸承保持架上自轉(zhuǎn)，并和軸承內(nèi)圈、外圈作相對運動，引發(fā)振動頻或其的諧頻，一般不等于軸頻或其諧頻，但和軸頻的諧頻比較接近，并且隨著轉(zhuǎn)速而變化。但由于缺乏電機轉(zhuǎn)子槽數(shù)和機組各個軸承的相關(guān)參數(shù)，不能肯定這些頻率就是由電機軸承產(chǎn)生。在清楚滾動軸承的滾動體個數(shù)、內(nèi)外滾道直徑以及滾動體接觸角等參數(shù)的情況下，則可計算滾動軸承運動產(chǎn)生的特征頻率，用于離心泵振動源的識別。

從圖5～圖7中可以看出，隨著工況的變化，該型離心泵單頻振幅存在以下變化：大多數(shù)測點的各個單頻振幅變化不大，測點16在工況2、工況3下1 086，1 186，1 210 Hz處的振幅有較大的減小；測點17在工況2、工況3下，1 086，1 210 Hz處振幅有很大的減少。這是工況2、3下，設(shè)備振動強度較工況1為小的原因。

圖5 工況1功率譜

圖6 工況2功率譜

圖7 工況3功率譜

3.3 離心泵安裝基座振速特征線譜分析

在艦艇輻射噪聲估算中，往往使用設(shè)備安裝基座和管路處的振動速度作為輸入?yún)?shù)。圖8～圖12為該型離心泵運行時，安裝基座測點振動速度線譜;圖13～圖14為該型離心泵進(jìn)口管路、出口管路振動速度線譜。從各圖中可以看出，振動較大的頻率是該型離心泵引起艦艇輻射噪聲最大的頻率成分。10～400 Hz頻率范圍內(nèi)存在連續(xù)譜，這是水動力脈動所引起的振動。

圖8 安裝基座的測點1

圖9 安裝基座的測點2

圖10 安裝基座的測點3

圖11 安裝基座的測點4

圖12 安裝基座的測點5

圖13 進(jìn)口管路測點

圖14 出口管路測點

4 分析結(jié)果

1) 在截止閥20%、50%和100%開度三種工況中，50%開度工況時,該型離心泵的振動最小，其原因是49.5,197.5和222 Hz以及寬帶連續(xù)譜處振幅的減小；

2) 在低頻段，該型離心泵振動較大的頻率為24.5,49.5,98.5,197.5和299.5 Hz；

3) 在較高頻段內(nèi)，該型離心泵振動較大的頻率為1 086,1 111,1 162,1 187和2 272 Hz，并且在986 ～1 286 Hz區(qū)間，存在以軸頻25 Hz為間隔的一系列譜線；

4) 該型離心泵泵葉的不平衡量比電機轉(zhuǎn)子的不平衡量要大；

5) 該型離心泵造成對艦艇輻射噪聲最大的頻率成分為25 Hz(軸頻)、50 Hz(2倍軸頻)、74 Hz(3倍軸頻)和99 Hz(4倍軸頻、葉頻)的以及10～400 Hz頻率范圍內(nèi)的連續(xù)譜。

5 改進(jìn)建議

1) 在截止閥三個開度中，以50%開度為該型離心泵常開工況；

2) 改善機組(尤其是泵葉)的動平衡狀態(tài)，加強軸系的剛度，提高軸系對中精度，以及應(yīng)用動力吸振器，以減小軸頻和倍軸頻的振幅；

3) 應(yīng)該采取增加葉片數(shù)、改變?nèi)~片形狀、降低水泵葉片和汽輪機葉片與流動介質(zhì)的相對速度，使用精密鑄造工藝保證葉輪實際中心和設(shè)計中心重合等措施，減小泵內(nèi)壓力脈動和沖擊以減小水泵的葉頻。

[1] 盛兆順，尹崎嶺．設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2] 屈梁生，何正嘉．機械故障學(xué)[M]．上海:上?？萍汲霭嫔?，1986.

[3] 韓捷，張瑞林．旋轉(zhuǎn)機械故障機理及診斷技術(shù)[M]．北京:機械工業(yè)出版社，1997.

[4] 吳英友，趙耀，陳炯.汽輪給水泵機組振動頻率特性分析[J].中國艦船研究，2006，1(5-6)：90-93.

[5] 區(qū)維德．機械振動手冊[M]．北京:機械工業(yè)出版社，1992.

[6] 何正嘉．機械故障診斷案例選編[M]．西安:西安交通大學(xué)出版社，1991.