何小鋒，盧修連，劉曉鋒，何利鵬，馬運(yùn)翔

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇　南京　211102）

0　引言

大型立式泵以其結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，在火力發(fā)電廠中得到廣泛應(yīng)用，目前火力發(fā)電廠的凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵均為立式泵。但立式泵相對(duì)臥室泵而言，其高度較高，軸系較長(zhǎng)，水平剛度較差，轉(zhuǎn)子支撐穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)振動(dòng)問題。近幾年，為了響應(yīng)國(guó)家“節(jié)能減排”的政策，各廠均逐步對(duì)凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵進(jìn)行調(diào)速改造，使之能夠根據(jù)機(jī)組運(yùn)行工況調(diào)控轉(zhuǎn)速，有效提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益[1]。目前主要采用增加變頻器的方式進(jìn)行變頻改造或?qū)﹄妱?dòng)機(jī)進(jìn)行雙速改造。但隨之帶來(lái)的問題是，由于立式泵原為單速設(shè)計(jì)，對(duì)其余轉(zhuǎn)速工況未做充分考慮，使很多立式泵在調(diào)速改造后出現(xiàn)振動(dòng)問題。很多問題具有普遍性，而對(duì)故障的定性、處理手段都缺乏有效認(rèn)知，經(jīng)常出現(xiàn)誤判，導(dǎo)致重復(fù)性檢修，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。本文對(duì)大型立式泵的常見振動(dòng)問題進(jìn)行闡述及分析，并給出相應(yīng)檢修處理建議。

1　軸系質(zhì)量不平衡

立式泵軸系較長(zhǎng)，由多段軸連接而成，各軸段均可能產(chǎn)生明顯的質(zhì)量不平衡。質(zhì)量不平衡產(chǎn)生的原因主要有：原始質(zhì)量不平衡、連接偏心、磨損及彎曲變形。

1.1　原始質(zhì)量不平衡

原始質(zhì)量不平衡是指泵轉(zhuǎn)子、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、對(duì)輪或連接軸因原始質(zhì)量分布不均勻而產(chǎn)生質(zhì)量不平衡的現(xiàn)象[2]。主要原因是在出廠時(shí)動(dòng)平衡沒有做好，存在較大的殘余不平衡質(zhì)量。

原始質(zhì)量不平衡的判斷比較簡(jiǎn)單，頻率成分為穩(wěn)定的工頻成分，振動(dòng)不隨時(shí)間、工況而改變，僅與轉(zhuǎn)速有關(guān)，共振區(qū)域外，振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速升高而升高?，F(xiàn)場(chǎng)檢修中，可通過電動(dòng)機(jī)單轉(zhuǎn)測(cè)試來(lái)判斷不平衡質(zhì)量的位置，以區(qū)分不平衡質(zhì)量是在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上還是泵轉(zhuǎn)子上，或者二者均存在?，F(xiàn)場(chǎng)一般在電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇或聯(lián)軸器上加重進(jìn)行動(dòng)平衡處理。

1.2　連接偏心

連接偏心主要指各部件連接配合出現(xiàn)偏心，導(dǎo)致軸系出現(xiàn)質(zhì)量不平衡。對(duì)于立式泵而言，葉輪與軸的配合、各軸段之間的配合、兩半聯(lián)軸器間的連接，因?yàn)榧庸ふ`差、檢修精度等原因都會(huì)導(dǎo)致部件中心出現(xiàn)偏斜，產(chǎn)生質(zhì)量不平衡。

連接偏心產(chǎn)生的質(zhì)量不平衡主要出現(xiàn)在檢修之后，在檢修中由于裝配誤差、對(duì)中不良等因素，導(dǎo)致部件出現(xiàn)偏心，產(chǎn)生質(zhì)量不平衡。從頻譜上看，主要為工頻成分，不對(duì)中還會(huì)產(chǎn)生一些2倍頻成分，如有連接松動(dòng)的問題則還會(huì)存在一些諧波成分。振動(dòng)主要與轉(zhuǎn)速有關(guān)。現(xiàn)場(chǎng)判斷上主要結(jié)合修前修后泵組振動(dòng)情況以及檢修中所做檢修工作來(lái)判斷。振動(dòng)處理上，在連接偏心不嚴(yán)重，連接緊固的情況下，主要通過動(dòng)平衡手段解決。偏心嚴(yán)重或者連接存在松動(dòng)的情況下，則需進(jìn)行相應(yīng)檢修處理。

1.3　磨損及彎曲變形

磨損及彎曲主要指旋轉(zhuǎn)部件因?yàn)槟p或受熱而變形彎曲，導(dǎo)致軸系出現(xiàn)質(zhì)量不平衡。對(duì)于立式泵來(lái)說，主要指葉輪不均勻磨損，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的受熱變形，膨脹不均，連接軸的彎曲變形等。磨損及彎曲一般發(fā)生在機(jī)組運(yùn)行中。由于局部間隙偏小發(fā)生碰磨，導(dǎo)致葉輪或軸的不均勻磨損；由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的不均勻受熱，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的不均勻熱態(tài)變形。從頻譜上看，由于彎曲變形后產(chǎn)生軸系質(zhì)量不平衡，因此主要為工頻成分。磨損及彎曲變形主要出現(xiàn)在運(yùn)行中，隨時(shí)間逐步發(fā)展，磨損越嚴(yán)重，彎曲越厲害，振動(dòng)值越大。而電動(dòng)機(jī)受熱變形主要出現(xiàn)在帶載運(yùn)行中，是由于電氣故障或者冷卻不均勻?qū)е碌牟痪鶆蜃冃?，單轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)時(shí)由于發(fā)熱量較小，變形量較小，振動(dòng)一般較小，而帶載后發(fā)熱量大，變形量大，振動(dòng)會(huì)明顯變大。振動(dòng)值大小與電動(dòng)機(jī)帶載大小有關(guān)。對(duì)于葉輪或軸的磨損彎曲一般通過檢修調(diào)整間隙處理。對(duì)于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的受熱變形，在沒有嚴(yán)重電氣故障的情況下，主要通過動(dòng)平衡手段，降低熱態(tài)不平衡質(zhì)量。

2　支撐動(dòng)剛度弱

影響振動(dòng)的因素主要有兩個(gè)：激振力和支撐動(dòng)剛度。支撐動(dòng)剛度因素主要包含結(jié)構(gòu)剛度、連接剛度、結(jié)構(gòu)共振等。

2.1　結(jié)構(gòu)剛度弱

大型立式泵，軸向高度較高，水平向較窄，整體呈現(xiàn)瘦高型，致使其水平向剛度較弱。同時(shí)，在下部泵體支架或者電機(jī)支架上一般都有較大的檢修口，檢修口方向的結(jié)構(gòu)剛度會(huì)進(jìn)一步削弱。

立式泵結(jié)構(gòu)剛度弱引起的振動(dòng)主要體現(xiàn)在水平方向，有檢修開口方向振動(dòng)通常更大。剛度弱會(huì)使結(jié)構(gòu)在較小的激振力下產(chǎn)生較明顯的振動(dòng)。立式泵的激振力來(lái)源主要是轉(zhuǎn)子不平衡力，因此現(xiàn)場(chǎng)多通過精細(xì)動(dòng)平衡手段來(lái)進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)子激振力，從而減小泵體及電機(jī)振動(dòng)幅值。檢修開口方向剛度嚴(yán)重偏弱的，可在開口方向加焊加強(qiáng)筋，增加該方向的結(jié)構(gòu)剛度[3]。

2.2　連接剛度弱

由于軸向支撐面較多，一般在泵體及電動(dòng)機(jī)中間存在一到兩個(gè)支架（泵支架和電動(dòng)機(jī)支架），在接觸不良、連接緊力不夠的情況下，會(huì)出現(xiàn)因連接剛度較弱而引發(fā)的振動(dòng)問題[4]。

從現(xiàn)場(chǎng)處理經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，各支架結(jié)合面、泵座與水泥基礎(chǔ)間的安裝結(jié)合面比較容易出現(xiàn)連接剛度弱化的問題。主要原因有接觸面變形、不平整[5]；泵座基礎(chǔ)不均勻沉降、二次灌漿松動(dòng)[6]；結(jié)合面螺栓連接緊力不足?，F(xiàn)場(chǎng)可以通過測(cè)試結(jié)合面處差異振動(dòng)大小，來(lái)判斷是否存在連接剛度弱的問題[7]。振動(dòng)處理上主要通過檢修手段，消除引起連接剛度弱的因素。在連接剛度較弱時(shí)，動(dòng)平衡手段往往不能達(dá)到較好的效果，且重復(fù)性較差。

2.3　結(jié)構(gòu)共振

近年來(lái)各電廠為節(jié)能增效進(jìn)行的變頻改造，大大地拓寬了立式泵的工作轉(zhuǎn)速區(qū)域，甚至涵蓋了設(shè)備的結(jié)構(gòu)共振區(qū)，導(dǎo)致泵體在某些運(yùn)行頻率下出現(xiàn)結(jié)構(gòu)共振，以至于許多泵組的變頻器無(wú)法正常投運(yùn)，對(duì)機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性均造成了嚴(yán)重影響[7]。

結(jié)構(gòu)共振主要由兩個(gè)方面引起：一是結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)固有頻率未避開運(yùn)行轉(zhuǎn)速區(qū)間；二是因?yàn)檫B接松動(dòng)、裂紋等原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)件的固有頻率下降，落入運(yùn)行轉(zhuǎn)速區(qū)間。從過往統(tǒng)計(jì)來(lái)看，凝泵在運(yùn)行轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)均存在一個(gè)或多個(gè)共振峰值，主要為同步共振及次諧波共振?，F(xiàn)場(chǎng)處理中，在排除連接松動(dòng)及裂紋等故障后，主要通過加固及動(dòng)平衡手段來(lái)進(jìn)行治理[8]。從目前現(xiàn)場(chǎng)治理經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，大部分結(jié)構(gòu)共振問題能夠通過精細(xì)動(dòng)平衡手段，降低轉(zhuǎn)子激振力，使軸系振動(dòng)值降至合格或優(yōu)秀水平[9]。但仍有部分立式泵，由于其存在檢修口的原因，水平兩個(gè)方向共振頻率不一致，而現(xiàn)場(chǎng)平衡位置又非常受限，無(wú)法通過動(dòng)平衡手段來(lái)有效降低共振區(qū)間振動(dòng)水平。對(duì)此，可以結(jié)合模態(tài)分析手段，對(duì)支撐薄弱部位（主要是上下支架）進(jìn)行加固，使其固有頻率高于最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速[10]?；蛘咴谶\(yùn)行中設(shè)定跳躍頻率點(diǎn)及帶寬，避開變頻改造后在共振區(qū)間運(yùn)行[11]。

還有一部分共振問題比較特別。比如雙速改造后的循泵，改造后高速振動(dòng)較大，而低速振動(dòng)較小，主要為2倍頻或者3倍頻成分，一般水平向一個(gè)方向較大，另一個(gè)方向較小。高低速之間僅差10～99r／min，而振動(dòng)值卻可以相差100～200 μm，電機(jī)單轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)也較大。由于主要發(fā)生在雙速改造后，且從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來(lái)看，轉(zhuǎn)速偏差幾轉(zhuǎn)振動(dòng)便會(huì)降至較好，所有經(jīng)常會(huì)誤診，認(rèn)為是電氣改造的影響，為電氣故障所引起。從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)看，這屬于典型的結(jié)構(gòu)共振問題，只是其共振區(qū)間較窄。對(duì)此類問題的處理，一是在頂部進(jìn)行加固，改變固有頻率，增加結(jié)構(gòu)剛度；二是適度改變高速運(yùn)行轉(zhuǎn)速，一般只需轉(zhuǎn)速變化10 r／min左右，振動(dòng)值便能大幅度下降。現(xiàn)場(chǎng)還有些因流體原因引起的共振問題，除殼體加固改變固有頻率外，還應(yīng)從激振力著手，消除流體因素產(chǎn)生的激振力。

3　軸系支撐不穩(wěn)定

立式泵由于軸系較長(zhǎng)，整個(gè)軸系重量全靠電動(dòng)機(jī)上部的推力軸承或者推力瓦承受，部分立式泵在泵基座處設(shè)有單獨(dú)推力軸承。這種結(jié)構(gòu)軸系穩(wěn)定性較差，對(duì)檢修安裝質(zhì)量要求較高。安裝質(zhì)量不到位很容易導(dǎo)致檢修后軸系運(yùn)行不穩(wěn)定，產(chǎn)生振動(dòng)問題。

從結(jié)構(gòu)上，要保證立式泵運(yùn)行平穩(wěn)，必須保證如下幾點(diǎn)：一是各級(jí)臺(tái)板、支架及電動(dòng)機(jī)定子的水平度和垂直度在標(biāo)準(zhǔn)范圍，一般要在0.5 mm／m以內(nèi)[2]，如果水平度不能保證，則轉(zhuǎn)子運(yùn)行中必定出現(xiàn)偏斜，導(dǎo)致不穩(wěn)定；二是要保證推力頭的加工精度高、與軸的配合間隙在標(biāo)準(zhǔn)范圍、絕緣墊及下部彈簧碟片無(wú)磨損，從而保證轉(zhuǎn)子懸掛后保持垂直無(wú)偏斜狀態(tài)[12]。雖然彈簧碟片存在一定的自動(dòng)水平調(diào)整能力，但如果因?yàn)槟p或安裝配合問題，出現(xiàn)較明顯水平度不達(dá)標(biāo)，同樣會(huì)導(dǎo)致明顯的運(yùn)行不平穩(wěn)；三是要保證轉(zhuǎn)子的同心度，要確保轉(zhuǎn)子與靜子的同心度，不能為了調(diào)整空氣間隙偏差而犧牲轉(zhuǎn)子的機(jī)械同心度。從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)看，轉(zhuǎn)子中心偏移100～200 μm，即使同心度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，仍會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子運(yùn)行不穩(wěn)定，出現(xiàn)明顯的振動(dòng)問題；四是要保證軸系各導(dǎo)軸承的配合間隙及導(dǎo)軸承的同心度，要確保各導(dǎo)軸承在同一垂線上對(duì)軸系進(jìn)行有效限位。

從分析處理角度上，軸系運(yùn)行不穩(wěn)定除導(dǎo)致1倍頻振動(dòng)明顯增大外，還會(huì)產(chǎn)生明顯的高次諧波振動(dòng)，對(duì)于轉(zhuǎn)速相對(duì)較高的凝泵，還會(huì)在部分轉(zhuǎn)速區(qū)間激發(fā)出其殼體的固有頻率，引起共振。在振動(dòng)較大時(shí)，帶泵運(yùn)行還會(huì)引起流體紊流，產(chǎn)生明顯的低頻振動(dòng)。一般電動(dòng)機(jī)單轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)明顯振動(dòng)異常，連上泵轉(zhuǎn)子后振動(dòng)進(jìn)一步惡化?，F(xiàn)場(chǎng)較難通過動(dòng)平衡手段使泵振動(dòng)值降至較好水平，且動(dòng)平衡過程會(huì)存在反復(fù)。軸系支撐不穩(wěn)定在運(yùn)行中會(huì)逐步惡化，各導(dǎo)軸承磨損加劇，間隙變大，軸系偏轉(zhuǎn)越來(lái)越厲害，導(dǎo)致檢修間隔周期明顯縮短。

因此，在現(xiàn)場(chǎng)檢修中主要需注意如下幾點(diǎn)：一是檢查基礎(chǔ)是否沉降、二次灌漿是否松動(dòng)、臺(tái)板與基礎(chǔ)接觸是否平整；二是檢查泵支架、電機(jī)支架、電機(jī)定子是否水平；三是檢查推力瓦是否水平，推力瓦及推力頭安裝是否到位，有沒有偏斜的情況；四是檢查轉(zhuǎn)子同心度是否超標(biāo)，各級(jí)導(dǎo)瓦是否在一條垂線上，導(dǎo)瓦間隙是否超標(biāo)。上述各項(xiàng)檢查將決定軸系是否能在一個(gè)與定子同心、垂直的狀態(tài)下平穩(wěn)運(yùn)行。

4　流體因素

流體因素也是引起立式泵振動(dòng)的一個(gè)重要原因，主要是由于設(shè)計(jì)問題、運(yùn)行水位變化、安裝等因素引起。實(shí)際運(yùn)行工況偏離設(shè)計(jì)最優(yōu)工況、水位變化過大、流道設(shè)計(jì)更改不合理、轉(zhuǎn)子偏斜磨損間隙不均勻等，均會(huì)導(dǎo)致流體紊流，流動(dòng)不均勻，水中帶汽等情況出現(xiàn)，使軸系產(chǎn)生明顯振動(dòng)。

對(duì)于大型立式泵來(lái)說，流體因素產(chǎn)生的振動(dòng)主要以葉片通過頻率為主，其倍頻數(shù)與葉片數(shù)吻合，同時(shí)會(huì)存在一定的低頻成分或者較高頻成分。當(dāng)葉片通過頻率與某個(gè)方向固有頻率吻合時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致該方向出現(xiàn)明顯的振動(dòng)。運(yùn)行一段時(shí)間后，大的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致各導(dǎo)軸承磨損，限位不良，軸系不穩(wěn)定，出現(xiàn)較明顯的高次諧波成分，同時(shí)水流紊流還會(huì)出現(xiàn)明顯的低頻成分。

一般新建機(jī)組可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)問題，如設(shè)計(jì)裕量不夠，未充分考慮水位變化，進(jìn)出水管路及流道設(shè)計(jì)不合理[13]，進(jìn)水管堵塞[9]，葉片強(qiáng)度設(shè)計(jì)不合理等，導(dǎo)致運(yùn)行中因流體原因而產(chǎn)生振動(dòng)。而已經(jīng)投產(chǎn)的立式泵，一般與設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)，多與后期運(yùn)行工況變化、磨損、改造、安裝因素有關(guān)。如水位下降較多，偏離設(shè)計(jì)工況；導(dǎo)軸承磨損，軸向偏斜、葉輪磨損，導(dǎo)致流道不均勻；進(jìn)出水管改道，影響進(jìn)出水流的均勻穩(wěn)定；某級(jí)葉輪周向安裝不一致，安裝限位不良，安裝松動(dòng)等，這些均可能導(dǎo)致流體流動(dòng)不穩(wěn)定不均勻，水中帶汽，從而產(chǎn)生明顯的紊流或氣蝕現(xiàn)象。

對(duì)于流體因素引發(fā)的振動(dòng)，檢修中會(huì)發(fā)現(xiàn)各級(jí)導(dǎo)軸承已出現(xiàn)明顯磨損，更換磨損的導(dǎo)軸承后振動(dòng)會(huì)得到一定程度的抑制，但導(dǎo)致流體紊流的根本原因并未消除，運(yùn)行一段時(shí)間后，各導(dǎo)軸承又會(huì)出現(xiàn)快速磨損，振動(dòng)加速變大。因此，應(yīng)從根本上消除產(chǎn)生流體紊流的因素，才能有效治理此類振動(dòng)故障。

5　結(jié)語(yǔ)

從大型立式泵的結(jié)構(gòu)特性著手，結(jié)合變頻改造的影響，對(duì)大型立式泵產(chǎn)生振動(dòng)的原因進(jìn)行歸納分析，并從現(xiàn)場(chǎng)分析及處理角度提供相應(yīng)的建議。為該類型水泵的檢修、維護(hù)及振動(dòng)分析處理提供參考。

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