技術(shù)難題：泵振動(dòng)原因及其消除措施

    振動(dòng)是評(píng)價(jià)水泵機(jī)組運(yùn)行可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)。振動(dòng)超標(biāo)的危害主要有:振動(dòng)造成泵機(jī)組不能正常運(yùn)行;引發(fā)電機(jī)和管路的振動(dòng)，造成機(jī)毀人傷;造成軸承等零部件的損壞;造成連接部件松動(dòng)，基礎(chǔ)裂紋或電機(jī)損壞;造成與水泵連接的管件或閥門松動(dòng)、損壞;形成振動(dòng)噪聲。

    引起泵振動(dòng)的原因是多方面的。泵的轉(zhuǎn)軸一般與驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸直接相連，使得泵的動(dòng)態(tài)性能和電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能相互干涉;高速旋轉(zhuǎn)部件多，動(dòng)、靜平衡沐能滿足要求;與流體作用的部件受水流狀況影響較大;流體運(yùn)動(dòng)本身的復(fù)雜性，也是限制泵動(dòng)態(tài)性能穩(wěn)定性的一個(gè)因素。

    1對(duì)引起泵振動(dòng)原因的分析

    1.1電機(jī)

    電機(jī)結(jié)構(gòu)件松動(dòng)，軸承定位裝置松動(dòng)，鐵芯硅鋼片過松，軸承因磨損而導(dǎo)致支撐剛度下降，會(huì)引起振動(dòng)。質(zhì)量偏心，轉(zhuǎn)子彎曲或質(zhì)量分布問題導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均，造成靜、動(dòng)平衡量超標(biāo)川。另外，鼠籠式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的鼠籠籠條有斷裂，造成轉(zhuǎn)子所受的磁場(chǎng)力和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)慣性力不平衡而引起振動(dòng)，電機(jī)缺相，各相電源不平衡等原因也能引起振動(dòng)。電機(jī)定子繞組，由于安裝工序的操作質(zhì)量問題，造成各相繞組之間的電阻不平衡，因而導(dǎo)致產(chǎn)生的磁場(chǎng)不均勻，產(chǎn)生了不平衡的電磁力，這種電磁力成為激振力引發(fā)振動(dòng)。

    1.2基礎(chǔ)及泵支架

    驅(qū)動(dòng)裝置架與基礎(chǔ)之間采用的接觸固定形式不好，基礎(chǔ)和電機(jī)系統(tǒng)吸收、傳遞、隔離振動(dòng)能力差，導(dǎo)致基礎(chǔ)和電機(jī)的振動(dòng)都超標(biāo)。水泵基礎(chǔ)松動(dòng)，或者水泵機(jī)組在安裝過程中形成彈性基礎(chǔ)，或者由于油浸水泡造成基礎(chǔ)剛度減弱，水泵就會(huì)產(chǎn)生與振動(dòng)相位差1800的另一個(gè)臨界轉(zhuǎn)速，從而使水泵振動(dòng)頻率增加，如果增加的頻率與某一外在因素頻率接近或相等，就會(huì)使水泵的振幅加大。另外，基礎(chǔ)地腳螺栓松動(dòng)，導(dǎo)致約束剛度降低，會(huì)使電機(jī)的振動(dòng)加劇。

    1.3聯(lián)軸器

    聯(lián)軸器連接螺栓的周向間距**，對(duì)稱性被破壞;聯(lián)軸器加長(zhǎng)節(jié)偏心，將會(huì)產(chǎn)生偏心力;聯(lián)軸器錐面度超差;聯(lián)軸器靜平衡或動(dòng)平衡不好;彈性銷和聯(lián)軸器的配合過緊，使彈性柱銷失去彈性調(diào)節(jié)功能造成聯(lián)軸器不能很好地對(duì)中;聯(lián)軸器與軸的配合間隙太大;聯(lián)軸器膠圈的機(jī)械磨損導(dǎo)致的聯(lián)軸器膠圈配合性能下降;聯(lián)軸器上使用的傳動(dòng)螺栓質(zhì)量互相不等。這些原因都會(huì)造成振動(dòng)。

    1.4葉輪

    ①葉輪質(zhì)量偏心。葉輪制造過程中質(zhì)量控制不好，比如，鑄造質(zhì)量、加工精度不合格;或者輸送的液體帶有腐蝕性，葉輪流道受到?jīng)_刷腐蝕，導(dǎo)致葉輪產(chǎn)生偏心。

    ②葉輪的葉片數(shù)、出口角、包角、喉部隔舌與葉輪出口邊的徑向距離是否合適等。

    ③使用中葉輪口環(huán)與泵體口環(huán)之間、級(jí)間襯套與隔板襯套之間，由*初的碰摩，逐漸變成機(jī)械摩擦磨損，這些將會(huì)加劇泵的振動(dòng)。

    1.5傳動(dòng)軸及其輔助件

    軸很長(zhǎng)的泵，易發(fā)生軸剛度不足，撓度太大，軸系直線度差的情況，造成動(dòng)件(傳動(dòng)軸)與靜件(滑動(dòng)軸承或口環(huán))之間碰摩，形成振動(dòng)。另外，泵軸太長(zhǎng)，受水池中流動(dòng)水沖擊的影響較大，使泵水下部分的振動(dòng)加大。軸端的平衡盤間隙過大，或者軸向的工作竄動(dòng)量調(diào)整不當(dāng)，會(huì)造成軸低頻竄動(dòng)，導(dǎo)致軸瓦振動(dòng)。旋轉(zhuǎn)軸的偏心，會(huì)導(dǎo)致軸的彎曲振動(dòng)。

    1.6泵的選型和變工況運(yùn)行

    每臺(tái)泵都有自己的額定工況點(diǎn)，實(shí)際的運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況是否符合，對(duì)泵的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性有重要的影響。水泵在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行比較穩(wěn)定，但在變工況下運(yùn)行時(shí)，由于葉輪中產(chǎn)生徑向力的作用，振動(dòng)有所加大;單泵選型不當(dāng)，或是兩種型號(hào)不匹配的泵并聯(lián)。這些都會(huì)造成泵的振動(dòng)。

    1.7軸承及潤(rùn)滑

    軸承的剛度太低，會(huì)造成**臨界轉(zhuǎn)速降低，引起振動(dòng)。另外，導(dǎo)軸承性能閉**導(dǎo)致耐磨性差,固定不好，軸瓦間隙過大，也容易造成振動(dòng);而推力軸承和其他的滾動(dòng)軸承的磨損，則會(huì)使軸的縱向竄動(dòng)振動(dòng)以及彎曲振動(dòng)同時(shí)加劇。潤(rùn)滑油選型不當(dāng)、變質(zhì)、雜質(zhì)含量超標(biāo)及潤(rùn)滑管道不暢而導(dǎo)致的潤(rùn)滑故障,都會(huì)造成軸承工況惡化，引發(fā)振動(dòng)。電動(dòng)機(jī)滑動(dòng)軸承油膜的自激也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。

    1.8管道及其安裝固定

    泵的出口管道支架剛度不夠，變形太大，造成管道下壓在泵體上，使得泵體和電機(jī)的對(duì)中性破壞;管道在安裝過程中較勁太大，進(jìn)出口管路與泵連接時(shí)內(nèi)應(yīng)力大;進(jìn)、出口管線松動(dòng)，約束剛度下降甚至失效;出口流道部分全部斷裂，碎片卡人葉輪;管路不暢，如出水口有氣囊;出水閥門掉板，或沒有開啟;進(jìn)水口有進(jìn)氣，流場(chǎng)不均，壓力波動(dòng)。這些原因都會(huì)直接或者間接地導(dǎo)致泵和管路的振動(dòng)。

    1.9零部件間的配合

    電機(jī)軸和泵軸同心度超差;電機(jī)和傳動(dòng)軸的連接處使用了聯(lián)軸器，聯(lián)軸器同心度超差;動(dòng)、靜零部件之間(如葉輪毅和口環(huán)之間)的設(shè)計(jì)間隙的磨損變大;中間軸承支架與泵筒體間隙超標(biāo);密封圈間隙不合適，造成了不平衡;密封環(huán)周圍的間隙不均勻，比如口環(huán)未人槽或者隔板未人槽，就會(huì)發(fā)生這種情況。這些不利因素都能造成振動(dòng)。

    1.10水泵自身的因素

    葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的非對(duì)稱壓力場(chǎng);吸水池和進(jìn)水管渦流;葉輪內(nèi)部以及渦殼、導(dǎo)流葉片漩渦的發(fā)生及消失;閥門半開造成漩渦而產(chǎn)生的振動(dòng);由于葉輪葉片數(shù)有限而導(dǎo)致的出口壓力分布不均;葉輪內(nèi)的脫流;喘振;流道內(nèi)的脈動(dòng)壓力;汽蝕;水在泵體中流動(dòng)，對(duì)泵體會(huì)有摩擦和沖擊，比如水流撞擊隔舌和導(dǎo)流葉片的前緣，造成振動(dòng);輸送高溫水的鍋爐給水泵易發(fā)生汽蝕振動(dòng);泵體內(nèi)壓力脈動(dòng)，主要是泵葉輪密封環(huán),泵體密封環(huán)的間隙過大，造成泵體內(nèi)泄漏損失大，回流嚴(yán)重，進(jìn)而造成轉(zhuǎn)子軸向力的不平衡和壓力脈動(dòng)，會(huì)增強(qiáng)振動(dòng)。另外，對(duì)于輸送熱水的泵，如果啟動(dòng)前泵的預(yù)熱不均，或者水泵滑動(dòng)銷軸系統(tǒng)的工作不正常，造成泵組的熱膨脹，會(huì)誘發(fā)啟動(dòng)階段的劇烈振動(dòng);泵體來自熱膨脹等方面的內(nèi)應(yīng)力不能釋放，則會(huì)引起轉(zhuǎn)軸支撐系統(tǒng)剛度的變化，當(dāng)變化后的剛度與系統(tǒng)角頻率成整倍數(shù)關(guān)系時(shí)，就發(fā)生共振。

    2減輕振動(dòng)的措施

    2.1從設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)消除振動(dòng)

    2.1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面注意的問題

    1)軸的設(shè)計(jì)。增加傳動(dòng)軸支撐軸承的數(shù)目，減小支撐間距,在適當(dāng)范圍內(nèi)減小軸長(zhǎng)，適當(dāng)加大軸的直徑，增加軸的剛度;當(dāng)泵軸轉(zhuǎn)速逐漸增加并接近或整數(shù)倍于泵轉(zhuǎn)子的固有振動(dòng)頻率時(shí)，泵就會(huì)猛烈振動(dòng)起來，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使傳動(dòng)軸的固有頻率避開電機(jī)轉(zhuǎn)子角頻率;提高軸的制造質(zhì)量，防止質(zhì)量偏心和過大的形位公差。

    2)滑動(dòng)軸承的選擇。采用無須潤(rùn)滑的滑動(dòng)軸承;在液態(tài)烴等化工泵中，滑動(dòng)軸承材料應(yīng)采用具有良好自潤(rùn)滑性能的材料，比如聚四氟乙烯;在深井熱水泵中，導(dǎo)流襯套選擇填充聚四氟乙烯、石墨和銅粉的材質(zhì)，并合理設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)，使滑動(dòng)軸承的固定可靠;葉輪密封環(huán)和泵體密封環(huán)處采用摩擦因數(shù)小的摩擦副，比如M20lK石墨材料一鋼;限制*高轉(zhuǎn)速;提高軸瓦承載能力及軸承座的剛度。

    3)使用應(yīng)力釋放系統(tǒng)。對(duì)于輸送熱水的泵，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使由泵體變形而引起的連接件之間的結(jié)構(gòu)應(yīng)力得以釋放，比如在泵體地腳螺栓上面增加螺栓套，避免泵體直接和剛度很大的基礎(chǔ)接觸。
2.12水泵的水力設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

    1)合理地設(shè)計(jì)水泵葉輪及流道，使葉輪內(nèi)少發(fā)生汽蝕和脫流;合理選擇葉片數(shù)、葉片出口角、葉片寬度、葉片出口排擠系數(shù)等參數(shù)，消除揚(yáng)程曲線駝峰;泵葉輪出口與蝸殼隔舌的距離，有資料認(rèn)為該值為葉輪外徑的十分之一時(shí)，脈動(dòng)壓力*小;把葉片的出口邊緣做出傾角(比如做成20。左右)，來減小沖擊;保證葉輪與蝸殼之間的間隙;提高泵的工作效率。同時(shí)，對(duì)泵的出水流道等相關(guān)流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少水力損失引起的振動(dòng)。合理設(shè)計(jì)各種泵的進(jìn)水段處的吸入室，以及壓縮級(jí)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，減少壓力脈沖，可以保證流場(chǎng)穩(wěn)定，提高泵的工作效率，減小能量損失，也可以提高泵的振動(dòng)動(dòng)態(tài)性能的穩(wěn)定性。

    2)汽蝕振動(dòng)是泵振動(dòng)的很重要的一部分。當(dāng)泵的人口壓力低于相應(yīng)水溫下的和壓力時(shí)，會(huì)發(fā)生伴隨劇烈振動(dòng)的汽蝕。減小汽蝕的措施包括:確定水泵的安裝高度時(shí)，使裝置的有效汽蝕余量大于泵的*小裝置汽蝕余量;適當(dāng)加大進(jìn)水管直徑，縮短進(jìn)水管長(zhǎng)度，減少管路附件，通流部分?jǐn)嗝孀兓柿η?小，提高管壁的粗糙度;減少彎頭數(shù)目和加大管道轉(zhuǎn)彎角度;降低水泵的工作轉(zhuǎn)速;采用抗空化汽蝕的材料，比如不銹鋼，或在容易發(fā)生汽蝕的部位涂環(huán)氧樹脂;進(jìn)水流道設(shè)計(jì)要合理，力求平滑，使進(jìn)人葉輪的水流速度和壓力分布均勻，避免局部低壓區(qū);提高制造加工質(zhì)量，避免因?yàn)槿~片型線不準(zhǔn)確造成局部流速過大，壓降過多;提高泵裝置的抗汽蝕性能，包括在泵的進(jìn)口處設(shè)置水力增能器，增能器的結(jié)構(gòu)，提高泵的吸人壓頭，從而提高泵裝置汽蝕余量;增加幾何倒灌高度;盡量減少進(jìn)水管路水頭損失;采用雙吸式泵。

    為了保證吸水管或壓水管內(nèi)無空氣積存，吸水管的任何部分都不能高過水泵的進(jìn)口。為了減小人水口處的壓力脈動(dòng)，吸水管路直徑應(yīng)比泵人口直徑大一個(gè)尺寸數(shù)量級(jí)，以便水流在泵人口處有一定的收縮，使流速分布比較均勻，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)在泵人口前有一段直管，直管長(zhǎng)度不小于管路直徑的10倍。

    注意創(chuàng)造良好進(jìn)水條件，進(jìn)水池內(nèi)水流要平穩(wěn)均勻，以消除伴隨卡門渦旋的振動(dòng)。

    3)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。基礎(chǔ)的重量應(yīng)為泵和電機(jī)等機(jī)械重量總合的三倍以上;盛水池的基礎(chǔ)應(yīng)具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度;電機(jī)支架與基礎(chǔ)*好做成一體或做成面接觸;在泵和支架之間設(shè)置隔振墊或隔振器。另外，在管路之間采用減振材料連接，減少管路布置，可以消除彈性接觸和水力損失帶來的振動(dòng)。

    2.2從安裝和維護(hù)過程消除振動(dòng)

    1)軸和軸系。安裝前檢查水泵軸、電機(jī)軸、傳動(dòng)軸有沒有彎曲變形、質(zhì)量偏心的情況，若有，則必須矯正或者進(jìn)一步加工;檢查與導(dǎo)軸承接觸的傳動(dòng)軸，是否因彎曲而摩擦軸瓦或襯套而使自己受激力。如果監(jiān)測(cè)表明，軸實(shí)際上已經(jīng)彎曲了，則矯正泵軸。同時(shí)，檢查軸的端間隙值，若該值過大，則表明軸承已磨損，需更換軸承。

    2)葉輪。動(dòng)、靜平衡是否合格。

    3)聯(lián)軸器。螺栓間距是否良好;彈性柱銷和彈性套圈結(jié)合不能過緊;聯(lián)軸器內(nèi)孔與軸的配合是否過松，若太松，可采用諸如噴涂的方法來減小聯(lián)軸器內(nèi)徑直至其達(dá)到過渡配合所要求的尺寸，而后將聯(lián)軸器固定在軸上。

    4)滑動(dòng)軸承。間隙值是否符合標(biāo)準(zhǔn);各處潤(rùn)滑是否良好;提高泵的軸瓦檢修工藝水平，嚴(yán)格遵循先刮瓦、后研磨、再刮瓦的循環(huán)程序，保證軸瓦與軸頸的接觸面積達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)：

    ①泵軸頸與軸承間隙值，通過更換前后軸承、研磨、刮瓦、調(diào)整等手段達(dá)到合格。

    ②泵軸承體與軸承箱球面頂間隙值合格。③泵軸軸承下瓦

    和泵軸軸頸接觸點(diǎn)及接觸角度:標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下瓦背與軸承座接觸面積應(yīng)在60%以上，軸頸處滑動(dòng)接觸面上的接觸點(diǎn)密度保持在每平方厘米2一4個(gè)點(diǎn)，接觸角度保持在60“一90”。

    5)支架和底板。及時(shí)發(fā)現(xiàn)有振動(dòng)的支撐件的疲勞情況，防止因?yàn)閺?qiáng)度和剛度降低造成固有頻率下降。

    6)間隙和易損件。保證電機(jī)軸承間隙合適;適當(dāng)調(diào)整葉輪與渦殼之間的間隙;定期檢查、更換葉輪口環(huán)、泵體口環(huán)、級(jí)間襯套、隔板襯套等易磨損零件。

    2.3消除由于泵的選型和操作不當(dāng)引起的振動(dòng)

    兩泵并聯(lián)應(yīng)保證泵性能相同。泵性能曲線應(yīng)為緩降型為好，不能有駝峰。使用時(shí)要注意:消除導(dǎo)致水泵超載的因素，比如流道堵塞;適當(dāng)延長(zhǎng)泵的啟時(shí)間，減小對(duì)傳動(dòng)軸的擾動(dòng)，減小轉(zhuǎn)動(dòng)部件和靜止零件之間的碰撞和摩擦，以及由此引起的熱變形;對(duì)于水潤(rùn)滑的滑動(dòng)軸承，啟動(dòng)過程中應(yīng)加足預(yù)潤(rùn)滑水，避免干啟動(dòng)，直至水泵出水后再停止注水;定期向需要注油的軸承適量注油;對(duì)于長(zhǎng)軸液下離心泵，因?yàn)檩S系存在著扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，若使用的有推力瓦，則受損傷的主要是推力瓦，這時(shí)可以適當(dāng)提高潤(rùn)滑油的粘度，防止液體動(dòng)壓潤(rùn)滑膜的破壞。*后，為了防止泵的振幅過大，還可以使用測(cè)量分析振動(dòng)狀況來確定水泵的*佳工作參數(shù)。

    3結(jié)論

    泵振動(dòng)的誘因包括機(jī)械的、水力的和電力的原因。

    振動(dòng)控制綜合反映了機(jī)械加工工藝、機(jī)械安裝人員的操作水平、水泵操作人員的素質(zhì)、水力設(shè)計(jì)軟件的功能、各部分材料性能狀況、監(jiān)測(cè)儀器的性能。實(shí)際工作中，排除振動(dòng)要結(jié)合經(jīng)驗(yàn)和理論分析，將振動(dòng)機(jī)理分析和實(shí)際檢測(cè)儀器得到的數(shù)據(jù)結(jié)合起來。很多振動(dòng)可以通過提高設(shè)計(jì)和安裝質(zhì)量，提高操作水平，加強(qiáng)日常維護(hù)予以消除。伴隨著新材料技術(shù)的發(fā)展和新工藝的出現(xiàn)，以及電子計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)值方法和流體力學(xué)基礎(chǔ)理論的進(jìn)步，加上振動(dòng)噪聲診斷技術(shù)的興起和發(fā)展，水泵的設(shè)計(jì)、使用、維護(hù)水平必將蒸蒸日上，性能也一定會(huì)日趨優(yōu)化，動(dòng)態(tài)性能也會(huì)日趨穩(wěn)定。