对深井潜水泵的振动故障原因解析
2018-02-23 17:37:43
泵站由2个内径18m，深31m的深井及上部厂房构成。水经4根Dg1200管道进人深井，深井上部在截面为1450mm×410mm的钢筋(英文：steel bar)混凝土框架梁上安有30JD-19x3型防砂深井潜水泵20台。我们在经过长时间的安装及维护检修过程(guò chéng)中，对其振动的原因作了一些探索。
一、深井潜水泵有关技术性能参数
型号：30JD-19x3，三级叶轮
流量：1450m3/h
传动轴长：24.94m，共9根轴
泵轴径：0 80mm
泵轴材料品质：40Cr
转速：985r/min
推力瓦油温：<50℃
冷却水压（特指：压强）力：0.8MPa
扬水管内径：500mm
扬程：80m
橡胶轴承润滑介质(起决定作用的物质)：清水
不含电机时单机重：14t
立式电机型号JKL15-6
额定功率（指物体在单位时间内所做的功的多少）：500kW
额定电压：6000V
额定电流：60A
电机转子转动惯量：58kg·m2
电机重：4t
马达及泵体垂直与水平方向允许振幅值：<0.l0mm
此深井潜水泵要求水质含沙量不大于0.1%，粒度不大于0.2mm，且水泵的第一级叶轮（指装有动叶的轮盘）应浸人动水位lm以下。目前在七、八月洪水期间深井潜水泵抽取水含沙量最高已接近20%。
二、振动故障的判断
泵与电机运转中发生振动，在有条件时，首先应断开两者之间的联轴器（Coupling），分析(Analyse)振源是来自于泵还是电机，并仔细检查立式电机底座与泵的连接固定螺栓是否拧紧，安装后的水平度是否超差。
1.电机振动源及判别
(1)转子工作转速是否接近临界转速。上海凯泉泵业集团有限公司性能的技术参数有流量、吸程、 扬程、轴功率、水功率、效率等；根据不同的工作原理可分为 容积水泵、叶片泵等类型。 容积泵是利用其工作室容积的变化来传递能量； 叶片泵是利用回转叶片与水的相互作用来传递能量，有 离心泵、 轴流泵和 混流泵等类型。可以通过计算电机轴的扭转刚度及电机扭振频率是否同电机临界转速、泵角频率及电网频率接近产生共振。尤其是第一次使用的电机，发生振动故障时，要进行分析计算。电机转子的工作转速应至少低于临界转速25%或高于临界转速40%左右。在分析时还要考虑到电机转子的质量不能简化成集中质量情况，而是沿转轴分布，因而分析临界转速时应分析到二阶和三阶等主要临界转速。
(2)电机转子的不平衡。
马达转子（rotor）的不平衡是最主要和常见的振动原因，如：17#、19#电机，用速度测振仪(位移计)测得电机振动速度为9.8-l0mm/s，对照IS02372振动速度标准， III类机械应小于4.5mm/s，而在9.8-l0mm/s状态下，用测振仪测得电机振幅值达到.30mm。为了摸清电机转子的不平衡程度，我们在现场制作了两副钢架分别架设两条平行钢轨(要注意钢架应有足够的刚度)，钢轨上表面处理(chǔ lǐ)成光滑洁面，用水平仪配合将钢轨面调整水平并固定(fixed)。巡查时将电机转子置于两条钢轨之上，用手推动转子来回滚动多次，每次待其静止后，在转子下面作上标记。用粘性物粘贴在偏重位置的对称点上，再对转子进行多次转动直至转子在随意位置都能停止时，确认电机转子已达到静平衡状态。以等效质量取代粘贴物，完成电机转子的平衡工作。如采用上述方法仍不能解决问题时，就需要将电机转子作动平衡检验。上述两台电机即在转子一侧增加45-5g平衡重量后，振幅值减至0.05mm，用位移计测得振动速度值在2.1 mm/s左右。
(3)对已正常使用过一段时间的电机，其振动原因要巡查轴承间隙是否过大，转轴座固定(fixed)螺钉是否松动，转轴是否有磨损和弯曲或某一部分绕组短路、气隙不均，转子与定子间环形间隙不均匀一般不得超过10%。
特别值得注意的是，电机振幅值在接近标准值时，即认为还在合格范围内的情况下，带负荷以后往往电机振幅值将超标，这是因为整个深井潜水泵传动系统(system)振动的因素是相互影响(influence)并共同作用的结果。
2.泵体振源及判断
(1)泵安装及装配偏差引起的振动。泵体及推力瓦在安装后的水平度和扬水管的垂直度超差将引起泵体的振动，同时这三个控制（control)值又有一定关联。泵体安装完后，扬水管及泵头(不包括滤网)总长为26m，均为悬空挂置，如果扬水管垂直度偏差过大，在泵转动中必将造成扬水管及轴等剧烈振动。扬水管垂直度超差过大还将在泵运转过程中产生交变应力，引起扬水管的断裂。深井潜水泵装配完后，扬水管在总长度范围内，垂直度偏差应控制在士2mm。泵的纵横向水平误差< 0.05/l000mm。对泵头叶轮静平衡允差不大于10g，组合安装完后应有8-12mm上下串动间隙。安装及装配间隙误差是造成泵体振动的重要原因。
(2)传动轴的涡动。上海凯泉由于叶轮进口不可能形成绝对真空，因此离心泵吸水高度不能超过10米，加上水流经吸水管路带来的沿程损失，实际允许安装高度（水泵轴线距吸入水面的高度）远小于10米。涡动又称 ;甩转 ；是旋转轴发生的一种自激振动，它既不具有自由振动的特征，也不属受迫振动的类型。它的特征是轴在轴承(bearing)间表现为回转运动，这种振动并不是在转轴到达临界转速时发生，而是在较大范围内发生且与转轴本身的转速关系较少。深井潜水泵的甩转主要由轴承润滑不充分引起，如果轴与轴承间的问隙较大，则回转运动方向与轴的转动方向相反，这种情况又称轴的抖动。特别是深井潜水泵传动轴很长，橡胶轴承和轴的配合间隙为0.20-0. 30mm，当轴与轴承存在一定间隙，轴与轴承不同心，中心距较大，间隙中又缺乏润滑时，例如深井潜水泵橡胶轴承的润滑供水管断裂、堵塞、误操作造成供水不充分或不及时等情况下，更易出现抖动。在某一瞬时转动着的轴颈与橡胶轴承在一点接触，轴颈受到轴承给它的切向力，设力作用方向与轴的转速的方向相反，将此力向轴心平移，其力学效应相当于一个反时针方向的转矩和一个作用在轴颈中心的力，这个力平行于轴承壁接触点的切线方向，并且有使轴颈下移的趋势，因此轴颈将沿轴承壁作纯滚动，相当于一副内齿轮，这样就形成与轴旋转方向相反的回转运动。
这已被我们在日常运转中的情况所证实，这种情况持续时间稍长还会使橡胶轴承(bearing)烧损。
(3)超负荷引起的振动。泵体推力瓦采用锡基巴氏合金，其允许负载为18MPa(180kgf/cm2)。泵体在起动时，推力瓦的润滑处于边界润滑状态。在泵体出水口处分别安装有电动蝶阀和手动闸阀。在泵起动同时打开电动蝶阀，由于淤沙沉积造成阀板(由底板、梁等整体组成)无法开启或人为因素造成手动闸阀关闭，排气不及时等，必将造成泵体的剧烈振动，并很快烧损推力瓦，如15#、17#泵即是如此。
(4)出口湍流振动。在泵出口依次设置Dg500短管、止逆阀、电动蝶阀、手动阀、主管及水锤消除器，水的紊流运动产生无规则的脉动现象，加上各阀的阻挡，局部阻力较大，引起动量的变化及压力的变化，作用于管壁上及泵体上使其振动，这可以观察压力表数值的脉动现象来说明。紊流中脉动变化的压力和速度场不断传递给泵体能量，当紊流的主频率(frequency)与深井潜水泵系统的固有频率相近时，系统就要吸收能量并引起振动。为减少这种振动影响，阀门应完全开启，短管应有相应长度并加设支座。按此处理后，振动值明显减小。
(5)深井潜水泵的扭振。长轴深井潜水泵与电机的联接采用弹性联轴器（Coupling），传动轴总长24.94m。在泵运转中，存在着不同角频率的主振动的叠加。角频率不同的两个简谐振动合成后的结果不一定是简谐振动，即泵体内部存在两自由度的扭转振动，这是不可避免的。这种振动主要影响和损害推力瓦。因此在保证每块平面推力瓦有相应的进油油楔情况下，我们将原设备(shèbèi)随机说明书中规定的68#机油改换成100#机油，提高推力瓦润滑油的粘度，使推力瓦油液动压润滑膜的形成和保持不被破坏。
(6)装在同一根梁上的泵相互影响引起的振动。深井潜水泵及电机是安装在两根截面为1450mm x 410mm的钢筋混凝土框架梁上的，每台泵与电机的集中质量达18t，两台相邻泵在同一框架梁上的运转振动，这又是一个两自由度的振动系统，当其中一台电机振动严重超标在不带负载试运转时，即弹性联轴器不连接而空转电机时，另一台正常运转泵的电机振幅值升至0.15mm左右，此种情况不易被察觉，应引起注意。