對深井潛水泵的振動故障原因解析
2018-02-23 17:37:43
泵站由2個內徑18m，深31m的深井及上部廠房構成。水經4根Dg1200管道進人深井，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。我們在經過長時間的安裝及維護檢修過程(guò chéng)中，對其振動的原因作了一些探索。
一、深井潛水泵有關技術性能參數
型號：30JD-19x3，三級葉輪
流量：1450m3/h
傳動軸長：24.94m，共9根軸
泵軸徑：0 80mm
泵軸材料品質：40Cr
轉速：985r/min
推力瓦油溫：<50℃
冷卻水壓（特指：壓強）力：0.8MPa
揚水管內徑：500mm
揚程：80m
橡膠軸承潤滑介質(起決定作用的物質)：清水
不含電機時單機重：14t
立式電機型號JKL15-6
額定功率（指物體在單位時間內所做的功的多少）：500kW
額定電壓：6000V
額定電流：60A
電機轉子轉動慣量：58kg·m2
電機重：4t
馬達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含沙量不大于0.1%，粒度不大于0.2mm，且水泵的第一級葉輪（指裝有動葉的輪盤）應浸人動水位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、振動故障的判斷
泵與電機運轉中發生振動，在有條件時，首先應斷開兩者之間的聯軸器（Coupling），分析(Analyse)振源是來自于泵還是電機，并仔細檢查立式電機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.電機振動源及判別
(1)轉子工作轉速是否接近臨界轉速。上海凱泉泵業集團有限公司性能的技術參數有流量、吸程、 揚程、軸功率、水功率、效率等；根據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傳遞能量； 葉片泵是利用回轉葉片與水的相互作用來傳遞能量，有 離心泵、 軸流泵和 混流泵等類型。可以通過計算電機軸的扭轉剛度及電機扭振頻率是否同電機臨界轉速、泵角頻率及電網頻率接近產生共振。尤其是第一次使用的電機，發生振動故障時，要進行分析計算。電機轉子的工作轉速應至少低于臨界轉速25%或高于臨界轉速40%左右。在分析時還要考慮到電機轉子的質量不能簡化成集中質量情況，而是沿轉軸分布，因而分析臨界轉速時應分析到二階和三階等主要臨界轉速。
(2)電機轉子的不平衡。
馬達轉子（rotor）的不平衡是最主要和常見的振動原因，如：17#、19#電機，用速度測振儀(位移計)測得電機振動速度為9.8-l0mm/s，對照IS02372振動速度標準， III類機械應小于4.5mm/s，而在9.8-l0mm/s狀態下，用測振儀測得電機振幅值達到.30mm。為了摸清電機轉子的不平衡程度，我們在現場制作了兩副鋼架分別架設兩條平行鋼軌(要注意鋼架應有足夠的剛度)，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整水平并固定(fixed)。巡查時將電機轉子置于兩條鋼軌之上，用手推動轉子來回滾動多次，每次待其靜止后，在轉子下面作上標記。用粘性物粘貼在偏重位置的對稱點上，再對轉子進行多次轉動直至轉子在隨意位置都能停止時，確認電機轉子已達到靜平衡狀態。以等效質量取代粘貼物，完成電機轉子的平衡工作。如采用上述方法仍不能解決問題時，就需要將電機轉子作動平衡檢驗。上述兩臺電機即在轉子一側增加45-5g平衡重量后，振幅值減至0.05mm，用位移計測得振動速度值在2.1 mm/s左右。
(3)對已正常使用過一段時間的電機，其振動原因要巡查軸承間隙是否過大，轉軸座固定(fixed)螺釘是否松動，轉軸是否有磨損和彎曲或某一部分繞組短路、氣隙不均，轉子與定子間環形間隙不均勻一般不得超過10%。
特別值得注意的是，電機振幅值在接近標準值時，即認為還在合格范圍內的情況下，帶負荷以后往往電機振幅值將超標，這是因為整個深井潛水泵傳動系統(system)振動的因素是相互影響(influence)并共同作用的結果。
2.泵體振源及判斷
(1)泵安裝及裝配偏差引起的振動。泵體及推力瓦在安裝后的水平度和揚水管的垂直度超差將引起泵體的振動，同時這三個控制（control)值又有一定關聯。泵體安裝完后，揚水管及泵頭(不包括濾網)總長為26m，均為懸空掛置，如果揚水管垂直度偏差過大，在泵轉動中必將造成揚水管及軸等劇烈振動。揚水管垂直度超差過大還將在泵運轉過程中產生交變應力，引起揚水管的斷裂。深井潛水泵裝配完后，揚水管在總長度范圍內，垂直度偏差應控制在士2mm。泵的縱橫向水平誤差< 0.05/l000mm。對泵頭葉輪靜平衡允差不大于10g，組合安裝完后應有8-12mm上下串動間隙。安裝及裝配間隙誤差是造成泵體振動的重要原因。
(2)傳動軸的渦動。上海凱泉由于葉輪進口不可能形成絕對真空，因此離心泵吸水高度不能超過10米，加上水流經吸水管路帶來的沿程損失，實際允許安裝高度（水泵軸線距吸入水面的高度）遠小于10米。渦動又稱 ;甩轉 ；是旋轉軸發生的一種自激振動，它既不具有自由振動的特征，也不屬受迫振動的類型。它的特征是軸在軸承(bearing)間表現為回轉運動，這種振動并不是在轉軸到達臨界轉速時發生，而是在較大范圍內發生且與轉軸本身的轉速關系較少。深井潛水泵的甩轉主要由軸承潤滑不充分引起，如果軸與軸承間的問隙較大，則回轉運動方向與軸的轉動方向相反，這種情況又稱軸的抖動。特別是深井潛水泵傳動軸很長，橡膠軸承和軸的配合間隙為0.20-0. 30mm，當軸與軸承存在一定間隙，軸與軸承不同心，中心距較大，間隙中又缺乏潤滑時，例如深井潛水泵橡膠軸承的潤滑供水管斷裂、堵塞、誤操作造成供水不充分或不及時等情況下，更易出現抖動。在某一瞬時轉動著的軸頸與橡膠軸承在一點接觸，軸頸受到軸承給它的切向力，設力作用方向與軸的轉速的方向相反，將此力向軸心平移，其力學效應相當于一個反時針方向的轉矩和一個作用在軸頸中心的力，這個力平行于軸承壁接觸點的切線方向，并且有使軸頸下移的趨勢，因此軸頸將沿軸承壁作純滾動，相當于一副內齒輪，這樣就形成與軸旋轉方向相反的回轉運動。
這已被我們在日常運轉中的情況所證實，這種情況持續時間稍長還會使橡膠軸承(bearing)燒損。
(3)超負荷引起的振動。泵體推力瓦采用錫基巴氏合金，其允許負載為18MPa(180kgf/cm2)。泵體在起動時，推力瓦的潤滑處于邊界潤滑狀態。在泵體出水口處分別安裝有電動蝶閥和手動閘閥。在泵起動同時打開電動蝶閥，由于淤沙沉積造成閥板(由底板、梁等整體組成)無法開啟或人為因素造成手動閘閥關閉，排氣不及時等，必將造成泵體的劇烈振動，并很快燒損推力瓦，如15#、17#泵即是如此。
(4)出口湍流振動。在泵出口依次設置Dg500短管、止逆閥、電動蝶閥、手動閥、主管及水錘消除器，水的紊流運動產生無規則的脈動現象，加上各閥的阻擋，局部阻力較大，引起動量的變化及壓力的變化，作用于管壁上及泵體上使其振動，這可以觀察壓力表數值的脈動現象來說明。紊流中脈動變化的壓力和速度場不斷傳遞給泵體能量，當紊流的主頻率(frequency)與深井潛水泵系統的固有頻率相近時，系統就要吸收能量并引起振動。為減少這種振動影響，閥門應完全開啟，短管應有相應長度并加設支座。按此處理后，振動值明顯減小。
(5)深井潛水泵的扭振。長軸深井潛水泵與電機的聯接采用彈性聯軸器（Coupling），傳動軸總長24.94m。在泵運轉中，存在著不同角頻率的主振動的疊加。角頻率不同的兩個簡諧振動合成后的結果不一定是簡諧振動，即泵體內部存在兩自由度的扭轉振動，這是不可避免的。這種振動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的進油油楔情況下，我們將原設備(shèbèi)隨機說明書中規定的68#機油改換成100#機油，提高推力瓦潤滑油的粘度，使推力瓦油液動壓潤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。深井潛水泵及電機是安裝在兩根截面為1450mm x 410mm的鋼筋混凝土框架梁上的，每臺泵與電機的集中質量達18t，兩臺相鄰泵在同一框架梁上的運轉振動，這又是一個兩自由度的振動系統，當其中一臺電機振動嚴重超標在不帶負載試運轉時，即彈性聯軸器不連接而空轉電機時，另一臺正常運轉泵的電機振幅值升至0.15mm左右，此種情況不易被察覺，應引起注意。