某型離心水泵振動(dòng)特性分析

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(dòng)特性，對(duì)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(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集

2.1 試驗(yàn)工況

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

2.2 離心泵振動(dòng)機(jī)理

離心泵產(chǎn)生振動(dòng)的原因包括，機(jī)組轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)不平衡、軸系連接對(duì)中誤差、軸承的振動(dòng)、泵機(jī)內(nèi)部的非定常流場(chǎng)壓力脈動(dòng)激發(fā)過(guò)流部件振動(dòng)、泵機(jī)葉輪實(shí)際旋轉(zhuǎn)中心與設(shè)計(jì)中心偏離導(dǎo)致過(guò)流部件配合變化產(chǎn)生的流場(chǎng)脈動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)件與固定件之間的摩擦、電機(jī)的電磁振動(dòng)以及電機(jī)軸帶冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生的氣流脈動(dòng)對(duì)機(jī)殼的激勵(lì)等。

識(shí)別振動(dòng)源的方法有多種[1-3]，從測(cè)試參數(shù)來(lái)講，有振動(dòng)頻譜、相位譜、時(shí)域波形和聲壓頻譜等；從信號(hào)處理方法來(lái)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(qiáng)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(jiǎn)單的方法，因?yàn)?，不同運(yùn)動(dòng)部件的振動(dòng)產(chǎn)生不同特征頻率，往往根據(jù)振動(dòng)頻譜即可識(shí)別振動(dòng)源。離心泵的振動(dòng)頻率特性見(jiàn)表1。

表1 離心泵的振動(dòng)頻率特性

2.3 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

振動(dòng)測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在產(chǎn)生振動(dòng)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(dòng)來(lái)源。離心泵的振動(dòng)測(cè)試共布置了17個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體布置情況為：測(cè)點(diǎn)1～6位于電機(jī)機(jī)腳上；測(cè)點(diǎn)7、8位于泵體支撐處隔振器安裝螺栓旁；測(cè)點(diǎn)9、10位于電機(jī)端隔振器安裝螺栓旁；測(cè)點(diǎn)11、12位于電機(jī)頂部?jī)啥?；測(cè)點(diǎn)13位于泵體；測(cè)點(diǎn)14、15位于泵的進(jìn)口連接法蘭上；測(cè)點(diǎn)16、17位于泵的出口連接法蘭上。

圖1 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 截止閥開(kāi)度對(duì)設(shè)備振動(dòng)影響的分析

通過(guò)對(duì)比截止閥開(kāi)度為20%、50%和100%三個(gè)工況下，各測(cè)點(diǎn)5～500 Hz和500 Hz～3.2 kHz振動(dòng)加速度有效值的測(cè)量數(shù)據(jù)，可以看出，在5～500 Hz各點(diǎn)的振動(dòng)加速度有效值在截止閥開(kāi)度50%工況時(shí)，約為截止閥開(kāi)度20%工況時(shí)的83%(最低點(diǎn)為75.9%，最高點(diǎn)約為93%)，在截止閥開(kāi)度100%工況時(shí)，則約為85%(最低點(diǎn)為76.5%，最高點(diǎn)約為97%)；在500 Hz～3.2 kHz，除了測(cè)點(diǎn)2的振動(dòng)強(qiáng)度稍大，測(cè)點(diǎn)5、10、12的振動(dòng)強(qiáng)度不變以外，各點(diǎn)的振動(dòng)強(qiáng)度都有大小不等的降低[4-6]。

3.2 各工況下離心泵振動(dòng)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(dòng)加速度功率譜見(jiàn)圖2～圖4。從圖中可以看出，在5～500 Hz頻率范圍，各測(cè)點(diǎn)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(kāi)度較小，導(dǎo)致流體流動(dòng)受阻,在截止閥處形成激勵(lì)源引起的振動(dòng)； 311 Hz以及322 Hz則需要進(jìn)一步分析識(shí)別。在機(jī)腳測(cè)點(diǎn)1～5處，299.5 Hz的振動(dòng)幅值為最大(工況1，測(cè)點(diǎn)2次大)；在管路測(cè)點(diǎn)處，除了工況1外，24.5 Hz的振幅為最大。根據(jù)這一點(diǎn)，可以作出以下判斷：該型離心泵機(jī)組中，泵葉的不平衡量比電機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡量要大，否則在機(jī)腳測(cè)點(diǎn)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(huì)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(gè)測(cè)點(diǎn)的振幅相比工況1都有較大增長(zhǎng)；工況3下，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振幅相比工況2又有所增長(zhǎng)；

2) 49.5 Hz：各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振幅以工況1下的最大，以工況2下的最?。?/p>

3) 98.5 Hz：除了2,3,6,16號(hào)測(cè)點(diǎn)外，工況2下，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振幅相比工況1有所增長(zhǎng)；工況3下，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振幅相比工況2又有較大增長(zhǎng)；

4) 197.5 Hz：工況2、工況3下，各個(gè)測(cè)點(diǎn)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(gè)測(cè)點(diǎn)的振幅相比工況1有較大減??；

6) 299.5 Hz：除了4、5號(hào)測(cè)點(diǎn)在工況2下有所減小外，其余各測(cè)點(diǎn)在三個(gè)工況下的振動(dòng)幅值變化不大。

7) 寬帶頻譜：在工況1下不少測(cè)點(diǎn)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(dòng)強(qiáng)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(jī)組動(dòng)平衡狀況、安裝動(dòng)力吸振器等，降低25 Hz的振幅，并以工況2為該型離心泵運(yùn)行狀態(tài)，可望取得該設(shè)備對(duì)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(dòng)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(cè)點(diǎn)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(jī)轉(zhuǎn)子和水泵轉(zhuǎn)子軸頻的高次諧頻或電機(jī)的電磁振動(dòng)，也可以排除是該型離心水泵內(nèi)產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力直接引起的振動(dòng)。

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(jī)組中除了電機(jī)和水泵轉(zhuǎn)子外的另一種運(yùn)動(dòng)部件——電機(jī)軸承有關(guān)：滾動(dòng)軸承在旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸承內(nèi)的滾動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)，引發(fā)振動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)子槽數(shù)和機(jī)組各個(gè)軸承的相關(guān)參數(shù)，不能肯定這些頻率就是由電機(jī)軸承產(chǎn)生。在清楚滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體個(gè)數(shù)、內(nèi)外滾道直徑以及滾動(dòng)體接觸角等參數(shù)的情況下，則可計(jì)算滾動(dòng)軸承運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的特征頻率，用于離心泵振動(dòng)源的識(shí)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(cè)點(diǎn)的各個(gè)單頻振幅變化不大，測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(dòng)強(qiáng)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(dòng)速度作為輸入?yún)?shù)。圖8～圖12為該型離心泵運(yùn)行時(shí)，安裝基座測(cè)點(diǎn)振動(dòng)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(dòng)速度線譜。從各圖中可以看出，振動(dòng)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(dòng)力脈動(dòng)所引起的振動(dòng)。

圖8 安裝基座的測(cè)點(diǎn)1

圖9 安裝基座的測(cè)點(diǎn)2

圖10 安裝基座的測(cè)點(diǎn)3

圖11 安裝基座的測(cè)點(diǎn)4

圖12 安裝基座的測(cè)點(diǎn)5

圖13 進(jìn)口管路測(cè)點(diǎn)

圖14 出口管路測(cè)點(diǎn)

4 分析結(jié)果

1) 在截止閥20%、50%和100%開(kāi)度三種工況中，50%開(kāi)度工況時(shí),該型離心泵的振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡量要大；

5) 該型離心泵造成對(duì)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(gè)開(kāi)度中，以50%開(kāi)度為該型離心泵常開(kāi)工況；

2) 改善機(jī)組(尤其是泵葉)的動(dòng)平衡狀態(tài)，加強(qiáng)軸系的剛度，提高軸系對(duì)中精度，以及應(yīng)用動(dòng)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(jī)葉片與流動(dòng)介質(zhì)的相對(duì)速度，使用精密鑄造工藝保證葉輪實(shí)際中心和設(shè)計(jì)中心重合等措施，減小泵內(nèi)壓力脈動(dòng)和沖擊以減小水泵的葉頻。

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