螺桿泵異常振動噪聲的分析與處理

廖金軍，高海平，高隆隆

（華中科技大學機械科學與工程學院，湖北武漢 430074）

0 引言

螺桿泵由于其結(jié)構(gòu)和工作特性，相對其他液壓泵而言，具有自吸能力強、結(jié)構(gòu)緊湊、工作噪聲以及流量壓力脈動小和使用壽命長等優(yōu)點［1］，在能源、船舶、化工和陶瓷工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［2］。

雖然螺桿泵工作平穩(wěn)，振動和工作噪聲較小，但在日常安裝和調(diào)試過程中也常出現(xiàn)螺桿泵系統(tǒng)的異常振動以及工作噪聲大等情況，甚至在系統(tǒng)運行一段時間后也會出現(xiàn)諸如上述異常的工況。當螺桿泵出現(xiàn)異常振動和噪聲后，其作為振動源激勵系統(tǒng)基礎(chǔ)和相連的管路系統(tǒng)，通過相連設(shè)備傳遞到系統(tǒng)下游，從而導致系統(tǒng)工況和工作條件的惡化，甚至對設(shè)備造成損害［3］。

由此可見，維護螺桿泵的正常運行，消除螺桿泵系統(tǒng)存在的異常振動和工作噪聲具有實際意義。

1 物理模型

螺桿泵系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，本系統(tǒng)主要由以下4個部分組成:油源、安全裝置、螺桿泵和負載設(shè)備。由于空間原因，油箱的安裝位置位于螺桿泵的側(cè)下方，油箱液面距離螺桿泵的吸油口垂直高度為1.25 m;泵的吸、排油口均安裝有閥門裝置（維修時關(guān)閉，正常工況為常開）;螺桿泵豎直安裝，通過管路與閥門和油箱相連;負載設(shè)備通過長度為6.5 m左右的管路與泵連接。

本文針對按上述結(jié)構(gòu)安裝的2臺同型號同規(guī)格的螺桿泵中的1臺出現(xiàn)異常振動和噪聲的現(xiàn)象，對螺桿泵振動噪聲原因進行分析。

圖1 螺桿泵系統(tǒng)工作原理圖Fig．1Functional diagram of the screw pump

螺桿泵系統(tǒng)的各物理參數(shù)如表1所示。

2 吸油特性分析

螺桿泵是通過螺桿的回轉(zhuǎn)運動來完成吸、排油的。同時，油液通過吸油管路和閥門裝置時都將產(chǎn)生一定的壓降，其中油液通過吸油管路的水頭損失為:

式中:g為重力加速度，m/s2;hf為吸油管路水頭損失，m;λ為管路沿程阻力系數(shù);Li為吸油管路管段的長度，m，i≤n;ξj為吸油管路彎頭局部阻力系數(shù)，j≤k;v為吸油管內(nèi)流體流速，m/s。

2.1 沿程阻力系數(shù)

為了計算油液通過螺桿泵吸油管路的水頭損失，需對吸油管內(nèi)的油液流動狀態(tài)進行分析。當管中油液以層流或紊流狀態(tài)流動時，管道的沿程阻力系數(shù)也將發(fā)生變化。

1）吸油管內(nèi)油液流速

分別將表1中的數(shù)據(jù)代入式（2），可得v=1.24 m/s。

2）雷諾數(shù)

將表1中數(shù)據(jù)帶入式（3），可得Re=1 240，并根據(jù)吸油管中的流體流動雷諾數(shù)可以確定油液在管中流動為層流。

3）沿程阻力系數(shù)

式中:r為管道半徑，m;R為管道彎曲半徑，m;θ為彎頭彎角，（°）。

彎頭的局部阻力系數(shù)按式（4）計算，由于吸油管路中彎頭都為90°彎管，并按標準彎徑彎制R= 2.5r，于是可得彎頭局部阻尼系數(shù)ξ=0.206。

2.2 吸油管水頭損失

將各參數(shù)的結(jié)果代入式（1）可得吸油管路水頭損失為hf=2.19 m。

根據(jù)計算結(jié)果hf＜Hs可知，螺桿泵的吸油能力足夠，不會因為吸油困難而造成系統(tǒng)的振動和噪聲。

3 汽蝕余量分析

為了避免螺桿泵汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，泵的安裝應(yīng)在距離油箱液面一定高度范圍之內(nèi)，否則，當泵安裝過高時極易造成泵的汽蝕，并導致泵及管路系統(tǒng)的振動和噪聲［5－6］。以下就螺桿泵不發(fā)生汽蝕條件下的泵安裝高度進行分析。

根據(jù)對螺桿泵汽蝕余量的分析，螺桿泵不發(fā)生汽蝕應(yīng)滿足的條件是:

式中:NPSHa為螺桿泵有效汽蝕余量，m;NPSHr為螺桿泵必需汽蝕余量，m;S為安全系數(shù)（通常取0.5～1 m）。

根據(jù)文獻［5］中的定義:

式中:P0為工作環(huán)境下的大氣壓力，Pa;ρf為工作介質(zhì)的密度，kg/m3;he為泵的安裝高度，h;Pv為工作介質(zhì)的飽和蒸汽壓，Pa。

同理:

式中，Hs為泵的真空吸上高度，m。

將式（6）和式（7）化簡可以得到:

代入各計算參數(shù)可得:

實際中，螺桿泵的安裝高度he=1.25 m，可知泵的安裝高度已在允許的范圍內(nèi)。

圖2 系統(tǒng)參數(shù)狀態(tài)與計算參數(shù)Fig．2Comparison of system parameter and calculated result

通過對螺桿泵系統(tǒng)的吸油特性和汽蝕余量分析可知，螺桿泵的安裝高度在其吸油能力范圍之內(nèi);同時，螺桿泵的汽蝕余量分析也表明，泵在當前的高度上不會造成泵汽蝕的產(chǎn)生（如圖2所示）。

4 原因分析

螺桿泵在工作過程中產(chǎn)生異常振動和噪聲的原因大致可以分為以下幾種情況［7］:

1）泵與電機的安裝不同心;

2）螺桿與殼體安裝不同心或二者嚙合間隙過大;

3）泵吸油管路有空氣吸入;

4）泵的安裝高度過大，泵內(nèi)產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。

從第2和第3節(jié)的計算分析和圖2所示可知，首先泵的吸油能力足夠，不會出現(xiàn)螺桿泵吸油不足的問題，可排除原因4）;再則，在現(xiàn)場中，同類型的螺桿泵沒有出現(xiàn)類似的異常振動和噪聲現(xiàn)象，因此可以排除原因1）和原因2）。

從以上分析初步得出結(jié)論:吸油管路有漏氣的可能性;如果管路螺紋連接及焊接處沒有漏氣現(xiàn)象，則安裝在泵前吸油管路中的截止閥可能存在密封不好的情況。

5 結(jié)語

在初步確定了螺桿泵異常振動和噪聲工況后，對吸油管路進行了排除，發(fā)現(xiàn)管路連接及密封良好;同時，將吸油管路截止閥進行了更換，重新啟動系統(tǒng)后，螺桿泵振動噪聲明顯減小，屬于正常運行工況。由此可以斷定螺桿泵系統(tǒng)的計算和分析結(jié)論是正確的，吸油管路中截止閥的手動操作部件存在有密封不牢，當螺桿泵運行時有空氣從該處進入吸油管路。

［1］李壯云．液壓元件與系統(tǒng)［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2008．

［2］雷天覺．新編液壓工程手冊［M］．北京:北京理工大學出版社，1998．

［3］張得儉．單螺桿泵的振動分析及防止措施［J］．機械研究與應(yīng)用，2001，（3）:13－16．

［4］張也影．流體力學［M］．北京:高等教育出版社，1999．

［5］郭立君．泵與風機［M］．北京:中國電力出版社，1997．

［6］王朝輝，石永春，朱煥勤．泵幾何安裝高度的分析與確定［J］．油氣儲運，2003，22（1）:46－48．

［7］孔建益，李公法．潛艇振動噪聲的控制研究［J］．噪聲與振動控制，2006，（5）:1－4．