立式泵變頻工況振動(dòng)問(wèn)題的分析及解決

王強(qiáng)，谷祖鵬

（大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司，遼寧 大連 116031）

振動(dòng)問(wèn)題解決對(duì)于設(shè)備制造廠及設(shè)備使用廠家來(lái)說(shuō)普遍是一個(gè)不可避免的問(wèn)題，而設(shè)備振動(dòng)產(chǎn)生原因卻是多種多樣的，共振就是其中之一。常規(guī)定頻泵組是否出現(xiàn)共振，通過(guò)出廠前的固定轉(zhuǎn)速測(cè)試即可排除，但變頻泵組如不進(jìn)行工況頻率下的測(cè)試將無(wú)法確認(rèn)設(shè)備是否有共振風(fēng)險(xiǎn)。下文針對(duì)一臺(tái)立式長(zhǎng)軸泵出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題后的解決方案進(jìn)行分析。

1 立式長(zhǎng)軸泵變頻工況振動(dòng)問(wèn)題闡述

原有一臺(tái)立式長(zhǎng)軸制氯海水提升泵（結(jié)構(gòu)見圖1，性能參數(shù)見表1），采用變頻控制措施，根據(jù)不同工況調(diào)節(jié)頻率來(lái)改變提供所需的流量，保證不同潮汐水位時(shí)制氯系統(tǒng)入口壓力穩(wěn)定。

表1 性能參數(shù)Table 1 Performance parameters

該泵運(yùn)行工況的工作頻率范圍為35 ～ 50 Hz 即1 029 ～ 1 470 r/min 轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。但設(shè)備調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)40 ～ 45 Hz 下電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端（圖1 中A 點(diǎn)位置）水平及垂直方向振動(dòng)超標(biāo)，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 振動(dòng)異常記錄Table 2 Record of abnormal vibration mm·s-1

2 振動(dòng)問(wèn)題分析

對(duì)立式長(zhǎng)軸泵變頻工況電機(jī)振動(dòng)問(wèn)題采用“因果圖法”分析（具體方法見第4 節(jié)），對(duì)不同分類中每一個(gè)具體原因進(jìn)行逐一排除。如對(duì)泵端是否振動(dòng)超標(biāo)導(dǎo)致振動(dòng)回傳電機(jī)端問(wèn)題進(jìn)行確認(rèn)，經(jīng)檢測(cè)泵端振動(dòng)幅值（圖1 中B 點(diǎn)位置）＜1.6 mm/s 滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；對(duì)聯(lián)軸器安裝前后端面與徑向形位公差（見圖3）及電機(jī)拆除情況下電機(jī)和電機(jī)架端面與徑向形位公差進(jìn)行檢測(cè)（見圖4），經(jīng)檢測(cè)形位公差跳動(dòng)值＜0.10 mm皆滿足要求；對(duì)不同潮汐時(shí)段進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，比對(duì)振動(dòng)結(jié)果振動(dòng)值偏差較??；對(duì)電機(jī)與電機(jī)架之間緊固件預(yù)緊力進(jìn)行多次調(diào)整，調(diào)整后的振動(dòng)值偏差較??；對(duì)電機(jī)進(jìn)行空載試驗(yàn)無(wú)振動(dòng)超標(biāo)現(xiàn)象；對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子重新進(jìn)行動(dòng)平衡，安裝后再次試驗(yàn)時(shí)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)側(cè)水平及垂直方向振動(dòng)依然超標(biāo)；當(dāng)對(duì)機(jī)組進(jìn)行固有頻率敲擊試驗(yàn)時(shí)，其固有頻率為21.26/20.84 Hz（水平/垂直方向），其固有頻率與現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)頻率相吻合。通過(guò)逐一排除機(jī)組振動(dòng)產(chǎn)生原因，初步判斷引起電機(jī)端振動(dòng)問(wèn)題主要原因?yàn)闄C(jī)組共 振。

圖1 立式長(zhǎng)軸海水升壓泵結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of vertical long shaft seawater booster pump

圖2 立式長(zhǎng)軸海水增壓泵現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物Fig.2 Site physical drawing of vertical long shaft seawater booster pump

圖3 電機(jī)/電機(jī)架形位公差Fig.3 Form and position tolerance of motor / motor frame

圖4 安裝前后聯(lián)軸器形位公差Fig.4 Geometric tolerance of coupling before and after installation

3 共振問(wèn)題解決

通過(guò)對(duì)機(jī)組共振頻率的分析，機(jī)組固有頻率應(yīng)避開14 ～ 25 Hz 的共振頻率范圍，因此新設(shè)計(jì)兩種電機(jī)支架方案用于增加機(jī)組固有頻率，具體如下：方案一在原有電機(jī)架基礎(chǔ)上大幅度提高其固有頻率較難，因此新設(shè)計(jì)電機(jī)支撐架結(jié)構(gòu)，使電機(jī)架直接支撐于底板，增強(qiáng)剛性，更改機(jī)組結(jié)構(gòu)（見圖5），此方案能夠較大幅度提升機(jī)組固有頻率至51 Hz 左右。另一種方案為在原有電機(jī)架基礎(chǔ)上采用降低高度、減小開孔面積、增加支撐筋板等方法增強(qiáng)剛性，實(shí)現(xiàn)固有頻率的增加，但其大幅度改變固有頻率較難實(shí)現(xiàn)（見圖6）。最終結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝條件、裝配精度及經(jīng)濟(jì)性等因素，優(yōu)先采用第二種方案考慮在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行電機(jī)架改造，實(shí)現(xiàn)固有頻率的改變。

圖5 電機(jī)支撐架結(jié)構(gòu)及固有頻率分析Fig.5 Structure and natural frequency analysis of motor support frame

圖6 電機(jī)支撐架改造及固有頻率分析Fig.6 Reconstruction structure and natural frequency analysis of motor support frame

方案實(shí)現(xiàn)：原有電機(jī)架的優(yōu)化，首先對(duì)原有電機(jī)架進(jìn)行有限元仿真分析，其系統(tǒng)固有頻率為19.5/20.3 Hz（水平方向/垂直方向）與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組敲擊試驗(yàn)頻率接近，進(jìn)一步確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組發(fā)生共振現(xiàn)象。對(duì)原有電機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整（原有結(jié)構(gòu)見圖7，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)見圖8），主要受聯(lián)軸器中間連接段尺寸影響，在保證中間連接段能夠安裝及維護(hù)的基礎(chǔ)上盡可能降低電機(jī)架高度及減小開窗面積。電機(jī)架高度降低32%，開窗面積減小70%。其次對(duì)不受裝配影響的上下法蘭厚度、筒體厚度、筋板數(shù)量及厚度進(jìn)行多次有限元分析優(yōu)化，得出最優(yōu)方案其固有頻率為26.9/26.7（水平/垂直方向）。

圖7 原有電機(jī)支撐架結(jié)構(gòu)Fig.7 Original motor support frame structure

圖8 優(yōu)化后電機(jī)支撐架結(jié)構(gòu)Fig.8 Optimized rear motor support frame structur

方案驗(yàn)證：新電機(jī)支架（見圖9）經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)

圖9 優(yōu)化后電機(jī)支撐架實(shí)物Fig.9 Optimized motor support frame

證在35 ～ 50 Hz 工況頻率下，電機(jī)端及泵端的振動(dòng)幅值＜2.3，滿足標(biāo)準(zhǔn)及使用要求。機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)固有頻率敲擊試驗(yàn)復(fù)測(cè)結(jié)果為28.4/27.3 Hz（水平/垂直方向），與仿真計(jì)算結(jié)果相吻合。機(jī)組固有頻率成功避讓14～25 Hz 工況頻率，避免共振發(fā)生，消除振動(dòng)隱患。

問(wèn)題解決：按新尺寸供貨聯(lián)軸器部件、電機(jī)架及更新剖面圖及相關(guān)質(zhì)量證明文件，現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試、驗(yàn)收。

4 振動(dòng)問(wèn)題分析過(guò)程及工具方法

正如引言所述，設(shè)備振動(dòng)產(chǎn)生原因是多種多樣的。分析問(wèn)題的工具和方法也有很多種，什么樣的工具和方法能夠快速有效排除解決設(shè)備振動(dòng)問(wèn)題？是需要結(jié)合設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)工況而確定的。針對(duì)本文中設(shè)備振動(dòng)問(wèn)題的排除方法采用的是“因果圖法”羅列可能產(chǎn)生的原因（見圖10），逐一分析排除影響，確定改造實(shí)施方案，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)論證解決問(wèn)題。現(xiàn)結(jié)合實(shí)際分析過(guò)程來(lái)展開介紹此方法。

圖10 問(wèn)題分析因果圖Fig.10 Problem analysis: cause and effect diagram

因果圖畫法就是已知結(jié)果來(lái)考慮所有可能發(fā)生問(wèn)題原因關(guān)系的圖形工具。因果圖的三要素為結(jié)果、類別原因、子原因。因此分析問(wèn)題重點(diǎn)是根據(jù)歸納總結(jié)的類別原因，尋找子原因。確定每類問(wèn)題的排查方 法。

首先確定問(wèn)題造成的結(jié)果為“機(jī)組電機(jī)非驅(qū)動(dòng)側(cè)頂端A 點(diǎn)水平及垂直方向振動(dòng)超標(biāo)”。

其次確定類別原因，立式長(zhǎng)軸泵機(jī)組本身產(chǎn)生振動(dòng)問(wèn)題的原因可歸納為“加工精度”、“裝配精度”“設(shè)備平衡”“設(shè)備強(qiáng)度”“共振”等。同時(shí)還需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況考慮能夠產(chǎn)生振動(dòng)問(wèn)題的原因比如“潮汐對(duì)電機(jī)振動(dòng)影響”“現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)”“測(cè)振設(shè)備與系統(tǒng)精度”等。

最后確定每一類原因中的具體子原因。如“加工精度”是指能夠影響整體振動(dòng)的電機(jī)架端面形位公差、底板平面度等；“裝配精度”影響主要有聯(lián)軸器找正精度、緊固件預(yù)緊力是否適合；電機(jī)軸的安裝精度；“設(shè)備平衡”主要為電機(jī)轉(zhuǎn)子的平衡精度、其次為泵轉(zhuǎn)子的平衡精度；“設(shè)備強(qiáng)度”如電機(jī)架的支撐結(jié)構(gòu)、設(shè)備的整體徑高比、底板的厚度等；“共振”為機(jī)組的固有頻率、電機(jī)的固有頻率分別與軸系的激發(fā)頻率產(chǎn)生的共振。

根據(jù)畫出的因果圖進(jìn)行分析，展開因果圖對(duì)產(chǎn)生問(wèn)題進(jìn)行ABC 重要度登記分類，按重要原因到一般原因順序進(jìn)行逐個(gè)排查或同時(shí)排除、測(cè)試。最終確定造成此設(shè)備的關(guān)鍵原因?yàn)椤肮舱瘛币鸬恼駝?dòng)值超 標(biāo)。

5 結(jié)論

針對(duì)變頻工況運(yùn)行的離心泵機(jī)組振動(dòng)解決方案可由以下幾個(gè)方面入手：一是采用因果法分析問(wèn)題、二是逐項(xiàng)排除具體原因，如基礎(chǔ)強(qiáng)度、連接設(shè)備振動(dòng)回傳、設(shè)備加工及裝配精度、設(shè)備轉(zhuǎn)子平衡精度等方面引起的振動(dòng)原因。

需要關(guān)注的是，當(dāng)變頻工況運(yùn)行，離心泵機(jī)組應(yīng)著重驗(yàn)證分析機(jī)組固有頻率與工況頻率是否一致產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

共振現(xiàn)象的解決主要以改變機(jī)組固有頻率為主，對(duì)于立式離心泵而言，改變機(jī)組固有頻率最有效的方式是降低機(jī)組高度，其次為改變機(jī)組重量、增設(shè)筋板及調(diào)整厚度等。

離心泵變頻工況要求在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從結(jié)構(gòu)上增強(qiáng)剛度避免共振現(xiàn)象發(fā)生，必要時(shí)進(jìn)行有限元仿真分析排除共振問(wèn)題。出廠前應(yīng)進(jìn)行變頻工況驗(yàn)證，排除共振隱患。