振動(dòng)如何影響泵的運行條件

　　大多數泵的固有扭轉頻率通常比橫向運動(dòng)頻率要高。泵的壓力功能(帶有齒輪箱和變頻器的泵除外)通常不會(huì )引起扭轉振動(dòng)。如果在轉速范圍之內固有扭轉頻率低于固有橫向運動(dòng)頻率，狀態(tài)會(huì )發(fā)生改變。在復合泵組(含有幾個(gè)泵體的泵組)或采用軟性橡膠聯(lián)軸器的泵組中，也會(huì )發(fā)生這種情況。

　　扭轉-橫向振動(dòng)

　　在包括幾個(gè)泵殼的復合泵組或采用非金屬軟性聯(lián)軸器的泵中，固有扭轉頻率可能比固有橫向運動(dòng)頻率低。這種情況下，固有扭轉頻率通常處于轉速范圍之內。

　　在這些泵組中，扭轉-橫向運動(dòng)引起的共振可能會(huì )導致嚴重的問(wèn)題甚至泵的損壞。

　　圖1. 一臺由變頻電機驅動(dòng)的泵

　　泵轉子的不對稱(chēng)、徑向載荷和不平衡狀態(tài)通常由扭轉模式和橫向運動(dòng)模式之間的耦合因素組成，影響著(zhù)中心線(xiàn)的彎曲和扭曲位置。

　　不對稱(chēng)轉子的分析模型考慮了橫向運動(dòng)和扭轉之間的耦合作用，被用于模擬扭轉-橫向運動(dòng)引起的振動(dòng)。例如，包括扭轉振動(dòng)耦合條件(泵軸扭轉模式的平衡狀態(tài)和其他影響)的橫向運動(dòng)模式，可用于判斷扭轉-橫向運動(dòng)共同引起的振動(dòng)影響。這些分析模型包括周期變化的系數，該系數可能影響扭轉強度。這樣的分析方程會(huì )產(chǎn)生參數共振，但這僅僅在轉速恰好等于固有扭轉頻率的1、1/2、1/4、1/6、1/8倍時(shí)才會(huì )發(fā)生。在扭轉-橫向共振中，由于不平衡狀態(tài)和徑向載荷力(與不對稱(chēng)的泵軸相作用)構成了真實(shí)系統的壓力作用，最高的模式共振可能在1倍或2倍于轉子轉速的情況下發(fā)生。

　　扭轉-橫向共振模式在固有橫向運動(dòng)頻率和固有扭轉頻率下具有峰值響應。橫向模式的峰值頻率通常不是很高(橫向模式的阻尼相對較高)，扭轉共振可能具有很大的振幅(因為扭轉模式的有效阻尼通常較低。)

　　對于所有類(lèi)型的泵而言，最常見(jiàn)的問(wèn)題就是沒(méi)有說(shuō)明按照慣例要在泵上安裝扭轉振動(dòng)傳感器(以監測轉子扭轉的誘因或共振)。這對復雜的泵組是一個(gè)相當明顯的缺點(diǎn)。阻尼不足的扭轉模式可能會(huì )通過(guò)橫向模式的聯(lián)軸器(或長(cháng)泵軸)被激發(fā)出來(lái)，這會(huì )大大提高壓力。這種影響可能會(huì )顯著(zhù)增強聯(lián)軸器/泵軸的破裂。扭轉振動(dòng)的變化與橫向振動(dòng)相比，可以更早的顯露出破裂的征兆。換句話(huà)說(shuō)，建議對泵進(jìn)行扭轉振動(dòng)監測(和泵的扭轉振動(dòng)的變化識別)，特別是固有扭轉頻率相對較低的泵。

　　圖2. 具有低扭轉剛度的軟性聯(lián)軸器。這種聯(lián)軸器可能會(huì )導致驅動(dòng)器和泵之間的嚴重的不對準，但是可以降低固有的扭轉頻率(第一階固有扭轉頻率可能低于運轉速度范圍)，從而帶來(lái)一些運轉/穩定性問(wèn)題。

　　泵的橫向-扭轉共振可能發(fā)生在穩定狀態(tài)也可能發(fā)生在瞬變運行條件。帶有相對細長(cháng)的泵軸(或帶有幾個(gè)泵殼)的變速泵很容易受到橫向扭轉共振的影響。例如，包括幾個(gè)泵殼的泵和通過(guò)齒輪組由變頻電機驅動(dòng)的泵。一般來(lái)說(shuō)，多泵殼泵(有時(shí)甚至是傳統的恒速泵)具有老式的橫向-扭轉共振。

　　現在，泵的耦合振動(dòng)只可能在有限的轉速范圍內的瞬變狀態(tài)或非正常運行(比如短路、啟動(dòng)或關(guān)機)條件下發(fā)生。但是，新一代復合型變頻泵(特別是具有相對較寬的運行速度的泵)可能會(huì )發(fā)生復雜的扭轉-橫向共振現象。

　　舉個(gè)非正常狀態(tài)下的橫向-扭轉耦合振動(dòng)的例子，在一個(gè)針對蒸汽渦輪機驅動(dòng)的泵組的案例研究中，橫向-扭轉耦合振動(dòng)形式的穩態(tài)響應是由殘余不平衡引起的。要解決這個(gè)問(wèn)題需要高度的平衡。然而，由于蒸汽渦輪機的轉子葉片突然發(fā)生故障，發(fā)了發(fā)生嚴重的橫向-扭轉瞬間振動(dòng)和動(dòng)力不穩定現象。

　　對有些泵來(lái)說(shuō)，回轉力矩可以在縱向和水平面上與轉子軸的運動(dòng)相耦合。此外，回轉力矩可以改變不同模式下的橫向運動(dòng)的固有頻率值。橫向運動(dòng)的固有頻率可以根據轉速改變(降低或增加)。例如，如果泵的轉速增加，第一、二、三和五階橫向運動(dòng)模式的固有頻率會(huì )降低，而第四和第六階橫向運動(dòng)的固有頻率會(huì )增加。這些運動(dòng)模式具有正向和反向渦動(dòng)效應。

　　高階模式的頻率變化可達30%，而第一、二和三階固有頻率的變化通常低于12%。這些橫向運動(dòng)固有頻率的變化(轉速的作用)會(huì )引起或增強橫向-扭轉共振，尤其是運行轉速范圍較寬的變頻泵。

　　在泵的實(shí)際運行中，要確定彎曲和扭轉的臨界轉速，并不斷調整使它們遠離運轉速度極其倍數�，F在則是要確定彎曲-扭轉共振的臨界轉速，并通過(guò)調整使其遠離可能的激發(fā)轉速(可能會(huì )導致共振)。特別是轉速及其二次諧波應該遠離扭轉運動(dòng)的固有頻率。

　　齒輪組可能會(huì )促使彎曲和扭轉振動(dòng)之間的耦合。橫向-扭轉共振可能會(huì )在帶有齒輪組的泵組中發(fā)生，特別是當固有彎曲頻率接近轉速時(shí)。通常，扭轉模式會(huì )被橫向運動(dòng)誘因激發(fā)出來(lái)。有時(shí)，橫向運動(dòng)響應可能是由扭轉振動(dòng)引發(fā)的。

　　不同的案例研究表明了耦合機制的重要性，它增大了振動(dòng)的振幅。這些耦合共振對于齒輪泵(通常是高速或高壓泵)的運轉可能是有害的。

　　圖3. 一臺立式泵。這種立式泵的長(cháng)泵軸可能具有一些低扭轉剛度效應。在某些關(guān)鍵的立式泵中應觀(guān)察扭轉-橫向共振。

　　扭轉激勵(例如具有高振幅動(dòng)態(tài)扭矩的瞬間扭轉狀態(tài))下的轉子的橫向響應值得認真研究。扭轉阻尼可能非常低，瞬間扭轉力矩可能非常高，有時(shí)是正常扭矩的三到六倍。這種類(lèi)型的耦合共振可能非常嚴重。如果彎曲的臨界轉速接近轉子的轉速，它可能是由耦合共振激發(fā)的。這種情況下，轉子在耦合扭轉的激發(fā)下可能會(huì )發(fā)生高振幅的振動(dòng)。即使轉子的橫向臨界轉速并不接近泵的轉速，多倍(通常是兩倍)轉速下的橫向響應可能會(huì )達到一個(gè)非常高的峰值。