離心泵干濕狀態(tài)下振動(dòng)特性分析與研究

紀(jì)鄭瑜

摘 要：振動(dòng)是影響離心泵機(jī)組安全可靠運(yùn)行的重要因素，對(duì)離心泵進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，為離心泵設(shè)計(jì)提供依據(jù)成為研究離心泵振動(dòng)的熱點(diǎn)。文章針對(duì)某離心泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)其離心泵振動(dòng)特性在8種工作狀態(tài)下，分別記錄離心泵1在干態(tài)與濕態(tài)平穩(wěn)運(yùn)行以后5s的加速度信號(hào)。利用Origin軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT分析，結(jié)果證明了干態(tài)分析和濕態(tài)分析下，離心泵各階倍頻的數(shù)值高度相近，因此，可以將原有的設(shè)計(jì)流程加以改進(jìn)，在干態(tài)下進(jìn)行設(shè)計(jì)即可。這樣可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，節(jié)省設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)，且設(shè)計(jì)結(jié)果在解決避免離心泵在各階倍頻下工作這一任務(wù)時(shí)有著較好的效果。因此，文章基于現(xiàn)有的離心泵設(shè)計(jì)方法，提出改進(jìn)意見(jiàn)，提高了離心泵設(shè)計(jì)的工作效率，為離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步研究提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：離心泵；動(dòng)力學(xué)研究；FFT分析

中圖分類號(hào)：TH165+.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）01-0060-02

Abstract： Vibration is an important factor affecting the safe and reliable operation of centrifugal pump unit. The research on the dynamics of centrifugal pump to provide the basis for the design of centrifugal pump has become a hot spot in the study of centrifugal pump vibration. In this paper， the acceleration signals of centrifugal pump No.1 in dry state and wet state are recorded in No.8 working states by data acquisition system. The acceleration signals of centrifugal pump No.1 in dry state and wet state are recorded after running smoothly in dry state and wet state respectively. The data collected are analyzed by FFT using Origin software. The results show that the numerical values of each order frequency doubling of centrifugal pump are similar under dry state analysis and wet state analysis. Therefore， the original design flow can be improved. The design can be carried out in dry state. This can simplify the design process， save design costs， and the design results in solving the problem of avoiding centrifugal pumps in the various times the frequency of the work of this task has a better effect. Therefore， based on the existing centrifugal pump design method， the paper puts forward the improvement suggestions， improves the efficiency of centrifugal pump design， and provides a reference basis for the further study of centrifugal pump structure design.

Keywords： centrifugal pump； dynamics study； FFT analysis

引言

離心泵在日常生活中被廣泛應(yīng)用，大約占到泵類設(shè)備的70%以上，它在城市排污、農(nóng)業(yè)灌溉、施工建設(shè)、石油管道運(yùn)輸?shù)雀鞣矫娑加兄豢商娲挠猛尽Ｍǔ＃x心泵是整個(gè)機(jī)械設(shè)備的核心部件，一旦離心泵出現(xiàn)故障，會(huì)造成設(shè)備部件損壞，生產(chǎn)中斷，甚至機(jī)毀人亡、爆炸污染等嚴(yán)重災(zāi)難，因此，其安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。

20世紀(jì)70年代至80年代，機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力學(xué)分析在許多發(fā)達(dá)國(guó)家開始研究。但由于國(guó)產(chǎn)離心泵的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)積累較少，加上缺少有效的監(jiān)測(cè)手段，生產(chǎn)加工工藝不夠成熟，造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失。考慮到國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，研究離心泵的振動(dòng)對(duì)其所在系統(tǒng)的影響，從而為提高離心泵設(shè)計(jì)運(yùn)行的安全性和可靠性提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，為離心泵設(shè)計(jì)改進(jìn)提供新的思路和設(shè)計(jì)方法，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

本文所使用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)管路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由離心泵、變頻器、電動(dòng)機(jī)、循環(huán)水箱、閘閥以及測(cè)試設(shè)備等組成，振動(dòng)由布置在離心泵泵殼上的振動(dòng)加速度傳感器測(cè)量，流量、壓力由布置在管路中的流量傳感器（用Q1、Q2表示）和壓力傳感器（用P1-P4表示）組成。

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)使用利歐臥式多級(jí)離心泵，主要參數(shù)如表1所示。

1.2 FFT變換

2 Origin分析

本實(shí)驗(yàn)以離心泵1為研究對(duì)象對(duì)離心泵干濕狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，利用虛擬儀器系統(tǒng)控制變頻器分別在25Hz、30Hz、35Hz、40Hz、45Hz、50Hz、55Hz、60Hz這8種工作狀態(tài)下，分別記錄離心泵1在干態(tài)與濕態(tài)平穩(wěn)運(yùn)行以后5s的加速度信號(hào)，并設(shè)置數(shù)據(jù)采集頻率為600Hz。

2.1 Origin FFT濾波分析

通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，各工況加速度傳感器x軸方向第一秒內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)時(shí)間-加速度大致為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，且變頻器頻率越高，離心泵轉(zhuǎn)速越快，振動(dòng)加速度變化周期越快；加速度極值與變頻器頻率未發(fā)現(xiàn)明顯關(guān)系，最大都接近200m/s2。由于y、z方向?yàn)殡x心泵相同振動(dòng)不同方向的表現(xiàn)，其振動(dòng)信號(hào)是相同的，因此，我們只需要分析y方向即可。

各工況加速度傳感器y軸方向第一秒內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)時(shí)間-加速度圖像。得出的結(jié)論與觀察x軸方向所得出的結(jié)論基本一致。因此，可以認(rèn)為離心泵振動(dòng)是由各方向上的簡(jiǎn)諧振動(dòng)組合而成的，且振動(dòng)加速度大小在額定轉(zhuǎn)速附近基本相同；變頻器頻率越高，離心泵轉(zhuǎn)速越快，振動(dòng)加速度變化周期越快。由這一結(jié)論可以發(fā)現(xiàn)，該振動(dòng)信號(hào)滿足迪力克里條件，且濕態(tài)下的振動(dòng)和干態(tài)下的振動(dòng)其振動(dòng)類型是相同的，因此，接下來(lái)可以對(duì)加速度傳感器信號(hào)做快速傅里葉變換分析。

2.2 Origin FFT分析

利用Origin軟件，在干態(tài)和濕態(tài)兩種狀態(tài)下，利用虛擬儀器系統(tǒng)控制變頻器輸出25Hz、30Hz、35Hz、40Hz、45Hz、50Hz、55Hz、60Hz，并記錄下離心泵穩(wěn)定運(yùn)行后這8種狀態(tài)下5s的數(shù)據(jù)，進(jìn)行FFT分析，首先分析其x軸方向的振動(dòng)信號(hào)。

該三維圖可以清晰地反應(yīng)變頻器頻率變化過(guò)程中振動(dòng)頻譜的變化過(guò)程。可以發(fā)現(xiàn)干態(tài)與濕態(tài)下x軸方向上在變頻器輸出頻率相同時(shí)，幅值和各階倍頻很相近。繼續(xù)分析y方向FFT分析結(jié)果。

分析可知，不論干態(tài)還是濕態(tài)下，變頻器各個(gè)工作頻率下，工頻振動(dòng)表現(xiàn)非常均勻，一倍頻的時(shí)候振動(dòng)幅值最大；干濕態(tài)下，各階工頻相差不大，但幅值在某些倍頻時(shí)相差較為明顯；x軸方向與y軸方向上，干濕狀態(tài)下各階倍頻值基本一致；離心泵設(shè)計(jì)頻率為50Hz下工作，但是在該設(shè)計(jì)頻率下振動(dòng)幅值并不是最小，筆者認(rèn)為通常在設(shè)計(jì)離心泵時(shí)都是通過(guò)效率最佳這一指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此在該點(diǎn)并不一定振動(dòng)幅值效果最佳，也就是說(shuō)效率最優(yōu)并不意味著各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)烈度最小。

通過(guò)對(duì)以上表格分析可得：在變頻器頻率為25Hz和45Hz時(shí)，振動(dòng)幅值最大，由此發(fā)現(xiàn)，工頻振動(dòng)最大振動(dòng)幅值與變頻器頻率之間關(guān)系比較復(fù)雜，并不是變頻器輸出頻率越高振動(dòng)幅值越大；不論干態(tài)還是濕態(tài)，一倍頻在變頻器頻率達(dá)到50Hz以后不會(huì)隨著變頻器頻率增大而增大，50Hz、55Hz、60Hz一倍頻基本不變，都是30.4Hz；干態(tài)和濕態(tài)的振幅在大多數(shù)情況下，相差不大，都在5×10-3mm以內(nèi)，但是在55Hz時(shí)x軸方向上的一倍頻干濕態(tài)下幅值相差較大；干態(tài)和濕態(tài)下變頻器一倍頻數(shù)值高度相近，只在變頻器輸出為55Hz和60Hz的y軸方向上相差0.2Hz。

3 結(jié)束語(yǔ)

在進(jìn)行離心泵設(shè)計(jì)時(shí)，由于高速轉(zhuǎn)動(dòng)的離心泵在達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速時(shí)要通過(guò)自身各階倍頻，因此，分析其倍頻是設(shè)計(jì)離心泵時(shí)需要著重考慮的因素。現(xiàn)有的離心泵設(shè)計(jì)需要通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)，分析其各階倍頻，以避免其工作轉(zhuǎn)速在倍頻下運(yùn)行，由于離心泵在其倍頻下一定會(huì)有較大的振幅，在設(shè)計(jì)時(shí)通常只需避免其在倍頻下工作而不需要分析其倍頻下的變形量。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)證明了干態(tài)分析和濕態(tài)分析下，離心泵各階倍頻的數(shù)值高度相近，因此，可以將原有的設(shè)計(jì)流程加以改進(jìn)，在干態(tài)下進(jìn)行設(shè)計(jì)即可，這樣可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，節(jié)省設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)，且設(shè)計(jì)結(jié)果在解決避免離心泵在各階倍頻下工作這一任務(wù)時(shí)有著較好的效果。因此，基于現(xiàn)有的離心泵設(shè)計(jì)方法，提出改進(jìn)意見(jiàn)，提高了離心泵設(shè)計(jì)的工作效率，為離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步研究提供了參考依據(jù)。

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