一臺雜用水泵振動異常診斷與處理

華電國際鄒縣發電廠 李生偉 曹景芳

1 概述

某電廠三期A雜用水泵，離心泵，型號150S78，流量160m3/h，揚程78m，配套功率55kW，工作轉速為2980r/min，生產廠家為長沙山水泵業制造有限公司，輸送介質為三期水源地來水。

進入夏季以來，三期A雜用水泵電機頻繁出現電流超標問題，對造成電機電流超標的影響因素進行分析，檢查電機無異常，主要原因為由于夏季雜用水量增大，泵的出力增大，造成電機電流超標。經過充分論證和分析，選擇對泵葉輪進行改造，更換的葉輪將原約為25mm的出口流道變窄為22mm。泵檢修主要內容有：更換機械密封2套，軸承兩套，更換葉輪及口環，更換聯軸器1套（含電機側）。

檢修完工后，啟動A雜用水泵試運，振動值如下：電機驅動端軸承（因電機自由度有冷卻風扇護罩，無法測量）水平25μm，垂直27μm，軸向24μm；泵驅動端軸承水平128μm，垂直80μm，軸向98μm，泵自由端軸承水平55μm，垂直60μm，軸向63μm。電機振動合格，泵驅動端軸承及自由端軸承振動均超過50μm的允許值。

2 離心泵常見故障及特征

2.1 質量不平衡

振動主要特征：一是振動值穩定，隨轉速的升高而增大；二是主要振動頻率為1X轉速頻率；三是1X轉速頻率的幅值通常大于或等于通頻值的80%；四是水平方向振動略大于垂直方向振動。一般范圍在2到3倍左右；五是水平與垂直方向振動相位差約為90°（+/-30°）；六是徑向振動通常比軸向振動大許多（懸臂轉子除外）；七是不平衡轉子通常在徑向方向呈現穩定的、可重復的振動相位[1]。

2.2 對中不良

振動主要特征：一是軸向振動大。二是主要振動頻率為1X、2X轉速頻率。三是聯軸器兩側軸向或徑向相差180度。四是如果2X大于50%或大于1X一般證明存在不對中的可能性較大。

2.3 軸彎曲

振動主要特征：一是軸彎曲一般會產生大的軸向振動。如果彎曲接近軸的中心通常主要以1X轉速頻率為主，如果彎曲接近聯軸器，通常產生較高的2X轉速頻率振動分量。二是同一轉子軸的兩個軸承之間的軸向方向相位變化接近180°，這與彎曲的程度有關。此外，如果在同一軸承不同點的軸向方向做若干測量，通常會發現在軸承的左邊和右邊測量的相位之間發生接近180°的相位差，在同一軸承的上邊與下邊測量的相位之間發生接近180°的相位差。三是1X轉速頻率和2X轉速頻率的幅值通常是穩定的。四是在軸承座同一側的上、下、左、右4個位置處的軸向相位有明顯的差異。五是當旋轉質量處存在較大的振動時，其呈現為質量不平衡。當聯軸器出現較大的振動時，其呈現為不對中。

2.4 聯軸器故障

振動主要特征：振動主要發生在聯軸器兩側的軸承，如果電機轉子質量和機械部分轉子質量相當，聯軸器兩側軸承振動均會存在異常，如果電機轉子質量遠小于機械部分轉子質量，只有電機側靠近聯軸器軸承振動會出現異常，振動主振頻率為基頻，并伴隨2X、3X頻率成分[2]。

2.5 滾動軸承故障

滾動軸承一旦產生故障，可能會產生四種類型頻率的振動，包括隨機的超聲頻率，頻率范圍從約5000Hz到60000Hz超聲頻率范圍；軸承零部件的自振頻率，滾動軸承安裝在機器上時的自振頻率范圍在約為500～2000Hz。滾動軸承的自振頻率與轉速無關，無論軸的轉速高低其都處在一個相同的頻率位置；軸承故障特征頻率；軸承故障和頻及差頻。

滾動軸承故障特征頻率與滾動體直徑、滾動體數目、節圓直徑、接觸角有關，計算公式如下：

其中，FTF－保持架故障特征頻率；BPFI－內圈故障特征頻率；BPFO－外圈故障特征頻率；BSF－滾動體故障特征頻率；Fr=n/60轉速頻率r/s；Bd=滾動體直徑；Nb=滾動體數目；Pd=節圓直徑，滾動體間垂直距離；θ=接觸角。滾動軸承的主要振動特征有：

一是軸承的故障頻率與其他故障頻率不同；二是軸承故障頻率是轉速頻率的非整數倍；三是內外環故障頻率的和頻=“軸承滾動體通過頻率”（滾動體個數×RPM）；四是軸承內環故障頻率往往伴有1X轉速頻率的邊帶；五是軸承外環故障頻率的幅值高于軸承內環故障頻率的幅值；六是軸承故障一般在發展到滾動體和保持架出現故障之前首先出現的是內環或外環故障頻率；七是軸承保持架故障頻率通常不是以其基頻出現；八是當滾動體本身出現故障時，往往會產生不僅滾動體故障頻率（BSF），還有保持架故障頻率（FTF）；九是軸承保持架斷裂時，可能出現滾動體旋轉故障頻率；十是一個以上滾動體有故障時，將產生等于有故障的滾動體數目×滾動體故障特征頻率的頻率。換言之，如果存在五個滾珠或滾柱上有故障，往往將出現5×滾動體故障頻率的頻率。

2.6 機械松動

機械松動主要包括A型機械松動（結構松動）、B型機械松動（由搖擺運行或結構斷裂和軸承座斷裂引起的松動）、C型機械松動（旋轉松動）三種類型。

A型機械松動（結構松動）主要特征。一是主要振動頻率為1X轉速頻率。二是通常情況下徑向振動較大，尤其是垂直方向振動較大。有時也出現軸向方向振動較大。三是垂直和水平方向的振動相位差為0°或180°。

B型機械松動（由搖擺運行或結構斷裂和軸承座斷裂引起的松動）。一是主要振動頻率為徑向1X、2X和3X轉速頻率；在嚴重的情況下還會有0.5X的轉速頻率。二是軸承座和基礎相位差為180°。三是振動幅值不穩定，負荷高時，振動幅值很大。

C型機械松動（旋轉松動）。一是通常振動幅值有明顯波動。二是主要振動頻率為徑向1X轉速頻率的諧波，甚至能高達到10X。如果諧波頻率幅值變大，也會產生檢修0.5X轉速頻率等分數倍頻率成分，即0.5X、1.5X、2.5X等。三是通常相位測量有些不穩定。

2.7 汽蝕

振動主要特征：一是振動頻率范圍往往在300～2000Hz。是隨機的寬帶能量譜。時常伴有葉片通過頻率。二是發生汽蝕時，泵的兩個軸承還有大的振動尖峰能量值。三是汽蝕往往產生奇特的噪聲，輕微的汽蝕發出的聲音通常像泵排出砂子的聲音，而較嚴重的汽蝕時間發出的聲音像卵石通過泵的聲音。

3 振動診斷分析

使用便攜式振動分析儀及Vm-63a手持式振動表對三期A雜用水泵進行振動信息測量：

表1 三期A雜用水泵振動值（測量工具：Vm-63a）

圖1 泵驅動端軸承頻譜圖

圖2 泵自由端軸承頻譜圖

由上述測量信息分析三期A雜用水泵振動具有以下特征：一是由表1可以看出泵驅動端軸承振動較大，泵側兩端軸承振動值差別較大，并且兩端軸承垂直方向振動相對大，分析泵支撐存在異常；二是泵驅動端及自由端軸承主要振動頻率為1倍轉速頻率，并有葉片通過頻率，可能存在不平衡、松動、不對中、彎曲等故障（如圖1和圖2所示）；三是泵側軸承解調頻譜圖及解調波形圖中均未見明顯故障特征，分析軸承無異常。四是泵側自由端軸承垂直方向較水平方向大。對臥式轉動設備而言，通常水平方向振動比垂直方向振動大，一般范圍在2到3倍左右。而該泵振動情況異常，自由端軸承振速垂直方向振動是水平方向的約2倍，說明存在著松動問題。造成該類問題的原因通常有基礎松動或軸承與軸承室間間隙配合松動兩種。將測量點下移，對泵的四個地腳螺栓處垂直方向振動值進行測量，均在6～8μm，可排除基礎松動因素[3]。

該雜用水泵泵體東西布置（如圖3所示），主要靠進出口管道支撐。測量進出口管道振動情況，管道南北向布置，各部位振動值如圖4所示，進口閥門處水平方向振動216μm，進口閥門前短節管道振動為146μm，穿墻管處振動為28μm，進口閥門后與泵體之間的管道水平振動為267μm，泵體水平方向振動為67μm，進口閥門與管道支撐主要靠泵體下的水泥支柱，用手可以感觸到進口閥門與水泥支柱之間有間隙，接觸處有“咬手”感覺。可以判斷水泥支柱已起不到支撐作用。分析原因應為閥門及管道先安裝，后制作水泥支柱，水泥支柱凝固后體積縮小，造成兩者之間出現間隙，起不到支撐作用。進口管道系統振動大，對泵體也振動產生一定影響[4-5]。

圖3 泵體結構布置

圖4 進口管道支撐

與入口管線相對照，出口管線東西向水平方向振動情況如圖5所示，振動最大值為20μm，出口閥門也是由水泥柱支撐，和進口門一樣，水泥支柱凝固后體積縮小造成水泥支柱也起不到支撐作用，但在閥門處加裝了一頂絲，解決了這一問題。

圖5 出口管道支撐

圖6 進口門管道支撐改造

在設備停運后，將進口閥門原水泥支柱去除后，采用鋼板和鋼管制作支撐，并在法蘭處加一頂絲（如圖6所示）。

再次啟動測試三期A雜用水泵振動情況。為分析泵兩側軸承振動值差異大的問題，在聯軸器位置加裝反光帶進行相位測量，測量數據見表2。

表2 三期A雜用水泵泵側振動通頻值及振動相位

測量過程中發現泵自由端軸承溫度偏高，用紅外熱像儀測量泵側驅動端軸承溫度為45℃，自由端軸承問題為69℃。測量進口閥處振動為69μm，振動仍然偏大，進口管道振動減小后，三期A雜用水泵驅動端軸承水平振動減小20μm。

該雜用水泵驅動端軸承振動具有以下特征：一是振動值穩定，主要振動頻率為1X轉速頻率；二是驅動端軸承1X轉速頻率的幅值通常大于通頻值；三是驅動端水平方向振動略大于垂直方向振動；四是驅動端水平與垂直方向振動相位差為62°。符合質量不平衡的典型特征。

自由端軸承具有以下特征：一是垂直方向振動大于水平方向。二是水平方向相位與垂直方向相位相近。三是軸承溫度偏高。結合泵基礎無松動問題，分析泵自由端軸承溫度高和垂直方向振動大問題原因為軸承與軸承室間隙超標。

造成質量不平衡的原因通常有原始質量不平衡、裝配不適當、轉子質量磨損、葉片有附著物或部件脫落等。泵驅動端葉輪為新加工葉輪，出廠前已進行檢驗動平衡合格，而且泵自由端振動相對幅值小，僅泵驅動端表現出質量不平衡特征，分析軸系質量不平衡量來自聯軸器靠背輪，電機測量的振動值在合格范圍內，質量不平衡量應來自泵側聯軸器靠背輪。

拆檢泵側聯軸器靠背輪進行檢查，發現靠背輪內孔大約與鍵槽相對位置處有一處缺損，不平衡量即來自此處。檢查泵自由端軸承與軸承室間隙，發現間隙超過允許數值。

圖7 聯軸器泵側靠背輪內側缺損處

4 處理措施

對泵自由端軸承與軸承室的間隙調整至合格范圍。針對聯軸器泵側靠背輪存著的質量不平衡問題，因該聯軸器沒有合適加重位置，更換備品聯軸器靠背輪，并再次對進口閥門處支撐進行處理。處理后，啟動試運合格，電流90A，泵側振動值：驅動端水平10μm、垂直9μm、軸向10μm，非驅動端水平8μm、垂直8μm、軸向10μm，振動值優秀。

5 結語

針對三期A雜用水泵葉輪改造后，出現的振動大問題，應用振動診斷技術進行原因分析，找到振動大的主要原因在于泵側聯軸器靠背輪存在質量不平衡，同時診斷發現入口管線振動大問題，進行針對性的檢修處理，為設備缺陷的及時消除提供了技術指導，避免了過度檢修，節省了檢修成本。