基于振動測試和模態(tài)分析的泵站安全研究

陳龍云，高 婧

(廈門大學建筑與土木工程學院,福建 廈門 361005)

近年來隨著城市化水平不斷提高，城市用水量也越來越大，自來水泵站機械常年處于高速運作狀態(tài).泵站機械的振動對廠房和設備造成較大干擾，容易造成建筑結構損傷，降低結構的安全性，輕則造成設備壽命縮短，影響工作人員的身心健康，重則造成廠房坍塌，造成經濟財產不可挽回的損失.我國對工業(yè)廠房振動的相關研究有不少.張飛等[1]對某抽水蓄能電廠廠房樓板振動進行觀測，比較動靜干涉情況，水泵工況下，無葉區(qū)動靜干涉強度弱于發(fā)電工況.江志昊等[2]對某工業(yè)廠房，采用振動測試，結合有限元軟件分析樓板的振動機理，并利用調諧質量阻尼器(tuned mass damper,TMD)進行減震設計.宋志強等[3]對于水電廠房振動預測提出了改進螢火蟲算法優(yōu)化BP神經網絡的方法，為水電廠房等結構振動預測提供了新思路.梁碧云等[4]對馬鞍板屋蓋單層工業(yè)廠房進行地震作用分析，得出廠房跨度越大，受地震作用越大.王林科等[5]對某三層的工業(yè)廠房大型機械設備引起的振動進行研究，通過振動測試和有限元軟件分析，得出設備工作頻率接近結構整體或局部主要自振頻率以及結構剛度不足，均會導致結構的異常振動.朱麗華等[6]對布置有九臺破碎機的工業(yè)廠房采用吊車沖擊和地脈動現場實測，并結合有限元分析，評估了該廠房的動力特性和振動安全性.但對泵站廠房的機械振動鮮有做系統(tǒng)的研究，因此對泵站進行研究，保證安全運作，意義重大.

本文對某泵廠進行振動測試，采用隨機子空間法(SSI)[7]、增強型頻域分解法(EFDD)和最小二乘復頻域法(PolyMax)[8]對不同振動測試工況下進行模態(tài)識別，并結合ANSYS有限元模型對泵站的機械振動進行研究，確定其振動過大產生的原因.

1 工程實例

1.1 工程背景

江東泵站位于九龍江邊，是為廈門經濟特區(qū)供水工程的樞紐，也是目前國內少有的一座大流量、高揚程、全封閉源水泵站.其主廠房上部為電機層，下部為水泵層，水泵層為鋼筋混凝土封閉式防洪墻結構，電機層為鋼筋混凝土框架結構，主廠房總高度21.5 m，副廠房布置在主廠房后，電機層標高6 m，水泵層標高為-0.3 m.主廠房框架間距為5.5 m，5軸和6軸之間為施工縫，平面示意見圖1.

圖1 江東泵站平面圖Fig.1 Plan for Jiangdong pumping station

電機層排架間分布6臺變速電機，相應下部配6臺立式水泵.其中1#、4#電機相同，為日本設備，其余均為國產設備.2#、5#電機相同，3#、6#相同，立式離心泵主廠房排架間距5.5 m.5軸與6軸之間為施工縫，1#電機位于3軸與4軸之間，2#電機位于4軸與5軸之間，3#電機位于6軸和7軸之間，4#、5#、6#電機分別位于7軸、8軸、9軸和10軸之間.6臺機組的電機成一線布置在面積為38.4 m×11.4 m的樓板上，樓板除大梁外無柱.據現場工作人員反應，泵站廠房振動過大，影響正常工作.

1.2 有限模型建立

鋼筋混凝土容重取2.55 t/m3.鋼筋混凝土彈性模量E值，按C30混凝土等級對應的彈性模量.主梁截面尺寸為140 cm×50 cm，次梁為70 cm×30 cm.板厚15 cm，樓板面積取為38.4 m×11.4 m.電機房布置6臺電機，相應配置6臺立式水泵.其中1#、4#電機相同，為進口變頻機組；2#、5#電機相同，為國產串調機組；3#、6#電機相同，為國產變極機組.國產電機質量18 t，底座質量11 t，水冷設備質量0.945 t，機組總質量30 t.在有限元模型中，樓板采用殼單元Shell86，梁和鋼管柱均用梁單元Beam188，機器則采用三維實體單元Solid185.該模型共有7 637個單元，6 900個節(jié)點.建立ANSYS有限元模型(如圖2所示).并和現場實測數據進行對比，進一步對有限元模型進行修正，從而保證有限模型的準確性.

圖2 樓板-機組系統(tǒng)的有限元模型Fig.2 Finite element model of floor-unit system

1.3 振動試驗

1.3.1 試驗工況設計

為了獲得樓板-電機體系的振動特性、單開電機的強迫振動特性以及多機組聯機強迫振動特性，把測試分為3個部分.

第一部分3#～6#機組不運行，1#和2#機組低速運行，目的是減少干擾，準確識別3#～6#機組所在樓板的自振特性.

第二部分為3#～6#機組單機振動(高速、中速或低速)，1#和2#機組低速運行，目的是掌握單臺機組運行下樓板以及機組的振動特性，識別樓板和各機組在不同轉速下的頻率，判斷有無共振的可能，找出6#機組振幅最大的位置.

第三部分為3#～6#多臺機組的聯機振動測試，在該工況下，1#、2#機組的轉速僅用于配合工況，主要測試3#、4#、5#中的2部或3部機組以中速或高速運行時的振動情況.

1.3.2 試驗測點布置

本次測試共安排了35個工況，除工況1～2及工況7～8外，每個工況均布置了26個測點(工況1～2只布置24個測點).共有2臺采集儀負責數據采集，一臺為10通道，另一臺為16通道.其中16通道采集儀用于測量樓板加速度，其測點固定.10通道采集儀用于測量機組加速度，測點布置位置根據工況安排有所變動.工況7和工況8均布置10個測點，在機組上布置6個測點，機組周邊樓板上環(huán)繞布置4個測點.

圖3 測點布置圖Fig.3 Layout of measuring points

2 模態(tài)參數識別

為了盡量減少干擾，從而比較準確地識別3#～6#機組所在樓板的自振特性，識別樓板振動模態(tài)采用工況1-1，在該工況，3#～6#機組不運動，1#和2#機組低速運行.該工況測得的加速度響應時程曲線如圖4所示.(由于測點較多，Z、Y、X方向各選1個測點的加速度時程曲線進行展示).

圖4 ①測點加速度響應時程曲線Fig.4 Acceleration response time history curve of ① measuring point

基于測點位置輸出的加速度響應時程，利用東華模態(tài)軟件和Coinv DASP軟件的模態(tài)和動力學分析模塊，分別采用EFDD、SSI和PloyMax進行模態(tài)分析，可得出樓板-電機體系的自振頻率、阻尼和模態(tài).

由表1 得，EFDD的自振頻率識別最容易，而SSI和PloyMax分別有3個頻率未識別，用理論值和實測值進行對比得出：離1#、2#機組越遠，越難以識別出樓板局部位的豎向振動基頻.3種模態(tài)識別方法得出的結果與理論值均較為接近，最大偏差只有9.43%，3種模態(tài)識別方法都是適用的，PloyMax模態(tài)識別方法與理論值最為接近，最小偏差為0.05%，最大偏差也僅為2.49%.EFDD和SSI模態(tài)識別方法較PloyMax模態(tài)識別方法偏差較大，不過除了個別數據，兩者整體上跟理論值偏差較小.但就識別效果而言，EFDD模態(tài)識別方法明顯優(yōu)于SSI和PloyMax模態(tài)識別方式.因此本文以PloyMax模態(tài)識別的數據為基準，未識別的模態(tài)用EFDD模態(tài)識別的數據作為代替.

表1 3種方法計算豎向振動頻率結果對比

3 強迫振動特性分析

3.1 機組強迫振動頻率識別

為了準確識別單機組的振動特性，判斷有無局部共振的可能，設置工況1和工況3兩個工況，工況1為3#、4#、5#、6#單機組中低速轉動，工況2為3#、4#、5#、6#單機組高速轉動，1#、2#機組低速轉動.

當3#機組低速運轉時，強迫振動的頻率已經很明顯，很容易找到樓板的自振頻率.3#機組強迫激勵頻率的理論值為12.467 Hz，從圖5中找到峰值點對應的頻率為12.451 Hz，兩者非常接近，3#機組高速運轉時，基頻理論值為16.567 Hz，識別值為16.602 Hz，偏差僅為0.21%，表明本次振動測試數據是可靠的.

圖5 3#機組頻譜圖Fig.5 Spectrum of 3# generating set

各機組不同轉速下強迫激勵頻率的理論值和識別值結果如表2所示.

表2 機組強迫激勵頻率的識別值

3.2 機組擾動力的識別

參考《建筑樓蓋結構振動舒適度技術標準》[9](JGJ/T441—2019)和《多層廠房樓蓋抗微振設計規(guī)范》[10]

(GB 50190-93)中關于設備動力荷載的規(guī)定，單個設備動力荷載可采用等效諧波荷載.即：

F(t)=P0×sin(2πf×t).

式中，P0是機組擾動力，f為設備的工作頻率.通過對實測的加速度時程進行自譜分析，可確定機組動力荷載的主頻.

對于機組擾動力P0的識別，采用有限元時程分析技術，使得開動單臺機器工況下的各測點計算峰值加速度與對應的測試值相同.

由表3可看出，5#、6#機組在高速運行時產生的擾動力較大.機組在長時間的運營狀態(tài)下，總會產生一些故障而引發(fā)機械運行產生比較大的擾動力，進而產生不良振動.6#機組在高速運行狀態(tài)下，機組運行產生的荷載頻率約為16.567 Hz，與6#機組所在處樓板局部振動的頻率16.23～16.35 Hz很接近，造成6#機組高速運行時振動過大.

表3 機組擾動力識別結果

3.3 多機組聯機強迫振動分析

本次振動試驗共設計了5種聯機測試組合，分別是1#、3#、4#聯機測試，1#、3#、5#聯機測試，1#、4#、5#聯機測試，3#、4#、5#聯機測試，3#、4#、6#聯機測試，3#、4#、5#聯機測試的電機開啟情況如表4(由于聯機情況比較多選擇3#、4#、5#聯機振動的開啟進行展示).

表4 電機開啟情況

由表5可以得，地面豎向加速度峰值大于0.63 m/s2，超過容許加速度值.由表6可以看出，3#、4#、5#聯機強迫振動時，其振動的頻率成分為機組強迫振動的頻率.4#、5#高速運行時，與樓面的自振頻率18 Hz較為接近.

表5 不同工況加速度峰值

表6 不同工況下的頻率和阻尼比

用同樣的分析方法可以分別對1#、3#、4#聯機測試，1#、3#、5#聯機測試，1#、4#、5#聯機測試，3#、4#、6#聯機測試，進行分析.1#、3#、4#聯機測試，1#、3#、5#聯機測試，1#、4#、5#聯機測試，結果與3#、4#、5#聯機振動測試結果相近，3#、4#、6#聯機測試，6#機組在高速運行狀態(tài)下，機組運行產生的荷載頻率約為16.567 Hz，與6#機組所在處樓板局部振動的頻率很接近，再加上6#機組高速運行時產生的擾動力偏大，共同造成6#機組高速運行時振動過大.

4 結 論

本文對江東泵站廠房進行振動測試，采用SSI、EFDD和PolyMax 3種模態(tài)分析方法，并結合ANSYS有限元模型對江東泵站進行研究，得出以下結論：

1) SSI、EFDD和PolyMax在泵站廠房的模態(tài)識別是適用可靠的.PolyMax模態(tài)識別是最準確的，EFDD模態(tài)識別的階數最多.

2) 國產的5#、6#機組擾動力較大，其中6#機組的老化尤為嚴重，高速時擾動力達到近50 kN.5#、6#機組高速運行時的振動頻率與機位處局部振動的頻率接近，因此產生局部共振，局部共振和擾動力過大這是機組運行過程中樓面振動較大的主要原因.5#、6#機組可以考慮更換新機組來減小擾動力.