摘 要：为解决某电厂循环水泵电机换新后振动超标问题，采用频谱分析进行故障诊断，确定为共振问题。再借助有限元计算，有针对性地对泵组进行支撑加固，改变了泵组的固有频率，使其远远避开了共振区间，共振问题因此得到妥善解决。
关键词：立式泵 转频共振 频谱分析 有限元分析
概述
立式混流泵广泛应用于能源化工行业冷却水输送、海水淡化、城市排水、南水北调、农业灌溉等，但由于其轴系长、支撑刚度低等特点，无论是变频改造还是更换某些部件，都极易引发水平方向的共振问题。一旦发生共振问题，如果不进行振动分析、明确振动机理、破坏共振条件，仅每次检修转子部件、更换磨损的导轴承等，将无法彻底解决振动问题。本文结合频谱分析及有限元分析，为此类转频共振问题提供了解决思路，该思路成本低，效率高。
循环水泵组介绍
循环水泵为立式单级、非抽芯式混流泵，叶片角度固定不可调，泵重7.5 t，额定转速745 rpm。新更换的电机为定速电机，重量7.2 t，额定转速747 rpm，泵与电机配有各自的推力轴承。
图1：循环水泵外形结构
如图1所示，泵组分为基础以上部分（依次为：1. 立式电机，2. 电机架，3. 水泵推力轴承箱，4. 出水弯座，5. 底板）和基础以下部分（为：6. 泵体及转子部件）。
振动情况及处理措施
四台循环水泵自更换新电机后，运行均出现电机顶部轴承水平方向振动严重超标的情况。
原始状态
循环水泵及电机初始振动速度如表1所示。
表1：初始振动速度表（mm/s，rms）
频谱分析
脱开泵与电机之间的联轴器，进行电机空载测试，频谱见图2。
图2：电机空转频谱
电机空转振动速度见表2。
表2：电机空转振动速度（mm/s，rms）
根据频谱，判断电机振动主要由转频引起（额定转速745rpm，频率12.45Hz）。转频振动大，考虑的因素有：转子动平衡差，转子缺陷，安装松动，共振等。此前水泵和电机均返厂维修，重做动平衡，均未解决振动问题，因此判断共振的可能性较大。
固有频率测试
进行敲击实验，固有频率测试结果如图3和表3。
图3：电机固有频率
表3：电机固有频率
出水方向和垂直出水方向固有频率存在差异，主要是因为：
1）电机架垂直出水方向开了检修窗。
2）出水方向连接了出水管路[1]。
物体的固有频率和物体的质量成反比，和刚性成正比，表达式为：
式中，
因此，我们可以通过改变物体刚度或质量来改变固有频率，避开共振区间，减小振动。如松开电机地脚螺栓后空转电机，电机顶部振动由先前的18 mm/s~20 mm/s（rms）下降至2 mm/s~4mm/s（rms），变化明显。因为松开螺栓后，刚性下降，固有频率改变，破坏了共振条件从而影响振动，该方法可以作为无频谱分析仪时判断共振的简单方法[1]。
有限元分析
对于共振问题，有限元分析是出具解决方案最直接有效且低成本的方法之一。通过数值计算，在不更改土建和设备的情况下，得到改造后的泵组的固有频率，大大降低了试错风险和成本。
图4：原泵组有限元分析
表4：原泵组固有频率计算结果
API610标准规定，固有频率应避开转子频率的±10%。工程上，固有频率±10％为严重共振区，固有频率±20％为共振风险区[2]。
解决共振问题，可以从两方面着手，一方面减弱振动激励力，另一方面改变固有频率以避开共振区。改变固有频率也可以从两方面考虑，一是通过增强刚度或减轻质量来提高固有频率，二是通过减弱刚度或增加质量来降低固有频率[3]。对于变速运行的设备，一定要避免改造后的设备的固有频率落在工作转速区间，避免和其他常见故障频率重合（如2X，3X等），否则会出现解决了一个共振点却引发了另个共振点的情况。
一般地，为了减少工期和成本，工程上大多采取加支撑的方式来提高固有频率。若通过焊接的方法将支撑件和泵组相连，需要注意泵组部件是否热变形，带来结构安全风险。本案例中，通过三维建模，在地基上建立四根斜撑，顶住电机架，再对改造后的泵组进行有限元计算。
图5：改造后泵组有限元分析
表5：改造后泵组固有频率计算结果
经过计算，加上四根斜撑，在正确安装的情况下，改造后的泵组的固有频率有了明显提高，远远避开了共振风险区。
现场施工及验证
将设计制造好的斜撑通过膨胀螺栓固定在基础地面，另一端通过螺栓紧固在电机架上。
空载测试中，电机顶部轴承水平方向振动均小于1.5 mm/s（rms），带载测试振动也小于2 mm/s（rms），共振问题得到解决。
结束语
对于立式泵强烈的转频振动，在进行转子故障分析或安装问题检查的同时，要判断泵组有无共振风险[4-5]。若固有频率与转动频率避开率低，则需要处理共振问题。通过三步走的方法：定位振动源，确认共振问题，改造泵组以改变固有频率，从而达到解决振动的目的。
参考文献
[1] 何国安，龚伟，李志强，张卫军.立式泵组结构共振分析及治理[J].热力发电2015,44(11):94-97.
[2] 孔涛，周文朝，李海峰.立式泵组共振问题分类及预防[J].水泵技术,20199(2):19-23.
[3] 付江永，刘明利，王鸿雁.核电站立式长轴泵电动机故障诊断及处理[J].发电设备，2019,33(3):201-204.
[4] 柯啸.核电站立式泵-电机振动高设计改进[J].电气技术，2017,7:73-77.
[5] 潘再兵.立式导叶式泵振动问题的探讨[J].中国农村水利水电，2008,7:100-102.
两位作者均来自于：上海凯士比泵有限公司
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