|
泵振动及故障排除策略（下）泵振动及故障排除策略（下）上接：泵振动及故障排除策略（上） 前言 测量振动通常是为了初步验收、持续趋势分析和预测性维护以及振动原因的故障排除。这样做的目的是确保泵在新安装和运行时达到行业标准的振动水平，以防止故障、延长设备使用寿命，并查明和排除故障原因。 初步验收和调试 在安装新泵或大修过的泵时，应对其进行调试，以检查泵和系统是否按照设计和预期运行。调试应包括验收的标准振动限值，并为未来趋势设定基线。ANSI/HI 9.6.4 Rotodynamic Pumps for Measurement and Allowable Values 提供了测量位置、程序和验收值。该标准规定了泵类型振动、总均方根（RMS）速度的验收值，以及对于以每分钟 600 转（rpm）或更低转速下运行的低速泵，总峰-峰值位移的验收值。总体振动包括来自分析仪设置频率范围内所有频率的振动，因此可用于验收，但通常不用于故障原因排除。 ANSI/HI 9.6.4 没有提供测量轴位移的程序或验收值。测量轴位移时，通常使用安装在轴颈轴承处的趋近式探头，因此控制因素是轴颈轴承间隙。如果调试振动值高于行业标准，则可采用进一步的故障排除方法来确定原因。 故障排除方法 在初步验收测试和确定基线水平后，故障排除可能涉及以下内容： 1）收集背景信息 2）审查在相同的运行条件下定期收集的基于路线的振动数据 3）时间波形分析 4）频谱分析（FFT） 5）测量其它泵和系统参数时的随时间变化趋势 6）相位分析和运行偏转（挠度）形状（ODS） 7）高速摄像头 8）实验模态分析（EMA） 9）计算机建模【有限元分析（FEA）】 本故障排除项目清单的复杂程度和级别呈总体递增趋势。在本文中，第一至第六项包含了一些细节/示例，而第七至第九项将根据如何在升级分析中使用它们进行大致讨论。 1. 收集背景信息 - 泵和驱动机数据表以及流量、扬程、功率和转速的设计运行条件如何？ - 叶轮叶片数量，传动系统中是否有其它独特之处，如齿轮信息？ - 泵组安装情况如何？基础、底座、灌浆等是否有明显裂缝或退化？ - 泵是新的还是最近维修过的？ - 振动问题是在安装时发现的，还是逐渐或突然加剧的？ - 报告的振动类型和单位是什么？ - 造成振动的主要频率是多少？ - 是否在多个位置和方向进行了测量？ - 报告的振动值是否包含泵的流量、扬程、功率和转速？ - 振动是否随某些系统变量（如流量、转速、液位等）的变化而变化？ - 是否有相同的泵具有相同的振动特性？ - 是否存在被认为会导致振动的故障（例如，不断发生的密封或轴承故障、轴承温度过高、汽蚀损坏、联轴器损坏等）？ 在故障排除过程中进行额外的原始振动数据收集之前，需要收集有关泵设计、运行和总体安装状况的前三点信息。其余所有信息可能无法事先获得，但如果可以获得，则可以为分析人员指明正确的方向，并使额外的数据收集工作更加高效。 2. 审查在相同的运行条件下收集的周期性、基于路线的振动数据 许多维护计划都会采用定期监测，监测应在相同的位置和运行条件下进行，以便进行趋势分析。一般来说，每个数据集都包括总值、时间波形和FFT。查看这些数据有助于确定振动的发展情况，并向分析人员发出警报，以便对特定区域进行更详细的检查。 3. 时间波形分析 时间波形数据通常以峰值（pk）加速度进行审查。这些数据可以从第二项中的定期路线数据中收集，也可以从用于排除故障而收集的其它数据中收集。这是原始数据，可以确认或深入分析故障，如冲击、水力问题、汽蚀、齿轮和轴承故障、调幅、摩擦、非线性（单向运动较多）和高频振动故障。 然而，时间波形通常包括许多同步和非同步频率，因此看起来可能很乱，需要训练有素的眼睛来解读数据。图1是收集到的5秒钟时间波形示例，用于帮助了解可视化影响事件是否正在发生以及是否发生在特定的时间段。 4. 频谱分析（FFT） FFT 是将时间波形中的频率内容可视化的有用工具。振动分析仪可执行此功能，并将振动数据输出为频率或轴转速阶次的函数。每个频率都会出现一个振幅峰值，以确定振动的主要频率成分。这通常是最容易理解泵和驱动培训中典型受迫功能的表述方式。例如，1x频的振动可能表明不平衡是力的来源，或者与叶轮叶片通过频率一致的振动频率可能表明通过蜗壳尖端的叶轮是力的来源。 图1（上图）：时间波形数据显示由于不利的回流和汽蚀影响而产生的随机影响事件 图2（下图）：FFT用红色箭头显示轴转速的阶次 需要使用谨慎、经验和确认的技术来确定这些频率下的高振动是否由可疑的力引起的，因为一些故障，如不对中和不平衡，可能具有类似的振动频率。需要同样的经验和确认技术来了解力是否过高，或者高振动是否由其它结构动力学问题引起的，如结构松动或共振。图2说明了图1中时间波形的FFT。该图显示了许多频率对0.149英寸/秒RMS的整体振动有贡献，其中一些振动与轴速度阶次一致（红色箭头），但FFT中也有大量的非同步振动，这与时间波形中记录的影响一致。 5. 测量其它参数随时间变化趋势 高振动的原因可能与系统运行有关，如旋转速度、流量、浸没深度、可用的净正吸入压头以及在某些条件下会加剧的吸入口/管道设计不良。这可能导致高振动仅在某些系统条件下发生或变得更糟。为了对此进行筛查，需要在足够长的时间内持续记录所有相关数据。筛选周期取决于系统及其自然变化情况，或者手动调整以涵盖所需变化的难易程度。这还需要同时记录数据或使用准确的时间戳记录数据，以便在分析过程中进行匹配。可检测到的典型系统运行相关故障如下：流量过低、共振等。 图 3：多个测量点的振动趋势与轴转速的函数关系，以及在流量减小至BEP流量的71%和流量增大至 BEP流量的93%时的相应FFT 图 3 提供了同一台泵的两种趋势，显示了多个位置的振动记录与转速的函数关系。左图为较低流量（BEP流量的71%），右图为较高流量（BEP流量的93%）。可以看出，叶片通过振动（3x）是造成整体振动的主要因素；在最高转速330至350 rpm 附近，整体振动最大，而在较低流量下，振动几乎增加了一倍。这并不能为分析人员提供清晰的原因，但确实提供了可以进一步评估的重要信息。例如，在叶片通过频率处可能会发生共振，而在较低流动条件下，叶片通过力显然更大。 6. 相位分析和运行偏转形状 (ODS) 一旦已知频率并进行了多次测量，相位分析就是确定运行偏转形状的下一步。相位是测量点位移之间的角度差。 因此，相位分析需要转速表基准（参考）或带有固定加速度计基准的多通道分析仪，以便将所有其它振动测量结果与基准进行比较。为了说明相位，图4显示了在同一平面上测量的垂直轴承箱顶部（红色）和底部（灰色）的16x时间波形。波形上的黑点表示转速表读数（1x）。可以直观地看出，振动幅度从轴承箱顶部到底部是同相的。 图片 4：在同一平面内测量的垂直轴承箱顶部（红色）和底部（灰色）的 16x时间波形图 不同机制产生的受迫振动可以具有相同的频率，但引起的 ODS却不同。如图5所示，相位分析可以像比较两次测量值之间的相位差一样简单。例如，用户可以检查联轴器或轴承架的相位，以确定振动源是否与不平衡、轴弯曲或对中有关。图5显示，轴弯曲和悬垂不平衡可能会导致轴向测量到 1x 振幅升高，但相位特征不同，可以用来帮助区分原因。 完整的 ODS 分析使用交叉相位对整个结构进行动画演示，以直观显示完整的振动运动，可能需要对整个机器、结构和系统进行数百个数据点的分析。由于测量、后处理和动画所需软件的数量较多，ODS 分析可能耗时且成本较高；因此，在困难情况下进行ODS分析有助于确认结构松动等情况，或确认 ODS与固有频率的模态振型相匹配。对ODS的了解有助于就如何修改设备或结构提出纠正措施建议。 图5：轴弯曲和悬垂不平衡的典型相位示例，显示在轴向测量时，弯曲轴将异相，而悬垂不平衡将同相 7. 高速摄像机 照相机技术和软件的进步可以拍摄振动设备的视频，软件可以输出描述结构挠度形状的运动放大视频。这可以作为一种快速的方法诊断设备的运动 - 类似于ODS，但无需进行数百次测量。对于用户无法轻易安装加速度计的设备（如高温、高架管道、绝缘部件），这种方法尤其有用。这项技术的使用有其局限性和注意事项，例如视野、频率限制、照明和缺乏3D视图，因此，它不能取代ODS分析。 8. 实验模态分析（EMA） 进行 EMA 分析是为了确定结构的固有频率和模态振型。这需要用校准过的力锤在能够激发固有频率的位置对结构进行撞击，同时使用流动（不固定的）加速度计在结构沿线位置收集响应数据。由此获得的数据可确定固有频率，频率响应函数数据可用来模拟模态振型。当先前的数据表明共振可能是一个原因时，就可以进行此类分析。第六项中的ODS分析或第七项中的运动放大视频可与EMA固有频率和模态振型进行比较。 9. 计算机建模 在大多数共振情况下，都需要进行计算机建模，以便考虑采用替代设计来解决问题。这需要使用有限元分析软件，并创建结构或转子的精确模型。对于转子动力学，可使用特定或自定义的转子动力学软件。该模型将预测固有频率及其模态振型。在可能的情况下，在使用模型评估设计修改之前，最好先校准模型，使其与EMA相匹配。图6展示了利用有限元分析计算出的高阶固有频率，计算出的固有频率为75.3 赫兹 (Hz)，轴承箱和电机架之间具有异相模态振型。该模型用于更新的电机支架设计。验证了更新后的设计是否将此模式移动到60Hz的泵运行速度之上。 图6：有限元分析显示了轴承架和电机座异相时的高阶模态 泵振动的故障排除是一个过程，需要分析人员像侦探一样收集现有信息，了解泵的作用力和动态，并确定需要收集哪些其它数据。分析可能很简单，也可能需要不断升级的分析和建模才能找到根本原因。这并不是一份故障排除工作中可收集的测量或数据的完整清单，但涵盖了基本原理和主要振动数据。振动的纠正措施可以采取多种不同的形式，但会涉及到改变力或动力学。 参考文献 Refer to part 1 published in the August 2023 issue of Pumps & Systems for vibration fundamentals and references. 作者简介：Pete Gaydon 是水力学会的副执行主任。 |
