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工程实践‖通过分析立式电机顶部振动获取见解（下）工程实践‖通过分析立式电机顶部振动获取见解（下）上接：工程实践‖通过分析立式电机顶部振动获取见解（上）。 本系列文章上半部分讨论了通过分析“电机顶部振动”中介绍的数学模型可能获得的见解。下半部分扩展了这些见解，并提供了减少电机顶部振动的指导原则，介绍了泵的基础如何影响振动，并讨论了泵的运行速度的影响。 减少电机顶部振动的指导原则 请读者注意第一部分中讨论的简化假设所带来的限制（只考虑第一种模式，不考虑其它模式，除不平衡外没有其它激励源）。所提供的信息仅作为深入了解的工具，而非全面的研究成果。它将有助于更好地理解立式、湿式、管壳泵的振动，并有助于制定电机顶部轴承的标准振动验收标准。实现较低振动水平的一般指导原则包括以下内容： 1）为了减少电机顶部的振动值，建议使用高于标准的改进型电机平衡等级。电机制造商通常有一个默认的标准平衡等级，但也可以提供特殊平衡，且只需支付少量的额外费用。泵制造商可以协助规范制定者确定可实际提供的电机平衡等级，以便纳入规范中。 2）为减少安装过程中的电机顶部振动值，需要在现场留出足够的频率分离裕度。为了帮助确保在施工前阶段的安装具有较低的振动响应，最困难的挑战是预测预期的结构簧片频率，因为要达到所需的精度并不容易。好多年前的文章讨论了计算结构簧片频率的简单方法。此外，水力协会的ANSI/HI 9.6.8《Dynamics of Pumping Machinery》也为该主题提供了指导。在ANSI/HI 9.6.8中，结构簧片频率的计算方法被视为“1级”分析，而ANSI/HI 9.6.8中讨论了更精确的方法，以便在这些方法合理的情况下使用（ANSI/HI 9.6.8中还讨论了做出这一决定的指南）。由于结构簧片频率的准确预测对于实现减振非常重要，因此需要高度确定减振值的规范制定者可能需要指定更高级别（更准确）的动态分析，以精确预测预期的结构簧片频率。ANSI/HI 9.6.8包括对可用分析方法和样本规范模板的讨论，这些模板可用于合同规范中，以要求进行所需的分析。 3）ANSI/HI 9.6.8 讨论了电机簧片频率及其对立式结构的影响。提供了样本规范模板，可用于合同规范，要求在装运前进行冲击测试，以确定实际的电机簧片频率。 图1：结构簧片频率与电机簧片频率的关系 - 改编自 ANSI/HI 9.6.8《Dynamics of Pumping Machinery》中的图 C.2（由新泽西州Parsippany水力研究所提供） 基础影响 对于根据测试结果已知现场结构簧片频率特性的安装，这些测试结果将包括基础刚度影响，因此无需计算基础影响。泵的运行速度与实际结构簧片频率之比会对振动响应产生重大影响。对于施工前阶段的应用，其中基于测试的实际结构簧片频率特性是未知的，并且必须进行计算，可采用以下方法将基础影响应用到正在讨论的数学模型中。公式1用于确定结构簧片频率。 公式 1： 其中，分母（如公式 2 所示）：电机重心（CG）处结构的静态挠度（∆s）；W = 电机特性；L 和 a = 尺寸；E1和I1 = 泵头特性（摘自多年前的文章） 。 公式 2： 将刚性基础的定义调整为可将电机CG处的结构静态挠度增加5 %或更少，则可得出公式3所示的结构簧片频率（使用5 %的影响或1.05的系数）。 公式3： 引入1.05的基础效应系数后，在不考虑基础效应的情况下，结构簧片频率将降至97.6 %。非刚性基础影响的系数大于1.05时也可采用类似方法处理，并将得出的结构簧片频率输入公式 1（上半部分）。利用这些信息，基础刚度可通过该旋转不平衡模型中的频率比（ω/ωn）间接影响振动。 图2：600 rpm时结构簧片频率与电机簧片频率的关系 设计运行速度考虑因素 在具有特定设计运行速度（或电机速度）的应用中，很难实现令人满意的频率分离裕度。由于典型的结构特征和可用的电机簧片频率，这些应用更容易受到共振和振动增加的影响。相反，与其它设计运行速度相比，在某些设计运行速度下更容易避免共振和降低振动。请看图1。图1显示了结构簧片频率与电机簧片频率的关系，以及ANSI/HI 9.6.8中定义的不同结构特性值的曲线图。通过图1，可以利用电机簧片频率和结构特性以图形方式确定结构簧片频率。 图3：720 rpm时结构簧片频率与电机簧片频率的关系 对于每个设计运行速度，希望在现场条件下保持±10%的频率间隔（ω至ωn）。图2至图7描述了图1，以及设计运行速度为600 rpm至3,600 rpm 时的±10%裕度范围。为简单起见，采用了同步转速，±10%的范围用红色表示。在每种情况下都假设恒速运行。在图2至图7中，为实现与电机转速至少10%的间隔所需的结构簧片频率必须在红色区域之外。由于数学原因（3600 x 20% = 720，其中 600 x 20% = 120），较高转速下的结构簧片频率避免带比较低转速的结构簧片频率避免带更宽。 图4：900 rpm时结构簧片频率与电机簧片频率的关系 此外，某些转速（如1,800 rpm）似乎更有可能与现有电机簧片频率范围内的结构特征图相交。较低的设计运行速度似乎比较高的电机速度更不容易出现问题。这些特征对用于标准验收标准的振动单位有影响。下一节将详细介绍这一主题。另一个问题是，规范制定者通常希望结构簧片频率高于泵的最大运行速度。然而，如图所示，这并不总是可以实现的，尤其是对于较高的转速时。泵制造商可提供合同前指导。 图5：1,200 rpm时结构簧片频率与电机簧片频率的关系 用于标准验收标准的振动单位 以速度表示的振动单位最适合用作标准振动验收标准的基础，速度均方根（RMS）是行业公认的格式。然而，在某些情况下，设计运行速度开始偏离所遇到的典型结构簧片频率，频率分离裕度随着设计运行速度的降低而增加。图2至图7说明了设计运行速度的考虑因素，从中可以了解这一现象。在较低的速度下，频率分离裕度远大于最小建议的10%，由此产生的振动非常低，远低于在较高速度下有用的速度验收标准。 图6：1,800 rpm时结构簧片频率与电机簧片频率的关系 因此，在某些速度下，引入一个额外的位移标准（Mils，峰-峰值），对低速应用适当的灵敏度是可取的。该标准应基于专门针对电机顶部振动的经验数据，并考虑所遇到的典型频率分离裕度（而非高度）。 变速注意事项 变速驱动器的普及给立式泵行业带来了振动方面的挑战。由于篇幅有限，本系列文章无法对这一主题进行讨论。 不过，ANSI/HI 9.6.8《Dynamics of Pumping Machinery》为处理变速应用中的结构簧片频率提供了有用的指导。此外，还建议与泵制造商进行协调。 参考文献 1）Claxton, J. “Top-of-Motor Vibration,” Pumps and Systems, September 2012. 2）ANSI/HI 9.6.8, Dynamics of Pumping Machinery, Hydraulic Institute, Parsippany, N.J., www.pumps.org. 作者简介：Jack Claxton，P.E.，1995年至2012年担任HI振动委员会主席，自2005年成立以来一直担任HI泵送机械动力学委员会主席。自1975年从佐治亚理工学院毕业以来，他一直在佐治亚州Toccoa的Patterson泵业公司工作。他是工程部副总裁，担任工程部部长33年。 |
