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振动如何影响泵的运行条件
作者:WorleyParsons公司 Amin Almasi
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真空设备/泵展厅
水泵, 罗茨泵, 螺杆泵, 齿轮泵, 离心泵, ...
大多数泵的固有扭转频率通常比横向运动频率要高。泵的压力功能(带有齿轮箱和变频器的泵除外)通常不会引起扭转振动。如果在转速范围之内固有扭转频率低于固有横向运动频率,状态会发生改变。在复合泵组(含有几个泵体的泵组)或采用软性橡胶联轴器的泵组中,也会发生这种情况。

扭转-横向振动

在包括几个泵壳的复合泵组或采用非金属软性联轴器的泵中,固有扭转频率可能比固有横向运动频率低。这种情况下,固有扭转频率通常处于转速范围之内。

在这些泵组中,扭转-横向运动引起的共振可能会导致严重的问题甚至泵的损坏。

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图1. 一台由变频电机驱动的泵

泵转子的不对称、径向载荷和不平衡状态通常由扭转模式和横向运动模式之间的耦合因素组成,影响着中心线的弯曲和扭曲位置。

不对称转子的分析模型考虑了横向运动和扭转之间的耦合作用,被用于模拟扭转-横向运动引起的振动。例如,包括扭转振动耦合条件(泵轴扭转模式的平衡状态和其他影响)的横向运动模式,可用于判断扭转-横向运动共同引起的振动影响。这些分析模型包括周期变化的系数,该系数可能影响扭转强度。这样的分析方程会产生参数共振,但这仅仅在转速恰好等于固有扭转频率的1、1/2、1/4、1/6、1/8倍时才会发生。在扭转-横向共振中,由于不平衡状态和径向载荷力(与不对称的泵轴相作用)构成了真实系统的压力作用,最高的模式共振可能在1倍或2倍于转子转速的情况下发生。

扭转-横向共振模式在固有横向运动频率和固有扭转频率下具有峰值响应。横向模式的峰值频率通常不是很高(横向模式的阻尼相对较高),扭转共振可能具有很大的振幅(因为扭转模式的有效阻尼通常较低。)

对于所有类型的泵而言,最常见的问题就是没有说明按照惯例要在泵上安装扭转振动传感器(以监测转子扭转的诱因或共振)。这对复杂的泵组是一个相当明显的缺点。阻尼不足的扭转模式可能会通过横向模式的联轴器(或长泵轴)被激发出来,这会大大提高压力。这种影响可能会显著增强联轴器/泵轴的破裂。扭转振动的变化与横向振动相比,可以更早的显露出破裂的征兆。换句话说,建议对泵进行扭转振动监测(和泵的扭转振动的变化识别),特别是固有扭转频率相对较低的泵。

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图2. 具有低扭转刚度的软性联轴器。这种联轴器可能会导致驱动器和泵之间的严重的不对准,但是可以降低固有的扭转频率(第一阶固有扭转频率可能低于运转速度范围),从而带来一些运转/稳定性问题。

泵的横向-扭转共振可能发生在稳定状态也可能发生在瞬变运行条件。带有相对细长的泵轴(或带有几个泵壳)的变速泵很容易受到横向扭转共振的影响。例如,包括几个泵壳的泵和通过齿轮组由变频电机驱动的泵。一般来说,多泵壳泵(有时甚至是传统的恒速泵)具有老式的横向-扭转共振。

现在,泵的耦合振动只可能在有限的转速范围内的瞬变状态或非正常运行(比如短路、启动或关机)条件下发生。但是,新一代复合型变频泵(特别是具有相对较宽的运行速度的泵)可能会发生复杂的扭转-横向共振现象。

举个非正常状态下的横向-扭转耦合振动的例子,在一个针对蒸汽涡轮机驱动的泵组的案例研究中,横向-扭转耦合振动形式的稳态响应是由残余不平衡引起的。要解决这个问题需要高度的平衡。然而,由于蒸汽涡轮机的转子叶片突然发生故障,发了发生严重的横向-扭转瞬间振动和动力不稳定现象。

对有些泵来说,回转力矩可以在纵向和水平面上与转子轴的运动相耦合。此外,回转力矩可以改变不同模式下的横向运动的固有频率值。横向运动的固有频率可以根据转速改变(降低或增加)。例如,如果泵的转速增加,第一、二、三和五阶横向运动模式的固有频率会降低,而第四和第六阶横向运动的固有频率会增加。这些运动模式具有正向和反向涡动效应。

高阶模式的频率变化可达30%,而第一、二和三阶固有频率的变化通常低于12%。这些横向运动固有频率的变化(转速的作用)会引起或增强横向-扭转共振,尤其是运行转速范围较宽的变频泵。

在泵的实际运行中,要确定弯曲和扭转的临界转速,并不断调整使它们远离运转速度极其倍数。现在则是要确定弯曲-扭转共振的临界转速,并通过调整使其远离可能的激发转速(可能会导致共振)。特别是转速及其二次谐波应该远离扭转运动的固有频率。

齿轮组可能会促使弯曲和扭转振动之间的耦合。横向-扭转共振可能会在带有齿轮组的泵组中发生,特别是当固有弯曲频率接近转速时。通常,扭转模式会被横向运动诱因激发出来。有时,横向运动响应可能是由扭转振动引发的。

不同的案例研究表明了耦合机制的重要性,它增大了振动的振幅。这些耦合共振对于齿轮泵(通常是高速或高压泵)的运转可能是有害的。

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图3. 一台立式泵。这种立式泵的长泵轴可能具有一些低扭转刚度效应。在某些关键的立式泵中应观察扭转-横向共振。

扭转激励(例如具有高振幅动态扭矩的瞬间扭转状态)下的转子的横向响应值得认真研究。扭转阻尼可能非常低,瞬间扭转力矩可能非常高,有时是正常扭矩的三到六倍。这种类型的耦合共振可能非常严重。如果弯曲的临界转速接近转子的转速,它可能是由耦合共振激发的。这种情况下,转子在耦合扭转的激发下可能会发生高振幅的振动。即使转子的横向临界转速并不接近泵的转速,多倍(通常是两倍)转速下的横向响应可能会达到一个非常高的峰值。
文章内容仅供参考 (投稿) (7/5/2013)
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