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混流泵起動過程中的振動失穩問題如何破?

混流泵廣泛應用于農業排灌、城市供排水、礦山、大型水利工程、艦船噴水推進、海水脫鹽系統以及火力發電和核電站的循環水系統等領域,在國民經濟建設中發揮著重要作用。

隨著水力機械單機容量和尺寸的增加,人們對其運行穩定性和可靠性問題日益重視。尤其是應用于非調節工況(起動或停機)下的大型混流泵,快速起動過程表現出區別于穩態過程的特殊性質,其瞬態工作特性可為泵系統提供瞬時流體動力,但瞬態效應引起的水力激振、沖擊負載將引發轉子強烈的彎曲振動并導致失穩。

旋轉機械的軸心軌跡作為轉子振動狀態的一類重要圖形征兆,包含大量的故障信息,是形象直觀反映轉子實際運動狀況的有效手段。時域圖可以反映振動量隨時間的變化情況,頻譜圖可以反映復雜信號所含頻率分量。由于不同故障具有不同的頻率特征,根據時域圖和頻譜圖可以對故障性質做初步診斷。因此,研究混流泵起動過程中轉子的軸心軌跡對準確掌握混流泵轉子系統振動的情況、有效防止瞬態效應誘發的振動故障惡化具有重要的工程應用價值。

混流泵模型

目前,關于旋轉機械振動及其軸心軌跡的研究,大多是基于信號處理方法進行振動分析、識別及故障診斷等,部分學者研究了動態軸心軌跡的理論算法和應用,并通過建立轉子-軸承系統有限元模型進行瞬態響應等動力學特性計算。

大連理工大學的趙利華對旋轉機械常見故障的機理進行研究,提出了運用D-S證據理論的信息融合技術對軸心軌跡圖像特征進行識別的方法,并應用模擬和實測信號對方法的有效性進行了驗證;山東大學的李德江分別從軸心軌跡的理論計算、提純和自動識別三個方面對旋轉機械的軸心軌跡進行研究;易太連等設計了低通數字濾波器對位移信號進行了濾波處理,得到了符合軸承負荷分布規律的軸心軌跡圖。

然而,上述成果要點關注了軸心軌跡的信號處理與應用,而對旋轉機械起動、停機過程的軸心軌跡以及振動的研究較少,缺乏與機組結構和自身運行特性的關聯分析。江蘇大學的胡敬寧等通過理論分析和試驗探索了多級離心泵水潤滑軸承-轉子系統在起動瞬態過程的軸心軌跡,但其研究對象為多級離心泵且系統的支承結構為水潤滑軸承。 

江蘇大學的李偉、季磊磊、施衛東等科研人員以混流泵為研究對像,在前期對起動過程瞬態水力特性研究的基礎上,基于本特利408數據采集系統對混流泵起動過程的軸心軌跡進行試驗研究,通過分析軸心軌跡提純后的一倍頻和二倍頻軸心軌跡圖及其時域圖、不同轉速下的頻譜瀑布圖,探討加速起動過程中的振動誘因,為降低或防止混流泵起動過程中振動故障惡化提供理論依據。

研究結果顯示:

混流泵起動過程中,原始軸心軌跡呈外“8”字形且“毛刺”較多,而分解提純后的一倍頻和二倍頻軸心軌跡分別呈圓形和橢圓形,說明起動過程中轉子系統存在不平衡和不對中等問題。

混流泵起動過程中的軸心軌跡測量結果分析表明,由于轉子系統存在由不平衡量引起的工頻振動和不對中現象導致的同步正進動,轉速增加使得轉子不平衡增大,徑向偏移量增加,水平方向振動加劇,加速是造成軸系振動惡化的主要原因。

起動過程中混流泵轉子系統的運行狀態受瞬態效應引起的水力激振、沖擊負載等影響較大。當轉速達到***大值時,揚程隨之到達***大,并在加速結束時出現一個瞬時沖擊揚程和沖擊負載。與此同時,加速起動末期軸系振動也出現一個峰值并隨轉速穩定逐漸減小并穩定。因此,加速完成時的瞬態效應更易加劇軸系振動并誘發振動故障惡化。

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