螺杆泵异常振动噪声的分析与处理

廖金军，高海平，高隆隆

（华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉 430074）

0 引言

螺杆泵由于其结构和工作特性，相对其他液压泵而言，具有自吸能力强、结构紧凑、工作噪声以及流量压力脉动小和使用寿命长等优点［1］，在能源、船舶、化工和陶瓷工业等领域得到了广泛的应用［2］。

虽然螺杆泵工作平稳，振动和工作噪声较小，但在日常安装和调试过程中也常出现螺杆泵系统的异常振动以及工作噪声大等情况，甚至在系统运行一段时间后也会出现诸如上述异常的工况。当螺杆泵出现异常振动和噪声后，其作为振动源激励系统基础和相连的管路系统，通过相连设备传递到系统下游，从而导致系统工况和工作条件的恶化，甚至对设备造成损害［3］。

由此可见，维护螺杆泵的正常运行，消除螺杆泵系统存在的异常振动和工作噪声具有实际意义。

1 物理模型

螺杆泵系统的工作原理如图1所示，本系统主要由以下4个部分组成:油源、安全装置、螺杆泵和负载设备。由于空间原因，油箱的安装位置位于螺杆泵的侧下方，油箱液面距离螺杆泵的吸油口垂直高度为1.25 m;泵的吸、排油口均安装有阀门装置（维修时关闭，正常工况为常开）;螺杆泵竖直安装，通过管路与阀门和油箱相连;负载设备通过长度为6.5 m左右的管路与泵连接。

本文针对按上述结构安装的2台同型号同规格的螺杆泵中的1台出现异常振动和噪声的现象，对螺杆泵振动噪声原因进行分析。

图1 螺杆泵系统工作原理图Fig．1Functional diagram of the screw pump

螺杆泵系统的各物理参数如表1所示。

2 吸油特性分析

螺杆泵是通过螺杆的回转运动来完成吸、排油的。同时，油液通过吸油管路和阀门装置时都将产生一定的压降，其中油液通过吸油管路的水头损失为:

式中:g为重力加速度，m/s2;hf为吸油管路水头损失，m;λ为管路沿程阻力系数;Li为吸油管路管段的长度，m，i≤n;ξj为吸油管路弯头局部阻力系数，j≤k;v为吸油管内流体流速，m/s。

2.1 沿程阻力系数

为了计算油液通过螺杆泵吸油管路的水头损失，需对吸油管内的油液流动状态进行分析。当管中油液以层流或紊流状态流动时，管道的沿程阻力系数也将发生变化。

1）吸油管内油液流速

分别将表1中的数据代入式（2），可得v=1.24 m/s。

2）雷诺数

将表1中数据带入式（3），可得Re=1 240，并根据吸油管中的流体流动雷诺数可以确定油液在管中流动为层流。

3）沿程阻力系数

式中:r为管道半径，m;R为管道弯曲半径，m;θ为弯头弯角，（°）。

弯头的局部阻力系数按式（4）计算，由于吸油管路中弯头都为90°弯管，并按标准弯径弯制R= 2.5r，于是可得弯头局部阻尼系数ξ=0.206。

2.2 吸油管水头损失

将各参数的结果代入式（1）可得吸油管路水头损失为hf=2.19 m。

根据计算结果hf＜Hs可知，螺杆泵的吸油能力足够，不会因为吸油困难而造成系统的振动和噪声。

3 汽蚀余量分析

为了避免螺杆泵汽蚀现象的发生，泵的安装应在距离油箱液面一定高度范围之内，否则，当泵安装过高时极易造成泵的汽蚀，并导致泵及管路系统的振动和噪声［5－6］。以下就螺杆泵不发生汽蚀条件下的泵安装高度进行分析。

根据对螺杆泵汽蚀余量的分析，螺杆泵不发生汽蚀应满足的条件是:

式中:NPSHa为螺杆泵有效汽蚀余量，m;NPSHr为螺杆泵必需汽蚀余量，m;S为安全系数（通常取0.5～1 m）。

根据文献［5］中的定义:

式中:P0为工作环境下的大气压力，Pa;ρf为工作介质的密度，kg/m3;he为泵的安装高度，h;Pv为工作介质的饱和蒸汽压，Pa。

同理:

式中，Hs为泵的真空吸上高度，m。

将式（6）和式（7）化简可以得到:

代入各计算参数可得:

实际中，螺杆泵的安装高度he=1.25 m，可知泵的安装高度已在允许的范围内。

图2 系统参数状态与计算参数Fig．2Comparison of system parameter and calculated result

通过对螺杆泵系统的吸油特性和汽蚀余量分析可知，螺杆泵的安装高度在其吸油能力范围之内;同时，螺杆泵的汽蚀余量分析也表明，泵在当前的高度上不会造成泵汽蚀的产生（如图2所示）。

4 原因分析

螺杆泵在工作过程中产生异常振动和噪声的原因大致可以分为以下几种情况［7］:

1）泵与电机的安装不同心;

2）螺杆与壳体安装不同心或二者啮合间隙过大;

3）泵吸油管路有空气吸入;

4）泵的安装高度过大，泵内产生汽蚀现象。

从第2和第3节的计算分析和图2所示可知，首先泵的吸油能力足够，不会出现螺杆泵吸油不足的问题，可排除原因4）;再则，在现场中，同类型的螺杆泵没有出现类似的异常振动和噪声现象，因此可以排除原因1）和原因2）。

从以上分析初步得出结论:吸油管路有漏气的可能性;如果管路螺纹连接及焊接处没有漏气现象，则安装在泵前吸油管路中的截止阀可能存在密封不好的情况。

5 结语

在初步确定了螺杆泵异常振动和噪声工况后，对吸油管路进行了排除，发现管路连接及密封良好;同时，将吸油管路截止阀进行了更换，重新启动系统后，螺杆泵振动噪声明显减小，属于正常运行工况。由此可以断定螺杆泵系统的计算和分析结论是正确的，吸油管路中截止阀的手动操作部件存在有密封不牢，当螺杆泵运行时有空气从该处进入吸油管路。

［1］李壮云．液压元件与系统［M］．北京:机械工业出版社，2008．

［2］雷天觉．新编液压工程手册［M］．北京:北京理工大学出版社，1998．

［3］张得俭．单螺杆泵的振动分析及防止措施［J］．机械研究与应用，2001，（3）:13－16．

［4］张也影．流体力学［M］．北京:高等教育出版社，1999．

［5］郭立君．泵与风机［M］．北京:中国电力出版社，1997．

［6］王朝辉，石永春，朱焕勤．泵几何安装高度的分析与确定［J］．油气储运，2003，22（1）:46－48．

［7］孔建益，李公法．潜艇振动噪声的控制研究［J］．噪声与振动控制，2006，（5）:1－4．