离心泵干湿状态下振动特性分析与研究

纪郑瑜

摘 要：振动是影响离心泵机组安全可靠运行的重要因素，对离心泵进行动力学研究，为离心泵设计提供依据成为研究离心泵振动的热点。文章针对某离心泵实验台，通过数据采集系统对其离心泵振动特性在8种工作状态下，分别记录离心泵1在干态与湿态平稳运行以后5s的加速度信号。利用Origin软件对采集到的数据进行FFT分析，结果证明了干态分析和湿态分析下，离心泵各阶倍频的数值高度相近，因此，可以将原有的设计流程加以改进，在干态下进行设计即可。这样可以简化设计流程，节省设计经费，且设计结果在解决避免离心泵在各阶倍频下工作这一任务时有着较好的效果。因此，文章基于现有的离心泵设计方法，提出改进意见，提高了离心泵设计的工作效率，为离心泵结构设计的进一步研究提供了参考依据。

关键词：离心泵；动力学研究；FFT分析

中图分类号：TH165+.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）01-0060-02

Abstract： Vibration is an important factor affecting the safe and reliable operation of centrifugal pump unit. The research on the dynamics of centrifugal pump to provide the basis for the design of centrifugal pump has become a hot spot in the study of centrifugal pump vibration. In this paper， the acceleration signals of centrifugal pump No.1 in dry state and wet state are recorded in No.8 working states by data acquisition system. The acceleration signals of centrifugal pump No.1 in dry state and wet state are recorded after running smoothly in dry state and wet state respectively. The data collected are analyzed by FFT using Origin software. The results show that the numerical values of each order frequency doubling of centrifugal pump are similar under dry state analysis and wet state analysis. Therefore， the original design flow can be improved. The design can be carried out in dry state. This can simplify the design process， save design costs， and the design results in solving the problem of avoiding centrifugal pumps in the various times the frequency of the work of this task has a better effect. Therefore， based on the existing centrifugal pump design method， the paper puts forward the improvement suggestions， improves the efficiency of centrifugal pump design， and provides a reference basis for the further study of centrifugal pump structure design.

Keywords： centrifugal pump； dynamics study； FFT analysis

引言

離心泵在日常生活中被广泛应用，大约占到泵类设备的70%以上，它在城市排污、农业灌溉、施工建设、石油管道运输等各方面都有着不可替代的用途。通常，离心泵是整个机械设备的核心部件，一旦离心泵出现故障，会造成设备部件损坏，生产中断，甚至机毁人亡、爆炸污染等严重灾难，因此，其安全可靠运行至关重要。

20世纪70年代至80年代，机械设备的动力学分析在许多发达国家开始研究。但由于国产离心泵的设计经验积累较少，加上缺少有效的监测手段，生产加工工艺不够成熟，造成了巨大经济损失。考虑到国内现状和存在的问题，研究离心泵的振动对其所在系统的影响，从而为提高离心泵设计运行的安全性和可靠性提供实验依据，为离心泵设计改进提供新的思路和设计方法，具有重要的现实意义。

1 实验装置

1.1 实验台

本文所使用的实验台管路结构示意图如图1所示，由离心泵、变频器、电动机、循环水箱、闸阀以及测试设备等组成，振动由布置在离心泵泵壳上的振动加速度传感器测量，流量、压力由布置在管路中的流量传感器（用Q1、Q2表示）和压力传感器（用P1-P4表示）组成。

本实验台使用利欧卧式多级离心泵，主要参数如表1所示。

1.2 FFT变换

2 Origin分析

本实验以离心泵1为研究对象对离心泵干湿状态下的振动信号进行分析，利用虚拟仪器系统控制变频器分别在25Hz、30Hz、35Hz、40Hz、45Hz、50Hz、55Hz、60Hz这8种工作状态下，分别记录离心泵1在干态与湿态平稳运行以后5s的加速度信号，并设置数据采集频率为600Hz。

2.1 Origin FFT滤波分析

通过观察发现，各工况加速度传感器x轴方向第一秒内的振动信号时间-加速度大致为简谐振动，且变频器频率越高，离心泵转速越快，振动加速度变化周期越快；加速度极值与变频器频率未发现明显关系，最大都接近200m/s2。由于y、z方向为离心泵相同振动不同方向的表现，其振动信号是相同的，因此，我们只需要分析y方向即可。

各工况加速度传感器y轴方向第一秒内的振动信号时间-加速度图像。得出的结论与观察x轴方向所得出的结论基本一致。因此，可以认为离心泵振动是由各方向上的简谐振动组合而成的，且振动加速度大小在额定转速附近基本相同；变频器频率越高，离心泵转速越快，振动加速度变化周期越快。由这一结论可以发现，该振动信号满足迪力克里条件，且湿态下的振动和干态下的振动其振动类型是相同的，因此，接下来可以对加速度传感器信号做快速傅里叶变换分析。

2.2 Origin FFT分析

利用Origin软件，在干态和湿态两种状态下，利用虚拟仪器系统控制变频器输出25Hz、30Hz、35Hz、40Hz、45Hz、50Hz、55Hz、60Hz，并记录下离心泵稳定运行后这8种状态下5s的数据，进行FFT分析，首先分析其x轴方向的振动信号。

该三维图可以清晰地反应变频器频率变化过程中振动频谱的变化过程。可以发现干态与湿态下x轴方向上在变频器输出频率相同时，幅值和各阶倍频很相近。继续分析y方向FFT分析结果。

分析可知，不论干态还是湿态下，变频器各个工作频率下，工频振动表现非常均匀，一倍频的时候振动幅值最大；干湿态下，各阶工频相差不大，但幅值在某些倍频时相差较为明显；x轴方向与y轴方向上，干湿状态下各阶倍频值基本一致；离心泵设计频率为50Hz下工作，但是在该设计频率下振动幅值并不是最小，笔者认为通常在设计离心泵时都是通过效率最佳这一指标进行设计的，因此在该点并不一定振动幅值效果最佳，也就是说效率最优并不意味着各测点的振动烈度最小。

通过对以上表格分析可得：在变频器频率为25Hz和45Hz时，振动幅值最大，由此发现，工频振动最大振动幅值与变频器频率之间关系比较复杂，并不是变频器输出频率越高振动幅值越大；不论干态还是湿态，一倍频在变频器频率达到50Hz以后不会随着变频器频率增大而增大，50Hz、55Hz、60Hz一倍频基本不变，都是30.4Hz；干态和湿态的振幅在大多数情况下，相差不大，都在5×10-3mm以内，但是在55Hz时x轴方向上的一倍频干湿态下幅值相差较大；干态和湿态下变频器一倍频数值高度相近，只在变频器输出为55Hz和60Hz的y轴方向上相差0.2Hz。

3 结束语

在进行离心泵设计时，由于高速转动的离心泵在达到其额定转速时要通过自身各阶倍频，因此，分析其倍频是设计离心泵时需要着重考虑的因素。现有的离心泵设计需要通过实际试验，分析其各阶倍频，以避免其工作转速在倍频下运行，由于离心泵在其倍频下一定会有较大的振幅，在设计时通常只需避免其在倍频下工作而不需要分析其倍频下的变形量。通过本实验证明了干态分析和湿态分析下，离心泵各阶倍频的数值高度相近，因此，可以将原有的设计流程加以改进，在干态下进行设计即可，这样可以简化设计流程，节省设计经费，且设计结果在解决避免离心泵在各阶倍频下工作这一任务时有着较好的效果。因此，基于现有的离心泵设计方法，提出改进意见，提高了离心泵设计的工作效率，为离心泵结构设计的进一步研究提供了参考依据。

参考文献：

[1]关醒凡.现代泵技术手册[M].北京：宇航出版社，1995：2-6.

[2]裴吉，袁寿其.离心泵非定常流动特性及流固耦合机理[M].北京：机械工业出版社，2014：3-10.

[3]吴玉林，刘娟，陈铁军，等.叶片泵设计与实例[M].北京：机械工业出版社，2011：1-2.

[4]贾晓奇.离心泵内不稳定流动及振动特性研究[D].浙江大学，2017.

[5]林剛.多级离心泵流动诱导辐射噪声研究[D].江苏大学，2017.

[6]郭文俊.基于双向流固耦合的低比转速离心泵非定常流动及振动特性分析[D].浙江理工大学，2017.

[7]朱俊.多级离心泵性能下降故障机理分析及诊断方法研究[D].北京化工大学，2016.

[8]安颖，崔东艳，刘利平.现代信号处理[M].北京：清华大学出版社，2017：55-57.

[9]张建伟.Origin9.0科技绘图与数据分析超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社，2016：300-303.