永湖泵站机组及厂房异常振动分析和研究

杨佳钦，程 龙，刘德祥，潘英杰，鲁 伟

（1.武汉大学水利水电学院，武汉430072；2.深圳市东江水源工程管理处，深圳518038）

0 引言

水泵作为工农业生产和排水排涝工作中必不可少的机械之一，在推动经济发展和保护人民安全等方面起着重要作用。在运行过程中，泵站机组不可避免发生振动，机组异常振动不仅会降低泵站机组效率，缩短其检修周期与使用寿命，严重时还会引起输水管道和整个厂房结构的振动，甚至导致被迫停机［1］。因此，对水泵机组和厂房的异常振动原因进行分析研究意义重大。

常见的水泵机组异常振动，包括机械、水力和电磁因素导致的振动［2］。田山一级泵站出现间歇振动主要由水力因素导致［3］，江都四站水泵振动偏大主要受水力和机械因素影响［4］。厂房是否发生共振可以通过测定厂房建筑物的自振频率和机组振动频率加以对比分析得出。诱发泵站厂房剧烈振动的原因常常是共振［5］，而对机组异常振动的研究常使用分析振动特性的方法［6，7］。要了解机组异常振动的原因可以通过测定机组不同工况下运行的振动特性，将其作为异常振动的识别依据［11-16］。国内针对异常振动产生的原因和改进方法也有了一些研究［3-10］。

本文通过收集永湖泵站机组及厂房不同工况下运行的振动信号，分析其振动特性，找到机组和厂房异常振动的原因并加以改进。

1 工程概况与试验

1.1 工程概况

永湖泵站是深圳市东江水源工程输水主干的二级加压泵站［17］，总装机容量2.6 万kW，属大（2）型泵站。泵站设计安装水泵机组10 台套（一期1～5 号机组，二期6～10 号机组）。其中，二期工程安装的主水泵为德国KSB 公司生产的RDL900-1050A1型水平中开式双吸离心泵，叶片数为6 片，设计流量3.75 m3/s，设计扬程53.2 m。配套电动机为德国西门子公司生产的1RN4636-3HE80-Z 型三相鼠笼式异步电动机，电压等级10 kV，额定功率2 600 kW，额定转速594 r/min。

永湖泵站厂房为干室型，分地下和地上两部分。其中，地下部分为主机间，布置有主机组及管路系统等；地上部分靠出水侧布置有巡视平台、电气室及中控室等。该泵站二期工程投入运行两年以来一直问题不断，主要表现在：

（1）机组振动偏大。二期工程5台机组在各种开机组合下，振动、噪声均较一期工程明显偏大，已对设备安全运行和使用寿命造成了很大影响。

（2）水泵口环磨损严重。通过水泵开盖检查，发现水泵传动端和非传动端的口环均存在有规律的磨损。磨损区域位于从电动机向水泵方向看去的5 时至10 时针范围内，尤以8～9 时针处磨损最为严重。其中6 号机组，非传动端口环有12 cm 弧长被磨至刀口状，且口环磨损部位附近存在明显的淬火变色痕迹，如图1所示。

（3）建筑物局部振感强烈。机组运行时，位于地面层的出水侧巡视平台以及临近的中控室墙体、梁、柱等构筑物振感强烈，导致值班人员在中控室有明显不适的感觉。

针对上述问题，为保证泵站运行安全和管理人员的身心健康，武汉大学对永湖泵站展开了振动试验研究，以期找出机组及厂房局部结构振动的原因。

1.2 试验仪器

振动检测使用的仪器为优泰振动试验系统，该系统主要包括动态信号采集器1台、压电式加速度传感器5个、力锤1把（含力传感器1个）、计算机1台、数据采集整理与分析软件1套。仪器设备型号及参数详见表1。

表1 仪器设备信息一览表Tab.1 Equipment information list

1.3 测点布置及试验工况

永湖泵站局部振感强烈的构件主要有出水侧巡视平台、梁、柱以及中控室的墙体等。分别在上述建筑物构件上布置加速度传感器，传感器布置在平台梁顶面和平台地面等处。分别用力锤进行敲击，使其产生响应，同步记录力锤敲击和响应信号。

对与水泵直接连接的进出水管道同样采用力锤激励法测定其自振频率，传感器均安装在管道侧面。

二期工程5台机组水泵非传动端径向（水平）、轴向、垂直方向以及进出水管道上布置加速度传感器，测定机组振动状况，结果表明5 台机组振动状况基本一致，本文以9 号机组为例予以说明。

试验工况包括正常运行工况、无水空载运行工况、不同进水池水位条件下运行和失电工况。

2 试验检测结果及分析

2.1 自振频率检测

（1）厂房建筑物自振频率.通过对记录信号的时域特性和频域特性的分析，提取各结构的自振频率，如表2所示。

表2 振感强烈的构件自振频率检测结果 HzTab.2 Detection results of natural vibration frequency of components with strong vibration sensation

（2）水泵进出水管自振频率.同样提出水泵进出水管各结构的自振频率，如表3所示。

表3 水泵进出水管自振频率检测结果 HzTab.3 Detection result of natural vibration frequency of water pump inlet and outlet pipes

2.2 设计运行工况下的机组振动特性

图2 为水泵非传动端轴承径向的振动时域波形图。图3 为通过傅里叶变换，得到的水泵非传动端轴承径向振动频谱图。图4为100 Hz以下频谱细化图。

图2 9号机组水泵轴承振动时域波形图Fig.2 Time domain waveform of vibration of pump bearing of Unit 9

图3 9号机组水泵轴承振动频谱图Fig.3 Spectrum of vibration of pump bearing of Unit 9

图4 轴承振动频谱图在100 Hz以下放大图Fig.4 Enlarged view of bearing vibration spectrum below 100 Hz

在图3 中对主要振动频率成分进行采点，结果如表4所示。由表4可以看出，水泵振动的频率成分主要有60、180和220 Hz。

表4 9号机组水泵轴承振动频谱图采点Tab.4 Pump bearing vibration spectrum drawing point of Unit 9

计算9 号水泵振动烈度（10～1 000 Hz），结果如表5所示。永湖泵站二期工程水泵属于第一类泵，对照《泵的振动测量与评价方法》（GB/T 29531-2013）［18］的评价泵的振动级别表，9 号水泵振动级别已达到D级。

表5 9号机组各测点的振动烈度 mm/sTab.5 Vibration intensity of each measuring point of Unit 9

根据上述试验结果可以得到以下结论：

（1）永湖泵站二期工程水泵振动烈度较大，其中6、8、10 号振动级别为C 级，7、9 号水泵振动级别已达到D 级，属不合格范畴。

（2）水泵振动的主要频率为60 Hz，永湖泵站二期工程水泵叶片数为6，实测转速为595.5 r/min，故其转频为9.925 Hz，60 Hz为叶频。

（3）振动频率成分除转频外，2、3、4、5 倍频率成分均存在，但与叶频相比振动幅值均较小。其中3 倍相对偏大，推测可能是联轴器不对中导致。经检查，9 号水泵与电机联轴器同心偏差较大。

2.3 无水空载工况下的机组振动特性

关闭水泵进、出口阀门，排空泵内水体后开机运行，测定水泵的振动特性。

图5 为9 号水泵在无水运行工况下非传动端轴承径向的振动频谱图。

图5 无水运行试验频谱图Fig.5 Spectrum diagram of operating test without water

与图3比较，在无水运行状态下，水泵60 Hz振动不再突出，表明水泵60 Hz振动主要是由水力因素导致的。

2.4 不同进水池水位条件下的机组振动特性

改变进水池水位，将进水池水位由21.5 m 逐渐降低到17.8 m，测定水泵在不同进水池水位条件下运行的振动特性。试验结果如图6所示。

图6 60 Hz振动幅值随进水池水位变化图Fig.6 60 Hz vibration amplitude changes with the water level of the inlet pool

从图6中可以看出，随着进水池水位降低，振动幅值逐渐加大。造成该结果的原因可能是水泵发生了进气或汽蚀。

对9号机组进行填料函进气试验，即降低进水池水位，直至水泵填料函进气，然后在填料函上淋水，使其产生水封效果，在此过程中对机组振动进行检测。试验结果见表6。

表6 填料函进气试验结果Tab.6 Stuffing box inlet test results

由表中所示的实验结果分析知，当填料函进气时，60 Hz 振动幅值开始增大，而一旦通过淋水形成水封，则振动幅值恢复到高水位时的水平。也就是说，水位下降造成振动幅度增大，事实上主要是填料函进气引起的，汽蚀因素几乎没有造成影响。再考虑到永湖泵站实际运行时，进水池一般保持在高水位状态，因此填料函进气对振动的发生影响较小。

根据上述试验结果可以得出以下结论：

（1）机组振动强度与进水池水位有关，进水池水位越低，振动越剧烈。其主要是由于水泵填料函水封不严，运行时漏气造成的。

（2）水封严密情况下机组60 Hz异常振动仍然突出，只是不随进水池水位降低而增大，说明该异常振动不是由于汽蚀或漏气造成的。

2.5 失电工况下的机组振动特性

为研究电磁因素导致异常振动的可能性，对9 号机组进行停机试验。全程采集机组从正常状态直至完全停机的过程中轴承的振动数据，然后抽取断电前、断电1 s 后和断电10 s 后的检测数据进行频谱分析和比较，如图7～9所示。

图7 9号机组断电前轴承频谱图Fig.7 Spectrum of bearing before power off of Unit 9

图8 9号机组断电1 s后轴承频谱图Fig.8 Spectrum diagram of bearing after 1 s power failure of Unit 9

图9 9号机组断电10 s后轴承频谱图Fig.9 Spectrum diagram of bearing after 10 s power failure of Unit 9

从试验结果可以看出，机组断电后，转速缓慢降低，此时200 Hz 以下的主要振动频率都有所下降，但主要组成成分没有改变。这表明机组异常振动与电磁因素无关。

3 异常振动及口环磨损原因分析

3.1 机组振动偏大

机组振动偏大，7、9号水泵振动级别已达到D 级。从图3、4可以看出，9 号机组水泵振动的主要频率中60 Hz 叶频最为突出。在水泵运行中，机组振动频率都会存在基频和叶频，但它们幅值常常相差不大。而此时机组60 Hz叶频幅值远远超过其他频率成分，所以机组振动偏大主要是叶频引起的。

叶频突出的原因可能是转子质量分布不均或者叶轮槽道内水体流速和压力分布不均，导致叶轮受力不均。根据无水空载试验，排除了转子质量分布不均的情况。根据不同进水池水位条件下机组振动特性检试验验，机组异常振动不是由汽蚀或进气引起的。所以导致水泵机组振动偏大的原因是叶轮进口流速、压力分布不均。为检验其是否是水泵振动偏大的原因需要测定水泵进口流速、压力分布。但由于场地等原因无法展开试验。

检查发现，水泵进水渐缩管收缩过快，收缩角远大于规范规定的最大角度，且与水泵进口至叶轮进口吸水管的形状耦合，水泵吸水管中央有一隔板，这一系列因素导致水泵叶轮进口的流速、压力分布不均。水流经过进水渐缩管后，底部水流快速沿渐缩管收缩方向流动，冲击其后直管段顶部后转而直下，随后被隔板分隔，致使隔板下部流量大于上部，因而到达叶轮进口时，断面流速分布不均。水泵进口渐缩管收缩见图10。

图10 水泵进口渐缩管收缩Fig.10 The inlet tapered pipe of the water pump

综上所述，水泵的60 Hz 振动很有可能是由于进口渐缩管收缩过快导致水泵进口压力和流速分布不均造成的。

3.2 口环磨损原因分析

永湖泵站二期工程5 台机组口环均发生严重磨损，说明机组在运行过程中口环与叶轮进口外缘发生了碰擦，一般情况下，碰擦引起的振动在频谱图上表现为转频突出且伴有1/2 和1/3的分频。

对比正常运行工况下的振动检测结果（见图3）可以看出机组在试验检测过程中并未发生碰磨，结合口环确实存在磨损这一事实，初步推断口环与叶轮进口外缘发生的碰擦属于偶发性。根据偶发性的推论、口环严重磨损和黏连磨损位置均为从电机方向看约8 点钟方向的位置等现象，进一步推断口环和叶轮可能发生黏连。叶轮受到不平衡力的作用，导致其与口环一个方向上的间隙变小，发生偶发性碰擦。由于叶轮和口环材料均为不锈钢，偶发性碰擦后发生黏连，加剧了口环的磨损和变形。

将机组口环更换为铜质并运行一段时间后，经揭盖检查发现口环与叶轮没有出现黏连情况。

因此可以得出结论，口环的严重磨损是由于水泵叶轮和口环材料一致，运行时偶发碰擦，进而发生黏连导致的。

3.3 建筑物局部振动

由厂房建筑物自振频率检测结果（见表1）可以看出，厂房出水侧平台梁侧面、梁顶面、地面以及中控室墙体的自振频率均包含60 Hz的频率。该频率正好与水泵运行时的主要振动频率一致（见图3、4）。因此这些建筑物结构极易在机组运行时发生共振。

为此，对出水侧平台地板的底部和边梁的侧面进行加厚、加固处理，并调整二期中控室大门的位置，原门用混凝土封堵。上述结构异常振动现象消失。

所以建筑物结构异常振动的主要原因是发生了共振。

4 结论

通过现场试验以及频谱分析等手段，对永湖泵站二期工程机组及厂房局部结构异常振动问题进行研究，得出了以下结论：

（1）机组振动偏大，异常振动频率成分主要为叶频，主要是由水泵进口偏心渐缩管收缩过快，导致水泵进口压力和流速分布不均造成的。

（2）水泵口环磨损严重主要是由于设计不合理，叶轮和口环材料一致，水泵运行时偶发碰擦，进而发生黏连导致的。

（3）出水侧巡视平台、中控室墙体等局部建筑物结构异常振动主要是由于其自振频率与叶频一致，引发共振导致的。□