立式多级冲压离心泵噪声异常故障诊断及处理

2023-07-28马胤琛丁康康武文金

科学技术创新 2023年19期

马胤琛，丁康康，武文金

（上海凯泉泵业（集团）有限公司，上海）

冲压焊接立式多级离心泵扬程高、效率高，制造过程省时省材、流道特性好、水力性能优于传统铸造泵并且使用寿命长，维修替换方便，已经成为水泵领域未来发展的主方向。常运用在生活供水、污水废水处理、煤矿抽水、原料运输等场合。[1]由于其材质轻、机械结构复杂、流态容易不稳定，更容易产生噪音问题并对用户的使用带来严重影响。

引起冲压焊接立式多级离心泵噪声的原因可以分为机械噪声和流体噪声。其中，机械噪声主要由冲压泵转子系统质量不均，水泵不对中、不平衡，临界转速、摩擦、泵底角松动等因素引起。流体噪声主要由可压缩介质流态变化引起，包括运行的流量、扬程、转速和进出口压力等因素的改变，都会导致流态发生变化，从而产生声波。[2]比较典型的如压力脉动，不同冲压泵壳的内部结构，会导致局部速度和压力的周期性变化，引起声波。机械噪声主要来自于机械结构振动和二次空气噪声，它所产生噪声峰值的特征频率为离心泵转速的倍数[3]。流体噪声主要由压力脉动和汽蚀噪声组成，这些噪声已固体传播噪声的形式向外辐射。常见的噪声主要为离散噪声，表现为窄频带力（如转动频率、叶片通过频率），与冲压泵内部动静干涉有关。而宽频噪声主要由湍流、汽蚀等引起，主要来自于流体和叶片相互的作用、叶轮和导叶的间隙，漩涡的生成、扩散、溃灭和空化等非定常流态现象有关[4]。

本文使用动态信号分析仪及配套传感器对多个发生噪声问题的用户现场开展检测，通过对不同频率下冲压泵振动、噪声的检测，找出故障原因，并提出解决方法。

1 立式多级冲压离心泵测试装置及测量方法

使用CoCo80-X 动态信号分析仪、PCB 噪声传感器和振动传感器进行振动频谱测试。通过对振动的时域信号进行快速傅里叶变换（FFT），得到振动频率5-3 500 Hz 和噪声频率5-10 000 Hz 范围内的频谱图，并评定频谱图各离散频率上的波峰值[5]。

流体噪声的特点是频率覆盖域很宽宽带连续谱噪声，其中也可叠加一些特征线谱。线谱噪声反映了离心泵的结构特征，主要特征表现形式为轴频、叶频及其倍频，这些与离心泵的动平衡、转速以及叶轮叶片数相关[6]。由于传统时域波形和频域波形分析方法很难为识别提供具体依据，为了更准确地研究流噪声，本文对冲压泵运行过程中检测出的噪声进行离散希尔伯特变化，以此求得瞬时包络，并对包络做功率谱分析，来分析冲压泵引起噪声的原因。

2 立式多级冲压离心泵噪声故障案例分析

2.1 福州罗源标准智慧泵房故障案例

福州市罗源县某居民楼标准智慧泵房其中一套供水机组(KQDQE50-20-105)发生噪声过大问题。针对上述故障，2022 年1 月10 日，携带CoCo80-X 动态信号分析仪去用户现场检查。

2.1.1 故障诊断与处理

模拟用户现场的运行工况，将频率分别设置在41 Hz、43 Hz、45 Hz，观察冲压泵组噪声情况，发现在上述频率变频运行时，泵组出现类似摩擦声，噪声尖锐刺耳。使用CoCo80-X 对噪声较大的2 号泵开展测试，将冲压泵41 Hz、43 Hz、45 Hz 变频运行时，测试上轴承处三个方向的振动以及噪声，发现冲压泵振动值符合测试要求，噪声值超标。观察上述振动、噪声的频谱图，由图1 的测试结果噪声频谱与振动频谱可以看出，噪声在1X、2X、3X、4X 等处存在明显特征频率，对比噪声频谱与振动频谱分析两者特征频率明显而且规律性一致皆以其倍频形式出现；在包络谱中还可看出，以2 倍转频和转频为主，转子系统存在轴弯曲与联轴器不对中现象。

图1 噪声与振动包络谱频谱

测试完成后现场对系统进行拆卸，发现最底部一级叶轮口环与导轴承磨损较为严重，由底部向上磨损逐级减轻；且花键轴目测出现略微弯曲，较大程度磨损。

2.1.2 解决措施与建议

（1）由于冲压泵转子系统存在轴弯曲与联轴器不对中现象且最底部一级叶轮口环与导轴承磨损较为严重，决定在用户现场拆下并重新更换口环磨损较为严重的叶轮，并对叶轮的安装顺序进行调整，重新安装。然后重新对冲压泵振动和噪声开展测量，结果噪声明显降低，测试值符合冲压泵噪声测试标准。

（2）冲压泵定转子结构碰摩出现噪声，更换叶轮并重新装配后泵运行噪声正常，现场拆解和振动频谱都表明引起的原因是转子系统的轴弯曲和联轴器不对中，可能是由于联轴器出现滑动引起；在41 Hz-45 Hz 变频运行时出现尖锐刺耳的噪声，振动频谱中也出现噪声对应的频率，且该频率随转速变化，可能是定转子碰摩产生的流体激振引起的。

（3）由于同类冲压泵产生了多起类似的噪声过大的问题，建议在冲压泵安装过程中，控制联轴器对电机轴和泵轴的压紧力，避免出现联轴器滑移和对中偏角；在冲压泵出厂检测的过程中，需要对联轴器不对中的检测方法和指标提出更严格的要求。

2.2 苏州某高楼供水机组故障案例

苏州某高楼商场供水泵房使用三套冲压泵机组（包含 6 台冲压泵），其中一台冲压泵KQDQE50-16-130，当运行频率为40 Hz 时，噪声过大。图2 的测试结果噪声频谱与振动频谱可以看出，特征频率明显而且规律性一致皆以倍频形式出现（与福州2.1 测试结果基本一致）。经过多方商议，决定更换泵头，最终噪声有所改善。

图2 噪声与振动频谱

2.3 昆山某写字楼供水泵房冲压泵故障案例

昆山一新建写字楼供水泵房使用四台变频冲压泵做为供水设备。经用户反馈，其中一台KQDQ-80-45-98 存在较大噪声，对现场环境造成极大影响。通过和用户沟通，确定用户现场楼高66 m，用户通常将电机频率设置在35 Hz 运行。

2.3.1 故障诊断与处理

模拟现场工况运行情况，将冲压泵运行到35 Hz，观察噪声情况。发现存在类似于水流冲击的较大噪声，且噪声来源主要在泵体处，电机有轻微的蜂鸣声。使用CoCo 频谱分析仪对用户现场发生故障的泵开展噪声检测，分别对电机法兰、进出处开展测量，发现两处噪声都超过噪声测试标准，且进出口处噪声略大于电机法兰处噪声，测试数据结果与分析结果见表1 和图3 所示。