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混流泵起动过程中的振动失稳问题如何破?

混流泵广泛应用于农业排灌、城市供排水、矿山、大型水利工程、舰船喷水推进、海水脱盐系统以及火力发电和核电站的循环水系统等领域,在国民经济建设中发挥着重要作用。

随着水力机械单机容量和尺寸的增加,人们对其运行稳定性和可靠性问题日益重视。尤其是应用于非调节工况(起动或停机)下的大型混流泵,快速起动过程表现出区别于稳态过程的特殊性质,其瞬态工作特性可为泵系统提供瞬时流体动力,但瞬态效应引起的水力激振、冲击负载将引发转子强烈的弯曲振动并导致失稳。

旋转机械的轴心轨迹作为转子振动状态的一类重要图形征兆,包含大量的故障信息,是形象直观反映转子实际运动状况的有效手段。时域图可以反映振动量随时间的变化情况,频谱图可以反映复杂信号所含频率分量。由于不同故障具有不同的频率特征,根据时域图和频谱图可以对故障性质做初步诊断。因此,研究混流泵起动过程中转子的轴心轨迹对准确掌握混流泵转子系统振动的情况、有效防止瞬态效应诱发的振动故障恶化具有重要的工程应用价值。

混流泵模型

目前,关于旋转机械振动及其轴心轨迹的研究,大多是基于信号处理方法进行振动分析、识别及故障诊断等,部分学者研究了动态轴心轨迹的理论算法和应用,并通过建立转子-轴承系统有限元模型进行瞬态响应等动力学特性计算。

大连理工大学的赵利华对旋转机械常见故障的机理进行研究,提出了运用D-S证据理论的信息融合技术对轴心轨迹图像特征进行识别的方法,并应用模拟和实测信号对方法的有效性进行了验证;山东大学的李德江分别从轴心轨迹的理论计算、提纯和自动识别三个方面对旋转机械的轴心轨迹进行研究;易太连等设计了低通数字滤波器对位移信号进行了滤波处理,得到了符合轴承负荷分布规律的轴心轨迹图。

然而,上述成果重点关注了轴心轨迹的信号处理与应用,而对旋转机械起动、停机过程的轴心轨迹以及振动的研究较少,缺乏与机组结构和自身运行特性的关联分析。江苏大学的胡敬宁等通过理论分析和试验探索了多级离心泵水润滑轴承-转子系统在起动瞬态过程的轴心轨迹,但其研究对象为多级离心泵且系统的支承结构为水润滑轴承。 

江苏大学的李伟、季磊磊、施卫东等科研人员以混流泵为研究对像,在前期对起动过程瞬态水力特性研究的基础上,基于本特利408数据采集系统对混流泵起动过程的轴心轨迹进行试验研究,通过分析轴心轨迹提纯后的一倍频和二倍频轴心轨迹图及其时域图、不同转速下的频谱瀑布图,探讨加速起动过程中的振动诱因,为降低或防止混流泵起动过程中振动故障恶化提供理论依据。

研究结果显示:

混流泵起动过程中,原始轴心轨迹呈外“8”字形且“毛刺”较多,而分解提纯后的一倍频和二倍频轴心轨迹分别呈圆形和椭圆形,说明起动过程中转子系统存在不平衡和不对中等问题。

混流泵起动过程中的轴心轨迹测量结果分析表明,由于转子系统存在由不平衡量引起的工频振动和不对中现象导致的同步正进动,转速增加使得转子不平衡增大,径向偏移量增加,水平方向振动加剧,加速是造成轴系振动恶化的主要原因。

起动过程中混流泵转子系统的运行状态受瞬态效应引起的水力激振、冲击负载等影响较大。当转速达到最大值时,扬程随之到达最大,并在加速结束时出现一个瞬时冲击扬程和冲击负载。与此同时,加速起动末期轴系振动也出现一个峰值并随转速稳定逐渐减小并稳定。因此,加速完成时的瞬态效应更易加剧轴系振动并诱发振动故障恶化。

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