屏蔽泵振動(dòng)噪聲測試及分析

鄭 　 鐳，　彭 彥 平，　龐 桂 兵，　趙 秀 君，　靳 永 強(qiáng)，　王 　 琿

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 大連　116034；

2.大連四方電泵有限公司， 遼寧 大連　116045 )

?

屏蔽泵振動(dòng)噪聲測試及分析

鄭 鐳1，彭 彥 平1，龐 桂 兵1，趙 秀 君1，靳 永 強(qiáng)2，王 琿1

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 大連116034；

2.大連四方電泵有限公司， 遼寧 大連116045 )

摘要:對(duì)設(shè)計(jì)制造的屏蔽泵額定工況下的振動(dòng)噪聲特性進(jìn)行了測試，對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得了烈度、加速度級(jí)、聲壓級(jí)頻譜。通過對(duì)各個(gè)頻譜圖進(jìn)行分析研究，并結(jié)合泵組的額定工作轉(zhuǎn)速、葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)等分析了屏蔽泵產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的主要原因。在此基礎(chǔ)上確定了屏蔽泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，事實(shí)證明改進(jìn)后的泵的振動(dòng)噪聲性能得到了明顯的改善。其研究結(jié)果對(duì)改善屏蔽泵振動(dòng)與噪聲現(xiàn)狀,提高其整體動(dòng)力學(xué)特性具有重要的理論與實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞:屏蔽泵；振動(dòng)噪聲；頻譜分析

0引言

屏蔽泵又稱為無密封離心泵，泵和驅(qū)動(dòng)電機(jī)被封閉在一個(gè)被泵送介質(zhì)充滿的壓力殼體內(nèi)，此殼體內(nèi)只有靜密封。電機(jī)的轉(zhuǎn)子和泵的葉輪固定在同一根軸上，用隔離套將電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子隔開，轉(zhuǎn)子在被輸送的介質(zhì)中轉(zhuǎn)動(dòng)，其動(dòng)力通過定子磁場傳遞給轉(zhuǎn)子。這種結(jié)構(gòu)取消了傳統(tǒng)離心泵具有的旋轉(zhuǎn)軸密封裝置，故能做到完全無泄漏。

屏蔽泵在運(yùn)行過程中不可避免地產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，振動(dòng)會(huì)影響離心泵運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，而噪聲會(huì)影響相關(guān)人員的工作環(huán)境。在某些使用場合對(duì)振動(dòng)噪聲指標(biāo)要求較高，這就要求在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮泵的振動(dòng)噪聲問題。造成振動(dòng)的原因有機(jī)械、水力、電磁、空氣動(dòng)力等等，機(jī)理非常復(fù)雜，給振動(dòng)噪聲分析帶來很大的困難[1-2]。

本文對(duì)設(shè)計(jì)制造的屏蔽泵進(jìn)行振動(dòng)噪聲特性測試[3]，對(duì)屏蔽泵在額定工況下的振動(dòng)與噪聲進(jìn)行了分析研究，識(shí)別離心泵振動(dòng)和噪聲的主要來源。為今后研究屏蔽泵的減振降噪問題打下基礎(chǔ)。

1振動(dòng)與噪聲測試

1.1測量系統(tǒng)組成

圖1為振動(dòng)測量系統(tǒng)框圖。主要檢測儀器：3560D型噪聲振動(dòng)多分析系統(tǒng)一套；1251型聲級(jí)校準(zhǔn)器一臺(tái)。

1.2檢測環(huán)境

離心泵采取臥式剛性安裝，泵、電機(jī)剛性固定在公共機(jī)座上，公共機(jī)座剛性固定在試驗(yàn)基座上，進(jìn)出口管道通過法蘭與水泵剛性連接。檢測地點(diǎn)背景振動(dòng)加速度等級(jí)不超過62 dB，低于被測設(shè)備振動(dòng)加速度等級(jí)10 dB以上，背景噪聲A聲級(jí)為34 dB，低于實(shí)測設(shè)備噪聲A聲級(jí)10 dB以上，本次振動(dòng)噪聲檢測數(shù)據(jù)無須修正[4]。

1.3測點(diǎn)布置圖

(1)振動(dòng)測點(diǎn)說明

圖2為振動(dòng)測點(diǎn)布置圖。圖中測點(diǎn)1上～4上位于設(shè)備公共機(jī)座上螺栓安裝處。以上測點(diǎn)測量垂直于安裝面方向的振動(dòng)。

圖2　屏蔽泵振動(dòng)測點(diǎn)布置圖

測點(diǎn)烈1、烈2位于電機(jī)機(jī)腳處，測點(diǎn)烈3位于電機(jī)機(jī)體上，測點(diǎn)烈4位于泵體上。以上測點(diǎn)均測量x、y、z3個(gè)方向的振動(dòng)速度。其中：與機(jī)組安裝平面垂直方向用x標(biāo)記；沿機(jī)組軸線方向用y標(biāo)記；垂直于xy平面方向用z標(biāo)記。測點(diǎn)烈1、烈2、烈3、烈4參與振動(dòng)烈度計(jì)算[5]。

(2)噪聲測點(diǎn)說明

圖3為噪聲測點(diǎn)布置圖。各測點(diǎn)離機(jī)組表面的距離均為1 m，其中測點(diǎn)1～4距離基座高度為0.75 m，測點(diǎn)5位于機(jī)組正上方1 m處。

2檢測結(jié)果及分析

2.1檢測結(jié)果

本次檢測工況為額定工況，機(jī)組設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。由于測量點(diǎn)較多，篇幅所限未給出全部測量數(shù)據(jù)。表1為機(jī)腳振動(dòng)加速度級(jí)實(shí)測數(shù)據(jù)表；圖4為機(jī)腳振動(dòng)加速度級(jí)平均值曲線；圖5～圖7分別為測量點(diǎn)1在x、y、z方向上的振動(dòng)速度線譜圖；圖8為噪聲聲壓級(jí)平均值曲線。表2為機(jī)腳振動(dòng)加速度級(jí)、振動(dòng)速度檢測數(shù)據(jù)；表3為機(jī)組各測試點(diǎn)振動(dòng)速度檢測數(shù)據(jù)；表4為噪聲聲壓級(jí)檢測數(shù)據(jù)。

圖3　屏蔽泵噪聲測點(diǎn)布置圖

表1　機(jī)腳振動(dòng)加速度級(jí) 測點(diǎn)1上

2.2結(jié)果分析

2.2.1機(jī)腳振動(dòng)加速度分析

表1為測點(diǎn)1上的機(jī)腳振動(dòng)加速度級(jí)實(shí)測數(shù)據(jù)表，圖4為機(jī)腳振動(dòng)加速度級(jí)平均值曲線。

圖4　機(jī)腳振動(dòng)加速度級(jí)平均值曲線

圖5　烈度振動(dòng)速度(1x)

圖6　烈度振動(dòng)速度(1y)

圖7　烈度振動(dòng)速度(1z)

圖8　噪聲聲壓級(jí)平均值曲線

表2　屏蔽泵振動(dòng)檢測數(shù)據(jù)表

表3　屏蔽泵振動(dòng)速度檢測數(shù)據(jù)表

表4　屏蔽泵噪聲聲壓級(jí)檢測數(shù)據(jù)表

分析表1和圖4可以得到如下結(jié)論：

(1)在50 Hz頻帶處，加速度有一峰值，實(shí)際是工頻(2 900 r/min，約48.33 Hz)引起的振動(dòng)，說明轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精度不高。

(2)100 Hz約為2倍工頻，此處振動(dòng)加速度較大，說明電機(jī)軸與泵軸對(duì)中精度不高。

(3)160、200 Hz頻帶處，分析認(rèn)為實(shí)際是146、194 Hz處，是由于基礎(chǔ)(底座)松動(dòng)或底座剛度不足造成的；振動(dòng)常發(fā)生在3、4、5倍工頻處。

(4)250 Hz頻帶處，分析認(rèn)為實(shí)際是243 Hz，約為5倍工頻，此處振動(dòng)加速度較大，是由于葉輪葉片(5片)通過泵體入口、出口時(shí)發(fā)生流體脈動(dòng)造成的，說明泵殼及葉輪、葉片的水力設(shè)計(jì)存在一定的問題[6]。

(5)其他高頻段振動(dòng)加速度較大，是由軸承精度、配合面軸精度不高，軸承間隙變化等引起的。

(6)小于48 Hz的20、25 Hz頻帶處有一幅值較大振動(dòng)加速度，此處是由于軸承油膜(或其他潤滑液體膜)渦動(dòng)造成的，頻率約為0.5倍的工頻。

2.2.2振動(dòng)速度(烈度)分析

表3為圖中烈度1～烈度4測點(diǎn)處x、y、z方向的振動(dòng)速度檢測數(shù)據(jù)匯總表。圖5～圖7分別為烈度1測點(diǎn)的x、y、z方向振動(dòng)速度實(shí)測線圖。

由表3可以看出：

(1)1、2點(diǎn)處z方向振動(dòng)速度較大。其原因是：底座結(jié)構(gòu)不合理，在z方向剛度不足，電機(jī)及泵橫向(z向)擺動(dòng)造成。

(2)3、4點(diǎn)處y方向振動(dòng)速度較大。其原因是：泵在工作時(shí)，液體水力會(huì)產(chǎn)生軸向力(y向)作用在泵體上，由于水力(速度、加速度、壓力)脈動(dòng)，使軸向力發(fā)生變化。由于底座結(jié)構(gòu)不合理，在y方向剛度也不足，變化的軸向力，使電機(jī)及泵軸向(y向)擺動(dòng)，造成3、4點(diǎn)處y方向振動(dòng)速度較大。

由圖5～圖7可以看出：

振動(dòng)速度較大值發(fā)生在48、100、146、194、243 Hz及部分高頻段。其原因是：

(1)48 Hz為工頻(2 900 r/min，約48.33 Hz)，此處振動(dòng)速度較大，說明轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡不好。

(2)100 Hz約為2倍工頻，此處振動(dòng)速度較大，說明電機(jī)軸與泵軸對(duì)中精度不高。

5)選取20種火災(zāi)現(xiàn)場殘留樣品進(jìn)行激光拉曼光譜的掃描分析，并于黑火藥和液化石油氣光譜進(jìn)行對(duì)比，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場勘驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照分析，車庫起火原因是由點(diǎn)燃的鞭炮投擲到車庫內(nèi)，致使泄露并“沉淀”于庫內(nèi)西南角靠近地面處的液化氣燃燒。

(3)146、194 Hz處振動(dòng)速度較大，分析認(rèn)為是由于基礎(chǔ)(底座)松動(dòng)或底座剛度不足造成的。

(4)243 Hz為5倍工頻，此處振動(dòng)速度較大，是由于葉輪葉片(5片)通過泵體入口、出口時(shí)發(fā)生流體脈動(dòng)造成的，說明泵殼及葉輪、葉片的水力設(shè)計(jì)存在一定的問題，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(5)其他高頻段振動(dòng)速度較大，是由于軸承精度、配合面軸精度不能滿足要求。

(6)小于48 Hz有一處振動(dòng)速度較大，是由于軸承油膜(或其他潤滑液體膜)渦動(dòng)造成的。

烈度2～烈度4測點(diǎn)的x、y、z方向振動(dòng)速度實(shí)測線圖與圖6～圖8線圖十分相似，各處振動(dòng)速度較大的原因也基本相同，此處不再贅述。

2.2.3噪聲聲壓級(jí)分析

各噪聲測點(diǎn)的聲壓級(jí)分布規(guī)律十分相似，在此只對(duì)噪聲聲壓級(jí)平均值曲線(圖8)進(jìn)行分析。

分析圖8可知噪聲發(fā)生在約250 Hz頻段處，實(shí)際頻率應(yīng)為242 Hz，即5倍工頻，此處噪聲較大，是由于葉輪葉片(5片)通過泵體入口、出口時(shí)發(fā)生流體脈動(dòng)造成的，屬于水力噪聲。說明泵殼及葉輪、葉片的水力設(shè)計(jì)存在問題，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)。其他頻段噪聲為機(jī)械噪聲、電機(jī)磁噪聲等。

2.3減振降噪措施

(2)提高泵與電機(jī)軸安裝的對(duì)中精度。

(3)優(yōu)化葉輪及葉片曲面形狀，提高表面精度，減小水力脈動(dòng)[6]。

(4)提高泵體剛度，優(yōu)化蝸殼形狀，減小水力脈動(dòng)，提高泵體低階固有頻率[8]。

(5)改進(jìn)底座結(jié)構(gòu)，提高底座剛度和固有頻率。

(6)改善泵軸向不平衡力狀態(tài)，縮小軸向力對(duì)泵組的影響。

3結(jié)論

本文對(duì)屏蔽泵進(jìn)行了振動(dòng)噪聲特性測試，對(duì)屏蔽泵在額定工況下的振動(dòng)與噪聲進(jìn)行了分析研究，得出影響振動(dòng)的原因有轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡差；電機(jī)軸與泵軸對(duì)中精度不高；基礎(chǔ)(底座)松動(dòng)或底座剛度不足；發(fā)生流體脈動(dòng)；軸承精度、配合面軸精度不能滿足要求；潤滑液體膜渦動(dòng)等。噪聲主要是由于流體脈動(dòng)產(chǎn)生的水力噪聲。根據(jù)以上分析結(jié)論，提出了屏蔽泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，事實(shí)證明改進(jìn)后的泵的振動(dòng)噪聲性能得到了明顯的改善。本文的分析結(jié)果對(duì)改善屏蔽泵振動(dòng)與噪聲現(xiàn)狀,提高其整體動(dòng)力學(xué)特性具有重要意義。

參考文獻(xiàn):

[1] 王信旗,呂玉旗.振動(dòng)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)在高速離心泵上的運(yùn)用[J].流體機(jī)械,1994,22(12):26-37.

[2] 蔣愛華,張志誼,章藝.離心泵噪聲研究的綜述和展望[J].振動(dòng)與沖擊,2011(2):77-84.

[3] 高品賢.振動(dòng)、沖擊及噪聲測試技術(shù)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2010:50-138.

[4] LANGTHJEM M A, OLHOFF N. A numerical study of flow-induced noise in a two-dimensional centrifugal pump. Part I:hydrodynamics[J]. Journal of Fluids and Structures, 2004(19): 349-368.

[5] 徐兵,童章謙,周高明.軸向柱塞泵的振動(dòng)噪聲測試分析及基于殼體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機(jī)床與液壓，2010,38(13):116-121.

[6] 何希杰,于禧民.離心泵水力設(shè)計(jì)對(duì)振動(dòng)的影響[J].水泵技術(shù),1995(1):17-21.

[7] 吳仁榮,陳文毅.降低離心泵運(yùn)行振動(dòng)的水力設(shè)計(jì)[J].機(jī)電設(shè)備,2004(4):18-22.

[8] 張劍慈,崔寶玲,李呋,等.低比轉(zhuǎn)速開式葉輪高速離心泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2006(7):19-23.

Analysis of vibration and noise formed by canned motor pump

ZHENGLei1,PENGYanping1,PANGGuibing1,ZHAOXiujun1,JINYongqiang2,WANGHui1

( 1.School of Mechanical Engineering and Automation, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China；2.Dalian Sifang Motor-pump Limited Company, Dalian 116045, China )

Abstract:A vibration and noise test under the rated condition for the canned motor pump was conducted, and the intensity, acceleration level and sound pressure level spectrum were obtained. The main reason for vibration and noise of the canned motor pump was analyzed with spectrum based on the rated operating speed of pump and the structural parameters of impeller. The optimal design of the canned motor pump was set up, and the vibration and noise performance of the pump had been improved significantly.

Key words:canned motor pump; vibration and noise; spectrum analysis

作者簡介:鄭 鐳(1990-)，女，碩士研究生；通信作者：彭彥平 (1962-)，男，教授.

收稿日期:2014-12-31.

中圖分類號(hào):TH311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1674-1404(2016)01-0072-04