基于振動監(jiān)測系統(tǒng)對豎井式貫流泵推力軸承異響原因的分析

唐 演 繆融融 錢 楊

(江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223005)

利用計算機振動監(jiān)測系統(tǒng)對泵站機組振動數(shù)據(jù)進(jìn)行測試及分析，能夠有效掌握機組實時運行工況，確保機組長期安全可靠運行，發(fā)揮泵站工程抗旱、排澇、調(diào)水等綜合效益。泵站機組設(shè)備在運行過程中噪聲問題主要反映在機組軸系及軸系各個部件的運行狀態(tài)上，噪聲產(chǎn)生的原因除機組本身旋轉(zhuǎn)部分及固定部分的振動外，主要是水流對機組過流部件的作用力和電機電磁力對機組軸系產(chǎn)生的不平衡作用力，雖然振動發(fā)生的起因會有所不同，但各因素之間又相互聯(lián)系、相互影響。例如當(dāng)水流作用力引起機組轉(zhuǎn)動部件發(fā)生振動時就會使發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子間的氣隙產(chǎn)生不均勻變化，而此不均衡的電磁力會使轉(zhuǎn)動部件振動加劇，從而形成一個循環(huán)的惡性影響，合理范圍內(nèi)的振動值是允許的，但當(dāng)振動幅值超過規(guī)定范圍時，便會對機組設(shè)備的正常運行造成威脅。本文以通呂運河水利樞紐泵站工程2號豎井貫流泵機組推力軸承部位運行時的異響為例，利用振動監(jiān)測系統(tǒng)分析機組各監(jiān)測部位振動情況，排查異響部位，并提出改善措施。

1 泵站概況

南通市通呂運河水利樞紐泵站工程位于通呂運河上游入江口門處，距長江口約2.2km。通呂泵站流量為100m3/s，采用3臺套豎井貫流泵機組，單機流量33.3m3/s，水泵葉輪直徑3.3m，單機配套電機功率1600kW，總裝機容量4800kW，水泵與電機采用H2SH17+OWGE50.1型齒輪箱連接。

該機組配備振動監(jiān)測系統(tǒng)，主要采集設(shè)備的振動、擺度、轉(zhuǎn)速、壓力脈動等參數(shù)，系統(tǒng)采用自動控制方式運行。機組振動監(jiān)測系統(tǒng)見圖1。

圖1 振動監(jiān)測系統(tǒng)

泵站在運行過程中發(fā)現(xiàn)2號豎井式貫流泵運行時推力軸承部位產(chǎn)生異常聲響，為進(jìn)一步排查異響成因，采用該機組配備的振動監(jiān)測系統(tǒng)對其進(jìn)行監(jiān)測故障分析。

2 機組結(jié)構(gòu)及測點布局

2.1 結(jié)構(gòu)組成

通呂泵站的豎井式貫流泵由三相異步電機、柱銷式聯(lián)軸器、二級減速齒輪箱、流道系統(tǒng)、葉輪、導(dǎo)葉及混凝土的剛性基礎(chǔ)等構(gòu)成，現(xiàn)場監(jiān)測部位取樣測點見圖2。機組主要參數(shù)見表1。

圖2 機組測點布置圖

表1 機組主要參數(shù)

2.2 振動判定標(biāo)準(zhǔn)

參考ISO10816振動監(jiān)測評估標(biāo)準(zhǔn)，具體見表2。

表2 振動監(jiān)測評估標(biāo)準(zhǔn)

該標(biāo)準(zhǔn)適用于額定功率大于300kW小于等于50MW的大型機器；新交付的機器振動通常屬于A區(qū)域；機器振動處在B區(qū)域可長期運行；機器振動處在C區(qū)域一般不適宜長期運行；機器振動處于D區(qū)域其振動烈度足以導(dǎo)致機器損壞。

根據(jù)振動評估標(biāo)準(zhǔn)，判定機組的振動在4.5mm/s以下屬于可接受范圍。

2.3 對通呂泵站2號機組振動測試

測試儀器：在線監(jiān)測系統(tǒng)、VB8離線數(shù)采器。

傳感器安裝方式：螺釘安裝、磁鐵吸附。

測試參數(shù)設(shè)置：位移、速度、加速度及解調(diào)譜波形頻譜。

位移：頻寬1000Hz，譜線數(shù)1600。

速度1：頻寬200Hz，譜線數(shù)1600；速度2：頻寬1000Hz，譜線數(shù)3200。

加速度1：頻寬2000Hz，譜線數(shù)3200；加速度2：頻寬10000Hz，譜線數(shù)6400；加速度3：頻寬20000Hz，譜線數(shù)6400。

解調(diào)譜：電機及齒輪箱高速度端解調(diào)帶寬1～10000Hz，譜圖顯示頻寬2000Hz，譜線數(shù)3200；齒輪箱低速端、推力軸承及水導(dǎo)軸承解調(diào)帶寬0.5～10000Hz，譜圖顯示頻寬2000Hz，譜線數(shù)3200。

2.4 測點數(shù)據(jù)

經(jīng)機組監(jiān)測部位現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，通呂泵站2號豎井貫流泵在運行時出現(xiàn)異響的振動數(shù)據(jù)測試結(jié)果見表3、表4。

表3 速度通頻值 單位：mm/s

表4 加速度通頻值 單位：g

3 振動值采集頻譜與分析

經(jīng)檢測2號豎井貫流泵電機非驅(qū)動端水平、垂直和軸向的振值為0.9456mm/s、0.1788mm/s和0.9674mm/s，電機驅(qū)動端水平、垂直和軸向的振值為1.341mm/s、1.04mm/s和2.252mm/s，齒輪箱輸入軸前軸承水平、垂直和軸向的振值為1.283mm/s、0.5746mm/s和1.524mm/s，齒輪箱輸出軸后軸承水平、垂直和軸向的振值為0.4343mm/s、0.6626mm/s和0.4901mm/s，水泵推力軸承水平、垂直和軸向的振值為0.2679mm/s、0.2361mm/s和0.3243mm/s。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)機組的各部件振值全部處于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但水泵推力軸承的時域波形圖中呈現(xiàn)規(guī)則性的沖擊信號見圖3～圖7，從頻譜圖中可以分析出該推力軸承沖擊信號的頻率為泵軸轉(zhuǎn)頻、推力軸承的內(nèi)外圈缺陷頻率，時域波形圖中存在周期性沖擊跡象，這與水泵推力軸承部位發(fā)出的異常聲響周期性基本一致，和時域波形圖中存在的周期性沖擊跡象相符。

圖3 水泵推力軸承水平方向加速度頻譜(分析頻率2000Hz)

圖4 泵組合軸承垂直方向加速度頻譜(分析頻率2000Hz)

圖5 泵組合軸承軸向加速度頻譜(分析頻率2000Hz)

圖6 泵組合軸承軸向解調(diào)波形圖

圖7 泵組合軸承軸向解調(diào)波形圖

4 水泵推力軸承異響成因分析

通過對泵站現(xiàn)場運行人員記錄的數(shù)據(jù)與振動監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，與該機組推力軸承產(chǎn)生異響的時間基本相符，下面對水泵推力軸承產(chǎn)生沖擊信號頻率原因進(jìn)行分析：

推力軸承松動時的示意圖見圖8。AB是產(chǎn)生間隙的兩個面，可以是軸承座內(nèi)側(cè)A和外圈外側(cè)B，或者是內(nèi)圈內(nèi)側(cè)A和軸表面B。把軸承和與之正常剛性連接的部件看作一個整體，為了方便示意將這個間隙畫大，里邊的細(xì)線小圈是離心力旋轉(zhuǎn)到各個角度的示意。

圖8 推力軸承松動示意圖

分析B的受力，其本身產(chǎn)生兩個力：一是始終向下的重力；二是360°不斷旋轉(zhuǎn)的離心力。A面給B面的支撐力，是被動的。

假設(shè)轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的過程中離心力向下時，B肯定在最下邊，和A接觸；離心力轉(zhuǎn)到向左，B相應(yīng)的向左向上偏，與A保持接觸；離心力向上時，由于它比重力小很多，B是到不了最頂上的，還在左側(cè)某個角度；離心力開始向右偏以后，就會把B往右拉開，脫離A，并在右側(cè)某個位置落下，重新與A接觸，產(chǎn)生一次撞擊，然后在右側(cè)保持接觸，轉(zhuǎn)到下邊。每轉(zhuǎn)一周重復(fù)這個過程，產(chǎn)生一次沖擊，這就是產(chǎn)生沖擊信號頻率的原因。

當(dāng)軸承內(nèi)部間隙存在偏差時，滾動軸承由于間隙的偏差導(dǎo)致其運行的軌跡超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軌道內(nèi)，會導(dǎo)致滾動體與軸承的內(nèi)外圈存在碰磨的跡象，從而產(chǎn)生異響。

綜上分析，通過振動監(jiān)測系統(tǒng)采集的機組振值、譜圖表現(xiàn)的特征跡象及齒輪聯(lián)軸器的相關(guān)信息得出2號豎井貫流泵推力軸承存在如下故障：?推力組合軸承存在內(nèi)外圈缺陷；?推力組合軸承由于間隙偏差存在動靜部件碰磨的跡象，產(chǎn)生異常聲響。

5 改善措施

5.1 處理方法

通過對2號豎井貫流泵推力軸承異響的分析得出軸承間隙偏差是產(chǎn)生推力軸承異響的根本原因，因此調(diào)整軸承內(nèi)部的間隙偏差會對該推力軸承部件的碰摩起到改善作用。泵站維修人員就是針對這個原因，利用減薄推力軸承軸向墊片、加厚徑向墊片(銅皮)的方法進(jìn)行處理，維修后該機組運行時推力軸承異響消失，故障得到了有效解決。

5.2 改善效果評估

對調(diào)整好間隙的2號豎井貫流泵進(jìn)行振動數(shù)據(jù)的測試驗證，調(diào)整前后的時域波形圖見圖9、圖10。

圖9 泵組合軸承軸向加速度波形圖(調(diào)整前)

圖10 泵組合軸承軸向加速度波形圖(調(diào)整后)

通過調(diào)整前后的時域波形圖的沖擊現(xiàn)象對比發(fā)現(xiàn)，機組推力組合軸承的時域波形圖已無周期性沖擊信號，現(xiàn)場無沖擊異響，機組運行正常。

6 結(jié) 語

基于振動監(jiān)測系統(tǒng)對泵站設(shè)備的監(jiān)測與分析能夠及時、有效地發(fā)現(xiàn)機組運行過程中出現(xiàn)的故障，并且通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的頻譜分析提出有效的故障診斷和維修方向，大大提高了診斷的準(zhǔn)確性和及時性，排除了設(shè)備因為故障或維護不當(dāng)帶來的經(jīng)濟損失，提高了設(shè)備使用壽命，具有廣泛的推廣意義。