沈高飞，陈 立，李淑萍

（江苏东华测试技术股份有限公司，江苏 靖江 214500）

水泵振动模态测试及故障诊断分析

沈高飞，陈 立，李淑萍

（江苏东华测试技术股份有限公司，江苏 靖江 214500）

实验模态及故障诊断分析是研究结构动力学特性的重要方法。对某一型号水泵进行实验模态分析，得到其固有频率、阻尼比和振型等模态参数，并结合振动故障诊断方法，分析该水泵结构设计中存在的问题，为后续的结构减振和优化设计提供参考。

振动与波；水泵；实验模态；模态参数；故障诊断

泵是重要的动力设备，其使用范围越来越广，它能否可靠运行直接影响企业的安全性和经济性。随着动力装置的大型化和回转设备的高速化，水泵的振动问题也日益显现。本文研究对象为某一型号卧式水泵，级数为9级，每个叶轮由5个叶片组成，转速为3 000 r/min，电机功率为15 kW，其主要构成部件有转子、轴承、壳体、叶轮及进出水口等。从广义上讲，引起泵振动的原因是多方面的，包括泵的设计、制造、安装、运行、使用以及系统管路布置等因素。但造成设备振动过大的原因主要有共振、转子不平衡、同轴度偏差大或不对中、轴承原因和水利波动等，随着振动的加剧，过大的振动容易造成机器或相关设备损坏。因此，对水泵进行实验模态分析以及振动故障诊断就显得尤为重要。

1 模态分析原理

水泵的结构是一个连续体，其质量和弹性参数都是连续分布的。将其离散成有限个多自由度的离散系统，建立动力学微分方程为[1]

模态分析方法就是以无阻尼系统的各阶主振型所对应的模态坐标来代替物理坐标，使坐标耦合的微分方程组解耦为各个坐标独立的微分方程组，从而求出系统的各阶模态参数，这就是模态分析的经典定义[1–2]。

两边分别进行拉氏变换，得到传递函数矩阵

对于线性时不变系统，其极点在复平面左半平面，因此可将s变换为jω，得到傅氏域中的频响函数矩阵

通过对测试得到的频响函数进行识别，可以得到结构的固有频率、阻尼比、振型、模态刚度和模态质量等模态参数，从而了解结构的动态特性，为后续的减振降噪和结构优化设计提供参考。

2 水泵实验模态分析

2.1 模态实验基本流程

根据实验模态分析原理可知，测量频响函数矩阵的一行或者一列就可以识别出结构的模态参数。本实验采用单点激励，多点响应的测试方法，基本实验流程如图1所示。

2.2 测点的划分

测点的数目取决于所选频率范围、期望的模态数、试件上我们所关心的区域、可用的传感器数以及时间[3–4，10]。本实验测点分布如图2所示，共21个测点，每个测点测试XYZ三个方向，总计63个自由度。

图2 水泵模态实验模型

2.3 实验所用的仪器和设备

本次模态实验中，采用的仪器和设备由江苏东华测试技术股份有限公司自主研发生产，包括，32通道DH 5902动态信号测试分析系统、IEPE型加速度传感器（包括单向和三向）和力锤激励系统等。

表1 实验所用仪器列表

图3 模态试验装置图

2.4 模态实验结果分析[5–6]

试验采用力锤单点激励，移动传感器的方法。锤击法所要求的装置、试件固定及仪器设备较为简单，不需要与试件有任何的连接。所以，不会出现附加质量和弯矩误差，因而不会影响试件的动态特性。

根据划分的测点和加速度传感器的数量，采用分组测试，每组3个三向加速度传感器拾振，并逐批移动，通过DHMA模态分析软件，得到泵内满水状态下各阶模态频率、阻尼比等参数，如表2所示，典型振型如图4－图7所示。

表2 各阶模态频率和阻尼比

图4 1阶弯曲振型

图5 2阶扭转振型

3 水泵振动故障诊断分析

图6 5阶振型(弯曲张吸)

图7 6阶振型(张吸)

实验模态分析帮助了解结构在非工作状态下的固有动态特性（固有频率、阻尼比和振型等），而各工况下的振动测试能客观反映泵的真实运行状态，水泵的结构缺陷和故障引起振动的幅值、振动形式及频谱成分均会产生变化，常用于寻找振源、测试振动强度、减振措施和可靠性等问题的研究分析中，是掌握其运行状态和寻找故障的重要技术手段。

3.1 振动位移试验

位移测试主要是针对轴位移，通过轴位移、频谱及其圆心轨迹来判断轴的振动情况[7]。

图8 位移测点布置

图9 位移频谱

图10 位移轴心轨迹（横坐标为水平方向，纵坐标为竖直方向）

3.2 启停机振动试验

从图11和图12可以得出，停机0.2 s时频谱发生了较大变化，其中497.5 Hz的频率点幅值发生了较大变化，所有测点振动幅值均下降了3～4倍，且某些测点的最大幅值对应的频率点也发生了变化。

图11 测点4X向频谱(正常)

图12 测点4X向频谱(停机)

因此，可以判定该卧式泵在49.7 Hz的基频，248.5 Hz的叶频作用下，产生了2倍叶频的497.5 Hz的共振，共振状态在转速稍稍下降后变发生了变化，其振动幅值明显减小。

4 结语

通过上述模态实验和振动故障诊断，其主要结论如下[8–9，11]：

（1）电机主要频率为转频50 Hz，100 Hz为主，存在一系列4X、5X、6X等倍频谐波及6.3 Hz左右的分数谐波。因此，电机处可能存在异常间隙，建议检查电机定子、转子间隙；

（2）水泵在49.7 Hz的基频，248.5 Hz的叶频作用下，产生了两倍叶频的497.5 Hz的共振，共振振型主要以泵输入端和泵非输入端振动较大的形式为主，在转速稍稍降低的情况下，卧式泵振幅明显减小，且振型基本保持不变，建议增加泵输入端支撑或更换更好的轴承，提高其刚度并使共振频率避开叶频两倍频的共振频率范围。

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Vibration Modal Test and Fault DiagnosisAnalysis of Water Pumps

SHEN Gao-fei,CHEN Li,LI Shu-ping
(Jiangsu Donghua Testing Technology Co.Ltd.,Jingjiang 214500,Jiangsu China)

Vibration modal test and fault diagnosis analysis are the important methods for study of the dynamic characteristics of structures.In this paper,by experimental modal analysis of a certain type of water pumps,the modal parameters of the pumps,such as the natural frequency,damping ratio,mode shapes etc.,are obtained.Combining with the vibration fault diagnosis methods,the problems in the water pump structure design are analyzed.This work provides a reference for subsequent structural vibration reduction and structure optimization design.

vibration and wave;water pump;experimental modal;modal parameters;fault diagnosis

O422.6

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.03.036

1006-1355(2017)03-0182-03+210

2017-11-17

沈高飞（1981－），男，浙江省绍兴市人，硕士学位，研究方向为结构力学性能测试及分析研究。E-mail:sgf@dhtest.com