唐 演 缪融融 钱 杨

(江苏省淮沭新河管理处，江苏 淮安 223005)

利用计算机振动监测系统对泵站机组振动数据进行测试及分析，能够有效掌握机组实时运行工况，确保机组长期安全可靠运行，发挥泵站工程抗旱、排涝、调水等综合效益。泵站机组设备在运行过程中噪声问题主要反映在机组轴系及轴系各个部件的运行状态上，噪声产生的原因除机组本身旋转部分及固定部分的振动外，主要是水流对机组过流部件的作用力和电机电磁力对机组轴系产生的不平衡作用力，虽然振动发生的起因会有所不同，但各因素之间又相互联系、相互影响。例如当水流作用力引起机组转动部件发生振动时就会使发电机定、转子间的气隙产生不均匀变化，而此不均衡的电磁力会使转动部件振动加剧，从而形成一个循环的恶性影响，合理范围内的振动值是允许的，但当振动幅值超过规定范围时，便会对机组设备的正常运行造成威胁。本文以通吕运河水利枢纽泵站工程2号竖井贯流泵机组推力轴承部位运行时的异响为例，利用振动监测系统分析机组各监测部位振动情况，排查异响部位，并提出改善措施。

1 泵站概况

南通市通吕运河水利枢纽泵站工程位于通吕运河上游入江口门处，距长江口约2.2km。通吕泵站流量为100m3/s，采用3台套竖井贯流泵机组，单机流量33.3m3/s，水泵叶轮直径3.3m，单机配套电机功率1600kW，总装机容量4800kW，水泵与电机采用H2SH17+OWGE50.1型齿轮箱连接。

该机组配备振动监测系统，主要采集设备的振动、摆度、转速、压力脉动等参数，系统采用自动控制方式运行。机组振动监测系统见图1。

图1 振动监测系统

泵站在运行过程中发现2号竖井式贯流泵运行时推力轴承部位产生异常声响，为进一步排查异响成因，采用该机组配备的振动监测系统对其进行监测故障分析。

2 机组结构及测点布局

2.1 结构组成

通吕泵站的竖井式贯流泵由三相异步电机、柱销式联轴器、二级减速齿轮箱、流道系统、叶轮、导叶及混凝土的刚性基础等构成，现场监测部位取样测点见图2。机组主要参数见表1。

图2 机组测点布置图

表1 机组主要参数

2.2 振动判定标准

参考ISO10816振动监测评估标准，具体见表2。

表2 振动监测评估标准

该标准适用于额定功率大于300kW小于等于50MW的大型机器；新交付的机器振动通常属于A区域；机器振动处在B区域可长期运行；机器振动处在C区域一般不适宜长期运行；机器振动处于D区域其振动烈度足以导致机器损坏。

根据振动评估标准，判定机组的振动在4.5mm/s以下属于可接受范围。

2.3 对通吕泵站2号机组振动测试

测试仪器：在线监测系统、VB8离线数采器。

传感器安装方式：螺钉安装、磁铁吸附。

测试参数设置：位移、速度、加速度及解调谱波形频谱。

位移：频宽1000Hz，谱线数1600。

速度1：频宽200Hz，谱线数1600；速度2：频宽1000Hz，谱线数3200。

加速度1：频宽2000Hz，谱线数3200；加速度2：频宽10000Hz，谱线数6400；加速度3：频宽20000Hz，谱线数6400。

解调谱：电机及齿轮箱高速度端解调带宽1～10000Hz，谱图显示频宽2000Hz，谱线数3200；齿轮箱低速端、推力轴承及水导轴承解调带宽0.5～10000Hz，谱图显示频宽2000Hz，谱线数3200。

2.4 测点数据

经机组监测部位现场数据采集，通吕泵站2号竖井贯流泵在运行时出现异响的振动数据测试结果见表3、表4。

表3 速度通频值 单位：mm/s

表4 加速度通频值 单位：g

3 振动值采集频谱与分析

经检测2号竖井贯流泵电机非驱动端水平、垂直和轴向的振值为0.9456mm/s、0.1788mm/s和0.9674mm/s，电机驱动端水平、垂直和轴向的振值为1.341mm/s、1.04mm/s和2.252mm/s，齿轮箱输入轴前轴承水平、垂直和轴向的振值为1.283mm/s、0.5746mm/s和1.524mm/s，齿轮箱输出轴后轴承水平、垂直和轴向的振值为0.4343mm/s、0.6626mm/s和0.4901mm/s，水泵推力轴承水平、垂直和轴向的振值为0.2679mm/s、0.2361mm/s和0.3243mm/s。

根据以上数据分析发现机组的各部件振值全部处于规定的标准范围内，但水泵推力轴承的时域波形图中呈现规则性的冲击信号见图3～图7，从频谱图中可以分析出该推力轴承冲击信号的频率为泵轴转频、推力轴承的内外圈缺陷频率，时域波形图中存在周期性冲击迹象，这与水泵推力轴承部位发出的异常声响周期性基本一致，和时域波形图中存在的周期性冲击迹象相符。

图3 水泵推力轴承水平方向加速度频谱(分析频率2000Hz)

图4 泵组合轴承垂直方向加速度频谱(分析频率2000Hz)

图5 泵组合轴承轴向加速度频谱(分析频率2000Hz)

图6 泵组合轴承轴向解调波形图

图7 泵组合轴承轴向解调波形图

4 水泵推力轴承异响成因分析

通过对泵站现场运行人员记录的数据与振动监测系统采集的数据进行分析对比，与该机组推力轴承产生异响的时间基本相符，下面对水泵推力轴承产生冲击信号频率原因进行分析：

推力轴承松动时的示意图见图8。AB是产生间隙的两个面，可以是轴承座内侧A和外圈外侧B，或者是内圈内侧A和轴表面B。把轴承和与之正常刚性连接的部件看作一个整体，为了方便示意将这个间隙画大，里边的细线小圈是离心力旋转到各个角度的示意。

图8 推力轴承松动示意图

分析B的受力，其本身产生两个力：一是始终向下的重力；二是360°不断旋转的离心力。A面给B面的支撑力，是被动的。

假设转子顺时针旋转，在旋转的过程中离心力向下时，B肯定在最下边，和A接触；离心力转到向左，B相应的向左向上偏，与A保持接触；离心力向上时，由于它比重力小很多，B是到不了最顶上的，还在左侧某个角度；离心力开始向右偏以后，就会把B往右拉开，脱离A，并在右侧某个位置落下，重新与A接触，产生一次撞击，然后在右侧保持接触，转到下边。每转一周重复这个过程，产生一次冲击，这就是产生冲击信号频率的原因。

当轴承内部间隙存在偏差时，滚动轴承由于间隙的偏差导致其运行的轨迹超出标准规定的轨道内，会导致滚动体与轴承的内外圈存在碰磨的迹象，从而产生异响。

综上分析，通过振动监测系统采集的机组振值、谱图表现的特征迹象及齿轮联轴器的相关信息得出2号竖井贯流泵推力轴承存在如下故障：ⓐ推力组合轴承存在内外圈缺陷；ⓑ推力组合轴承由于间隙偏差存在动静部件碰磨的迹象，产生异常声响。

5 改善措施

5.1 处理方法

通过对2号竖井贯流泵推力轴承异响的分析得出轴承间隙偏差是产生推力轴承异响的根本原因，因此调整轴承内部的间隙偏差会对该推力轴承部件的碰摩起到改善作用。泵站维修人员就是针对这个原因，利用减薄推力轴承轴向垫片、加厚径向垫片(铜皮)的方法进行处理，维修后该机组运行时推力轴承异响消失，故障得到了有效解决。

5.2 改善效果评估

对调整好间隙的2号竖井贯流泵进行振动数据的测试验证，调整前后的时域波形图见图9、图10。

图9 泵组合轴承轴向加速度波形图(调整前)

图10 泵组合轴承轴向加速度波形图(调整后)

通过调整前后的时域波形图的冲击现象对比发现，机组推力组合轴承的时域波形图已无周期性冲击信号，现场无冲击异响，机组运行正常。

6 结 语

基于振动监测系统对泵站设备的监测与分析能够及时、有效地发现机组运行过程中出现的故障，并且通过对监测数据的频谱分析提出有效的故障诊断和维修方向，大大提高了诊断的准确性和及时性，排除了设备因为故障或维护不当带来的经济损失，提高了设备使用寿命，具有广泛的推广意义。