大型泵站水泵机组转子轴系实验模态分析

2023-11-08尹晓东孙世杰

水利建设与管理 2023年10期

王兵尹晓东孙世杰

(1.山东调水工程运行维护中心莱州管理站,山东莱州 261400;2.鲁鸢水务有限公司,山东潍坊 261000)

旋转机械的振动是影响设备运行安全、稳定的关键问题,尤其当机械转子转速正好等于该转速下转子的某一模态频率时,会产生共振,造成转子系统设备与固定部件剧烈碰摩,设备损坏[1]。振动系统模态分析可分为理论模态分析和实验模态分析[2]:理论模态分析以线性振动理论为基础,研究激励、振动结构与响应的关系;实验模态分析是通过实验测得激励和响应,进行数字信号处理和参数识别,得到系统的物理参数。随着动态测试技术、信号处理技术及计算机技术的发展,实验模态测试分析在机械、水利、船舶、电力等众多领域得到了广泛的应用[3-7]。许多学者针对旋转机械轴系模态进行了实验研究,以此验证理论模态结果、识别故障、优化设备结构和运行参数。范子喆等[8]通过对压缩机的转子模态进行分析,使压缩机的额定工作频率得以避开共振频率区域,降低压缩机的振动与噪声;范江彬[9]对大型船舶推进轴系扭振模态分析得到轴线变化与扭振固频的因果关系;苏永丽等[10]对汽轮发电机扭振模态进行了分析,得到发生易发生SSR现象的扭振模态;陈浩[11]对汽轮机转子进行了模态分析及动力特性研究,获得了通过提高支撑刚度提高临界转速的方法;沈高飞等[12]对某水泵进行了实验模态分析,找到了故障原因并提出了修改建议;丁鸿昌等[13]对电机转子进行了模态分析,得到了电机低阶振动特性等。本文针对东宋泵站3号机组振动超标问题,进行模态实验分析,探讨机组转子系统振动特性。

1 工程概况

山东调水工程是南水北调东线工程的支线,西起东平湖,东至山东威海米山水库,全长688km。东宋泵站是该工程13座大型泵站之一,设计流量19.7m3/s,设计净扬程12.86m,装机容量5520kW。年运行期10个月,年调水量约3.6亿m3,对保障山东胶东地区水资源供应具有重大作用。泵站安装6台混流泵机组,其中,2～5号机组为4台主机组,水泵为1400HD-14型混流泵,单台设计流量5.85 m3/s,配套TL1100-16型同步电机,额定功率1100kW,转速375r/min。转子轴系由电机轴系和水泵轴系组成,水泵轴长6.9m,轴直径200mm,分别在距离联轴器2.2m和5.6m处设上下两处水导轴瓦,电机轴长3.6m,轴直径200mm,在上下油缸内设两处电机导瓦。

泵站3号机组运行后,振动和噪声值均高于其他机组,运行2000h后,振动值和噪声值超标。停机拆卸发现:上水导轴瓦内衬橡胶和泵轴轴套没有明显磨损;下水导轴瓦磨损严重,轴瓦赛龙条已磨掉,泵轴不锈钢轴套已基本磨掉,露出泵轴碳钢材料。

2 实验

2.1 模态分析的基本原理

实验模态分析(EMA)首先是根据实验测得激励和响应的时间历程(或仅响应),运用数值信号处理技术获得频响函数(传递函数),得到系统非参数模型;其次,运用参数识别方法,求得系统模态参数;最后,进一步确定系统物理参数。模态分析可获得结构的基本振动参数,对于分析结构或系统的谐振和共振具有重要的意义。本次研究采用激振法获得结构的振型和基本频率,以研究结构与外部激励的关系。

2.2 实验仪器

试验中所用测试仪器主要包括软件和硬件两部分,软件部分包括ASP-V11工程版、模态测试基本分析软件、PolyLSCF和PolyIIR分析软件;硬件部分包括INV3062C1(L)信号采集仪、IEPE三向加速度传感器、IEPE型冲击力锤、屏蔽电缆线等附件。

2.3 实验方法

采用悬吊法将整个转子系统沿轴向吊起,用力锤激励固定点,分批移动传感器的测试方法进行模态测试。测试方向选择结构相互垂直的径向两个方向,敲击位置位于轴下方端部。采集敲击时的力信号及加速度响应信号。用模态拟合方法进行拟合,得出被测结构的模态参数。

2.4 测点及激励点设置

将转子系统沿轴向14等分,共设15个测点位置,每个测点位置测径向互相垂直的两个方向,共30个测值。把3个三向加速度传感器分批布置在被测位置上。传感器用绝缘磁座固定,导线用绝缘胶带固定,防止测试过程中因碰到导线使传感器信号异常。测点布置及激励位置见图1,实际测点布置见图2。

图1 测点及激励位置

图2 实际测点布置

3 结果与分析

3.1 传递函数相干分析

本次测试的激励信号时域波形见图3、响应信号时域波形见图4,传递函数曲线见图5。相干函数是判断模态试验锤头是否合适,以及数据质量好坏的最主要工具。工程应用中一般要求传递函数(FRF)峰值附近的相干函数大于0.75。由图5可以看出,本次信号的相干性函数值为0.83～0.99,说明结构的响应是由激励引起的,选用的力锤符合模态试验要求,所得信号的信噪比非常高,数据采集可靠。

图3 激励信号时域波形图

图4 响应信号时域波形图

3.2 模态参数识别

对采集到的数据用特征系统实现算法(ERA)、PolyIIR算法(多参考点无限脉冲响应参数识别法)、PolyLSCF算法(多参考点的最小二乘复频域法)等进行模态拟合分析得到被测结构16Hz之前的模态参数和振型。模态参数见表1。各阶振型见图6～图11。由于被测结构属于对称结构,所以有重根模态振型出现。

图6 第1阶振型

图7 第2阶振型

图8 第3阶振型

图9 第3阶重根振型

图10 第4阶振型

图11 第5阶振型

由表1可知,转子轴系在自由状态下第3阶频率为6.125Hz,3号机组工作转速为375r/min,转频为6.25Hz,工作频率十分接近第3阶固有频率。

3.3 实验结果校验

模态置信度MAC矩阵能够很好地评价模态向量空间交角,其矩阵公式为

(11)

式中:φi,φj为第i阶、第j阶模态向量。

模态置信度MAC矩阵用来校核各阶模态振型之间的正交性,矩阵关于主对角线对称,主对角线的元素都为1。矩阵元素的行号和列号分别代表了两阶模态,其大小表示了这两阶模态振型的正交性,为归一化后的两阶模态振型标量乘积,值越小表示正交性越好。理想的模态分析结果的振型相关矩阵除主对角元素外,其他元素的值都很小。本次实验数据的校验结果见图12。由图12可知,在矩阵主对角线上的MAC值接近于1(100%),除对角线上元素为 1 之外,其他元素的值均较小,表明模态振型之间的正交性良好,模态分析结果可靠。

图12 振型结果校验

3.4 机组异常振动原因分析

转动机械绝大多数外部激励和故障振动信号频率都与转速有关[14],对于泵站水泵机组,常见的外部激励有:转子不平衡、松动、碰摩形成的机械振动激励,电磁不对称引发的电磁力激励,以及各种频率的压力脉动引起的水力激励等。显然,上述激励的振动频率,均与转速有关。根据振动系统理论[15],当系统外部激励不为零时,系统为受迫振动,其稳态响应频率等于外部激励的频率,当激励频率与系统固有频率相同或相近时,容易引发共振,因此,转子系统在弹性支承下的各阶临界转速不应在工作转速的10%范围内[16]。结合3号水泵机组轴系模态分析结果,3号机组振动异常的原因应为系统受到的外部激励频率与轴系第三阶固有频率接近,形成共振。

为进一步查找机组异常振动原因,从水泵进水流态、水泵和电机设备安装质量等方面分析系统外部激励源。3号机组位于前池中央,根据运行巡查记录,3号流道进水口流态平稳,无漩涡等异常现象。查阅3号机组安装记录,机组固定部件水平、镜板水平、固定部件垂直同心、主轴摆度、电机定转子间隙、电机磁场中心、主轴中心、电机轴承间隙、水泵轴瓦间隙、水泵叶轮间隙等各项主要安装指标符合规范要求[17]。对3号机组进行拆解检查,发现3号机组下水导轴瓦固定螺栓全部松动,轴瓦脱出,轴瓦内衬和轴颈损坏严重。因此,分析振动异常原因应为:水导轴瓦为单端面固定,螺栓由上端面旋进轴瓦座,安装时个别螺栓紧固扭矩未达到要求,机组运行后松动,随运行时间延长,轴瓦松动,引起轴瓦和主轴碰摩,碰摩频率与转速及轴系固有频率接近,形成共振,最终形成机组故障。因此机组的安装质量影响构件约束形式,进而改变了构件的固有自振频率。