离心泵管线共振诊断与支撑减振实践

引言

本文针对某化工厂单级悬臂离心泵振动超标案例（水平振动速度达12.9mm/s ，超 SHS01003-2004 标准 D 区限值），提出系统化共振诊断方法：通过相位分析排除动不平衡（相位差 180^∘ °），结合变转速测试与敲击实验锁定管线- 蜗壳共振（固有频率46Hz ≈ 工频 49.67Hz）。

1 概述

某化工厂大耐泵业有限公司制造型号 PC40-3400-50 的单级悬臂式离心泵，转速 2985rpm、中心高 350mm 左右、功率 75KW、出口压力均为 2.11lMPa 、介质为轻柴油，联轴器形式为弹性膜片联轴器，轴承形式是滚动轴承，联轴器端轴承为定位。

2 故障现象

该泵联轴器端水平方向的振动速度幅值 9.3mm/s ，垂直方向速度幅值 1.3mm/ s ；非联轴器端水平方向幅值 12.9mm/s ，垂直方向 2.2mm/s 。

根据 SHS01003-2004 旋转机械振动标准（壳体振动，速度有效值 mm/s) ，该泵处于 3 类设备的 D 区位置运行（不可运行区域）。因此必须对该泵进行振动故障诊断分析并采取措施。

3 故障原因分析

通过对该泵振动速度幅值离线监测数据发现，该泵存在方向性振动，且振动频率为该泵工频 49.67HZ. 。根据机械设备状态监测故障理论可知，工频振动包括两大类故障，动不平衡和共振。

3.1 排除动不平衡故障

正常的质量不平衡故障中，不平衡“高点”造成了振动。相位测量时，可以说最终的相位角读数都是由“高点”决定的。有了这一观念，显然，“高点”从同一轴承水平位置到垂直位置要旋转 1/4 圈或 90^∘ 。因此，如果设备的径向振动各向同性或振动轨迹为圆，垂直和水平方向的振动相位差应为 90^∘ 。

通过现场监测数据发现，该高振动离心泵转速 2985RPM，属于刚性转子，两轴承部位的水平垂直振动相位差不是 90^∘ ，而是 180^∘ °左右；并且两轴承部位水平振动幅值远大于其垂直振动幅值。根据动不平衡离心力公式 F=mω² e可知，一般动设备刚性转子离心力的大小只与其转速有关，而与转子支撑轴承的部位无关，所以转动设备上负责承受主要载荷的轴承径向各部位的振动幅值相差不会超过3 倍。而且该设备属于单级悬臂式离心泵，如果是因动平衡引起的振动大，轴向振动幅值会有明显的反应，但是该泵的轴向振动幅值现场测量显示只有 1.6mm/s. 。综上所述，该泵振动大的主要原因不是动不平衡力引起的。

3.2 共振故障的确认

共振频率，或固有频率与设备部件的刚度有关，而设备部件的刚度通常在不同的测点方向是不同的，因此，共振是高度方向相关性的振动。共振的识别有如下几个方面：

（1）改变激振力频率：共振故障的振幅取决于激振力频率与设备部件固有频率的接近程度。也就是说，共振幅度是“频率相关”的，激振力频率的微小改变就会导致振幅的显著变化。因此，如果可能，改变设备的转速，并且记录其对振动幅值的影响。如果设备转速变化导致较大的振幅变化，这个故障很可能是共振。

（2）改变可能发生共振部件的质量和刚度：改变设备组件的质量或刚度是治理共振的最直接办法。临时改变质量的做法是增加沙袋、混凝土块或采用其它适合于改变共振部件质量的物品，验证有效后再采取较为昂贵的、永久的改变部件质量的方法。快速改变设备部件刚度的办法是增加金属筋板或支撑杆等，一旦验证该方法可行，就可以在现场制作永久性筋板，并用螺栓锁紧或与部件焊接为一体。

（3）撞击法测共振部件的固有频率：最容易、最廉价的诊断共振的方法是撞击或冲击实验，任何物体在受到冲击后都会以它的固有频率振动。由于阻尼作用，冲击激起的固有频率会慢慢衰减并最终消失，然而，可以反复撞击，以保证有足够的共振时间来完成频谱分析，从频谱中可以看出系统最主要的固有

频率。

从现场监测的数据计算可知，该泵非联轴器端轴承部位水平振幅与垂直振幅的比值是 5.86 ：1，联轴器端轴承部位水平振幅与垂直振幅的比值是 7.15 ：1。由此推断该泵的振动具有高度的方向性，得出该泵存在结构性松动或共振。现场检查泵体及基础各部位的紧固螺栓，无松动情况；通过停泵瞬时监测，发现泵的水平振幅随泵的转速下降成断崖式掉落，进一步确认了该泵的共振；泵停运后，通过用木头敲击该泵的进口管线，发现管线水平方向的固有频率 46HZ左右，非常接近工频 49.67HZ。综上所述，确认了该泵水平振动的主要原因是进口管线及蜗壳系统固有频率与工频接近共振引起。

4 措施及办法：

根据固有频率的公式，要使避开 0.70-1.414 的共振范围，要么改变管线和蜗壳系统的刚度，要么改变其的质量或增加阻尼。考虑到现场给管线系统配重可行性差，所以选改变管线系统的刚性，给管线系统加专用支撑。现场通过监测仪器测量管线系统各部位振幅、频率及相位确认了该共振系统一阶振型的振动腹点在进口管线的法兰处。所以在进口管线法兰处加支撑，减振效果良好。如下图表：

图一管线蜗壳系统加支撑图

现场加装并调整专用支撑后，该泵联轴器端水平方向的振动速度幅值从9.3mm/s 降至 1.8mm/s ，降幅 80.64% ；垂直方向速度幅值从 1.3mm/s 降至 0.8mm/ s，降幅 38.46% ；非联轴器端水平方向速度幅值从 12.9mm/s 降至 2.2mm/s ，降幅 82.94% ；垂直方向速度幅值从 2.2mm/s 降至 1.0mm/s ，降幅 54.5% 。

5 结论

离心泵水平振动超标（非驱动端 12.9mm/s ）源于进口管线-蜗壳系统共振，经三步诊断确认：排除动不平衡（水平/ 垂直相位差 180^∘ 、轴向振动仅 1.6mm/Ω s）；变转速验证共振（振幅随转速呈指数级衰减）；敲击法测得管线固有频率46Hz（与工频 49.67Hz 频率比 1.08∈ 共振区 0.70-1.414) 。通过在振型腹点（进口法兰处）增设刚性支撑，显著提升系统刚度，水平振动降幅超 80% （非驱动端降至）。本案例表明：精准定位振型节点并强化刚度是治理管线类共振的有效手段，尤其适用于配重困难场景。