立式泵的共振分析

1、立式泵的共振分析众所周知，立式泵的变速驱动电机存在一些工作区，它们易遭受过度振动。在本文的第一部分中，weir floway泵业公司的bill beekman论述了过度共振的影响以及如何处理该现象。在第二部分中，他论述了在起动和停止vfd或软起动/停止从动立式涡轮泵时需要注意的事项。 当工作转速与与泵结构的自然簧片振动频率（nrf）相一致时，会形成共振条件，立式泵和电动机的结构特别容易受这种共振的影响。当泵的排出压头和立式传动器的自然频率与泵和传动的转速相同时，就会在立式泵中出现由于过度共振而导致的振动现象。 对于专为用户设计的由变速和定速传动器驱动的立式泵，建议对它们的泵排出压头和传动器的结

2、构予以评估，以判断在整个工作速度范围内是否存在共振条件。但是，对于一台预先设计好的标准定速立式泵，通常无需单独的工作评估。 行业设计惯例 大部分立式泵生产商都有其内部技术来确定他们的泵的nrf。立式泵行业内的常规做法是设计传动支座（排出压头），这样一来，压头和电动机的nrf就有一个间隔域，它在最大工作转速以上的20或最小工作转速以下的20。 当期望的工作转速范围在结构的nrf之内时，需要改变泵的排出压头和电动机的硬度。 在这种情况下，最合理的做法是选择一个装配好的排出压头而非一个铸造的排出压头，因为前者易于改变尺寸大小，而后者则难以在结构上进行改变。当计算泵和电动机的复合结构rcf时，需要用到

3、可靠的电动机簧片临界频率（rcf）数据。一般从大多数立式泵的生产商处都可以得到该数据。值得注意的是，根据不同的电动机生产商及其电动机结构的不同类型，电动机的rcf也会有所不同。通常，泵生产商会选择一个特定的电动机生产商，该电机生产商能提供计算压头和电动机的nrf所需的最优rcf数据。 一些事件能说明，为了达到想要的非共振工作范围，必须减小或增大泵的最大同步转速；也就是，从6电极到4电极或者从6电极8电极。由于这样做的代价颇高，所以建议，当立式泵由变速传动器驱动时，负责确定规格的工程师应该先咨询泵的生产商，然后才能确定电动机的同步转速和转速范围。 图1：自然频率接近最大工作转速范围安装底座 着实

4、需要对立式泵的安装底座予以考虑。作为一项规则，合理的做法是提供一个底座，该底座代表了少于泵/传动器的构件总变形量的5。通常一个钢筋混凝土底座就能符合这些标准。 如果自然频率接近于最大工作转速范围（图1），那么可以使部件变硬以使其更加坚固。但是，泵生产商的能力有限，他们不能增加部件结构的刚度，而且要得到一台具有大刚度的电动机也是不切实际的。所以，提供一个更加坚固的电动机支座，其形式为一个装配好的排出压头，这样就可能提升泵的结构自然频率，使其超过最大工作转速。 如果自然频率接近于最小工作转速范围（图2），那么可以使部件更加柔韧。这样做的效果是降低自然频率，使其低于工作范围。在起动和停机期间，部件将

5、通过它的自然频率，这时可能发生振动。但是，由于这种振动只维持很短的一段时间，所以它不会造成任何损坏。 图2：自然频率接近最小工作转速范围当变速从动泵和电动机在非连续工作区域中运转时，泵/电动机会发生过度振动。锁定由变频传动器控制的电动机的工作转速区可能会限制泵的有用工作范围。所以，通常希望改变泵/电动机结构的刚度，以便使共振带远离想要的工作区（图3）。 停止和起动vfd或立式涡轮泵 在工作的立式传动涡轮泵的起动和停止阶段，必须考虑那些在采用软起动/软停止（ss/ss）或变频传动器（vfd）时会受影响的特点。在采用vfd或ss/ss驱动电机时，混流泵和轴流泵对起动和停机尤其敏感。这是因为功率曲线

6、朝关闭压头上升。 关于那些需要解决的问题，供水行业给出了良好的范例。 下游阀 在起动和停止泵时，所有的阀门都必须与vfd和ss/ss电动机控制器同步，因此，详细了解位于泵下游的阀门的类型这一点很重要。 在典型情况下，泵的出口上方可能同时存在以下阀门： 止回阀、流量控制阀（fcv）、电动蝶阀，闸阀、球阀等，它们的开启和闭合时间均可调，还有非止回阀。 传动器与电动机 vfd和ss/ss能够控制泵的起动和停机时间，认识到这一点颇为重要。使用vfd来改变电动机的转速，以便使泵能够提供可变的流速来满足系统的要求。它们具有时间可调的斜升和斜降特点，能够控制电动机的加速和减速时间。还可以对控制器编程，以便根

7、据停机信号对电动机断电。 通常选择ss/ss控制器作为电动机驱动器，目的有二：一是为了在起动期间减小电功率瞬间峰值，二是为了在停机期间缓冲阀门受到的系统瞬时液压力（水捶现象）。它们具有可编程的斜升和斜降时间特性，并且也可以对它们进行编程，使其能根据停机信号对电动机断电。 图3：排出压头/电动机的典型共振状况 同步起动和停机时间 务必要认识到这一点，即在首次起动之前，需要确保所有部件的时间调整均正确无误。已经记录下严重的泵及电动机故障，这只是由于电动控制与阀门之间的同步尚未完成而引起的。 止回阀 当在管道系统中使用止回阀时，就不会出现来自于管道系统的回流中断泵的起动和停机这种情况。当使设置得更长

8、、更深的泵停止运转时，泵内的水柱通过泵缸部件向下冲向固定的水位，并且回流在泵轴上形成倒转扭矩。如果计划使电动机减速，电动机依然驱动泵向前。当这种不利状况发生时，泵的传动轴和电动机会受到极大的扭矩载荷。为了避免在停机时发生这种情况，需要一种能使电动机断电的设备。位于泵下游的阀门的类型对这种情况发生的严重性几乎没有什么影响。 当管道系统中仅有一个止回阀在泵的下游时，在涡轮泵、混流泵和轴流泵的起动加速期间几乎不会发生电动机过载的情况。但是，正确的做法是使泵上的电动机断电、然后停机。 在没有止回阀的情况下起动 当流量控制阀中没有包含止回阀时，泵的起动时间必须与阀门的开启时间同步，以防在泵获得全速之前，

9、系统回流流向泵中。因此希望加速时间很短，最好少于5秒钟。如果未能同步，则泵轴和电动机将承受相当大的扭矩载荷，因此，在泵获得全速之前，不应开启流量控制阀。 当起动高比转速泵时，例如混流泵或轴流泵，由于泵的关闭功率大，所以必须使阀门开启时间与泵的加速时间同步，这项工作不仅重要，而且必须由具备资格的人员慎重计划。 泵停止运转 流量控制阀的闭合时间也必须与泵的停机时间密切同步，以防在电动机断电之前，系统的回流流向泵中。 如果流量控制阀是用于缓冲停机时的管道浪涌，那么它必须在泵停止运转之前关闭。这意味着，在断电之前，泵在关闭压头处工作。 只有当电动阀完全闭合后才能使泵停止运转。停机的信号会激活电动阀并开

10、始关闭它，一旦电动阀完全闭合，电动机就必须断电。无论在什么情况下，只要阀门尚未完全关闭，就不允许vfd或软停止控制器使电动机停止运转。 图4：floway功率2500hp-900转/分，拥有高等级刚性泵体，rcf值大于1150 cpm 小结 通常泵达到全速的加速时间应该尽量短。 基于以下理由建议加速时间为5秒钟。对于湿坑式vtp、mf和af泵，它们具有未经预先润滑的产品润滑中间轴承，所以应当尽快利用泵送的液体来湿润这些轴承。但是泵的加速时间不能被耽搁。 还有一点建议，当液位低于表面超过50英尺时，更深设置的泵在起动之前要经过预先润滑。 通常，立式泵在加速至全速的过程中必须经过其结构临界速度。满电压直接起动异步电动机获得全速的起动时间大约为1秒。它很快便经过了结构临界速度，以至于未出现明显的振动增强现象。但是，当一台vfd或ss/ss驱动电动机/泵非常缓慢地加速经过其结构临界速度范围时，会造成显著的振动。 有时，通过使用vfd或ss/ss控制器来延长电动机达到全速的加速时间，从而减小电动机在起动期间遭受的瞬时峰值电流。达到全速的加速时间一般有5秒长就足以使普通的鼠笼