管道振动分析与减振对策

1、 浙 江 科 技 学 院 本科学生毕业设计（论文）题 目 管道振动分析与减振对策 系 别 机械与汽车工程学院 专业班级 材料成型及控制工程A班 姓 名 学 号 指导教师 2006 年 6 月 6 日 摘 要在石油化工等工矿企业中，广泛使用管道输送流体。在一定压力和流速的流体作用下这些管道壁上均会产生流体动压力。非定常的管流会引起管道的振动也就是管流脉动。管流脉动是引起管道及附属设备的振动的主要原因，导致管道结构和管路附件产生疲劳破坏，甚至造成严重事故，是管路系统的主要故障。某炼化公司的甲胺泵管线振动强烈，已多次引起安全阀根部和导压板根部焊缝撕裂，连接法兰密封失效，高压高浓度的甲胺液外泄。本文对

2、在单泵运行和双泵同时运行时的某炼化厂的高压甲胺泵管线振动分别进行了测试，通过对各个管路系统的不同测点的振动频谱分析，给出了振动的起因是压力脉动。当压力脉动的频率或者其倍数正好与管线的固有频率接近而导致共振时，管线就会发生强烈的振动。不发生共振时，管线振动就较小。因此提出了相应的减振措施：在现有支承架与管子的中间垫上防振橡胶垫，改变管线的固有频率，使压力脉动的频率及其倍频与管线的固有频率不相吻合。在泵的出口处加装蓄能器或者空气罐，用来吸收压力脉动，并根据条件设计了蓄能器。关键词： 管流脉动 振动 甲胺泵管路 AbstractPipes were widely used to transport

3、liquid in many petrochemical factories and che- mical plant. Under the pressure of fluid with certain pressure and velocity, the fluid dyna- mic pressure pulsation will be created in the wall of the pipe. When the fluid flows in un- unsteady condition the unconstant flow would excite pipe abnormal v

4、ibration -it was also called flow pulsation. Flow pulsation, the main reason for the vibration of pipe and attac- ched equipment, educed the fatigue failure of pipe and attached equipment, which even result in fatal accident.In a refinery, the intensive vibration of the methylamine bump pipeline had

5、 caused many problems, for example tearing of welding line at the root of safety valve, seal failuresof connecting flange which causing leakage of methylamine fluid with high pressure and concentration. In this paper, the vibration was tested to investigate the vibration fault on methylamine bump pi

6、peline in a refinery when single pump or double pumps worked. By spectrum analysis of different measuring point, the cause of strong vibration was found out: pipe would vibrate strongly if the frequency of the pressure pulsation or multiple of it amount to the natural frequency of the pipeline. And

7、in other case, the vibration would not be strong. According to this, the solutions were given: changing the natural frequency of the pipeline by adding vibration proof cushion; adding energy storage or air container to absorb the pressure pulsation. Finally, the energy storage was designed at the ou

8、tlet of the pump for drinking pressure fluctuation down. Key word: pipe fluid pulsation, vibration, methylamine bump pipeline目 录摘要Abstract1 绪论1 1.1 课题背景11.2 研究现状11.2.1 国外研究现状分析11.2.2 国内研究现状分析21.3 研究现状32 管道振动理论42.1 引起管道振动的原因42.1.1 动力平衡性差或基础设计不当引起的管道振动42.1.2 管流脉动引起的管道振动42.1.3 共振42.2 管流脉动机理42.3 管道故障诊断的

9、步骤52.4 管道减振技术52.4.1 压力脉动的消减63 振动测试73.1 振动测试试验73.1.1 测试系统73.1.2 气流脉动引起的管道振动83.1.3 共振83.2 振动信号分析10 3.2.1 系统固有频率的测量 103.2.2 强迫振动频率的测量 113.2.3 电机在正常工作下并在外界激励下的频谱图 123.2.4 整周期采样的实现 134 管线振动的测试和分析164.1 现场分析164.1.1 现场状况164.1.2 现场测试系统的组成164.1.3 振动测试方案174.1.4 管线固有频率的测试174.2 减振措施344.3 蓄能器的设计354.3.1 蓄能器的选型354.

10、3.2 皮囊式蓄能器的结构及工作原理354.3.3 蓄能器容积的设计364.3.4 壳体的设计374.3.5 皮囊的确定414.3.6 阀体的设计424.3.7 阀芯的设计434.3.8 支承环的设计444.3.9 橡胶环的设计444.3.10 充气阀的设计444.3.11 其他部件的设计45结论47致谢48参考文献49附录150第1章 绪论1.1 课题背景在石油化工等工矿企业中，广泛使用管道输送流体。在一定压力和流速的流体作用下这些管道壁上均会产生流体动压力。非定常的管流会引起管道的振动，例如往复泵吸排量的间歇性、周期性等使得管流的压力、速度、密度等随时间的变化因而呈现出周期性的变化的现象，

11、这种现象称“管流脉动”。管流脉动是引起管道及附属设备的振动的主要原因。此外管道还因受到地震、风力和意想不到的外力瞬时冲击等作用，发生复杂的振动，这些振动对管道的安全和寿命产生一定的影响，严重时造成不可预估的后果。据加拿大一位专家估计，工业先进的美国，因管道振动造成的损失，每年达100亿美元以上。在国内也经常发生因管道振动而引起的破坏的事故，据统计，公路事故是压力管道30倍，铁路水运事故是压力管道的4倍，例1976年，陕西桃园煤矿空压机站因集气管道的振动剧烈，导致与之相连的储气缺罐破裂爆炸，碎片飞出数论十米外，砖墙被气浪推倒，附近门窗玻璃被振碎：并且管道输送是重要的运输行业，越来越广泛用石油、化

12、工、冶金、电力行业及城市燃气和供热系统中，是最安全、最经济的运输工具。随着经济的发展，管道数量在不断增加，1995年我国有长输管道263条，约1.7万公里，至今约达300条，2万公里；集输管道约20万公里；城市内燃气管道分别为35000公里、5700公里；工厂的工业管道就更多了。随着管道数量的增多和运行时间的增加，管道设计、制造、安装及运行管理中的问题逐渐暴露出来，致使管道事故时有发生，据不完全的统计，1994年以来共发生造成人身伤害的管道事故62起，造成死亡214人，受伤580人，直接经济损失707597万元。1999年压力管道统计的事故数量并不多，但经济损失较大，主要是泄漏引起火灾或中毒。

13、可见压力管道安全是严峻的。近年来，我国压力管道事故频繁发生，且呈现上升趋势，这些事故给国家和人民带来了巨大的损失。从历年来压力管道事故原因的统计分析，由于设计安装等问题造成压力管道振动而酿成事故的占了20%，正是基于以上的原因，引起了人们对管道振动问题的关注。1.2 研究现状1.2.1 国外研究现状分析管道系统在电力、石油、石化工业的各类工业装置，舰船、飞行器以及日常生活中广泛应用，以传递质量流、动量流或能量流，与此同时管系中存在液体的压力脉动和管壁的结构振动，造成振动噪声环境污染，严重时导致管系或机器损坏。在充液管道中存在多种振动渡，且相互间会发生耦合，振动机理非常复杂。为了揭示充液管道的振

14、动特性，了解液体压力脉动和管壁振动在管系中产生和传播的机理，以保证运行可靠性和在设计阶段预测管道中的振动声能量流，达到控制管道振动的目的，国内外许多学者对此进行了长期的坚持不懈的研究。管道振动研究历史已达百年之久，研究内容非常广泛，包括各种建模理论、振动特性及声振传递特性分析、理论计算的预估方法、实验技术等等。由于管道声振问题的复杂性，对它的研究是随着振动理论、实验手段、计算方法的发展逐步深入、完善起来的。一个世纪前，Lamb综合分析了管壁阻抗对管中声波传播的影响，可算是管道振动研究的开始(Lamb 1884) 近几十年来，管道振动的研究有了很大的发展研究内对于管系的建模，主要有两种，梁模型和

15、圆柱壳模型。当管壁的厚度远小于管子的其他特征尺寸如管径、管长等，且为小变形运动(相对于壁厚)，并满足Kirchhoff假设时采用圆柱壳模型此时认为管子的径向刚度无限大，即管壁的径向和剪切应变为零，可导出管子的运动微分方程(Leissa 1 973；Soedel 1981)以及流体中的声波方程(Michalke 1989；Christ de Jong1994)。另外，Fuller和Fahy(1982)用圆柱壳模型建立了无限长充液直管的运动方程，并进行了求解，分析了充液管道中能量流的分布规律。在一般情况下，如低频、低流体马赫数、细长管等，可用梁模型来代替圆柱壳模型以简化方程。在低频段，当周向模数n

16、=0和nl时，管截面形状不变，此时可采用梁模型 (ElRaheb 1981；Lesmez l989； Tentarelli l990；Frikha l992；Tijsseling 1993；Christ de Jong1994)等人分别用梁模型推导了在各种假设条件下管道系统的运动方程。从耦合的角度，管道系统振动分析理论模型又可分为：管壁和液体互相耦合的液一固耦合模型(适用于水、油等管道系统)，不考虑两者之间的耦合理论模型(适用于气体管道系统)。20世纪50年代，美国的凯洛格公司对管道振动问题进行探索研究，但限于当时的计算条件和计算方法不成熟，未能有所作为，只能针对遇到的具体问题提出个别的对策。

17、1973年苏联的A.维将金在其著作中仅能对若干简单的管道组合系统，借助繁复的公式进行气柱固有频率的计算，但这管道系统远不能反映生产实际中管道系统的复杂情况，所以对解决生产问题仍无能为力。管道振动研究的突破是在70年代初期之后，日本的酒井敏之，山田荣，叶山真治，藤川猛，以及美国的本森，麦克劳伦等人的工作，使解决管道振动问题进入实用阶段。1.2.2 国内研究现状分析1974年开始，西安交通大学的管道振动研究组密切结合生产现场的管道振荡问题。陆续推出自己的理论和实验研究成果。在国内首次研制和完善了管道振动的通用程序，并在解决现场的管道振动中创造了重大的经济效益。于1984年完成了专著活塞式压缩机气流

18、脉动与管道振动，管道振动研究是有难度的，内容广泛丰富。随着当代科学技术的飞速发展，在强大的计算能力和先进的实验手段的帮助下，已能系统地分析简单管道系统的振动特性和稳定性问题，预测管道中声振能量流的分布规律，并且考虑的状态越来越复杂，参与的参数越来越多，特别是近几年来，已完全考虑液体与结构的耦合以及流动的影响。由于管道振动的复杂性以及流体力学领域本身存在的未解决问题，如紊流，因此对管道振动的研究仍存在着许多不确定的领域，尤其是非连续点研究。从19世纪仅考虑刚性直管内不可压缩流体的、航海技术发展的需要，展开了对管道动态特性和稳定性的大量研究，逐步考虑非线性影响。从非耦合线性运动到今天的弹性管内考虑

19、液固完全耦合的非线性运动，管道振动研究发展是很快的，尤其是近年来，为满足航天的要求又开始了管道振动主动控制和管道振动逆问题等一系列的系统辨识方面的研究，但这些研究目前只限于理论方面，离实际应用还有很大的距离。国内对管道振动的研究起步较晚，有关的理论研究的文献也很少。目前的研究只限于周向模数小的管道的线性振动，而且参与的参数少，忽略液固耦合，但是它正越来越受到研究人员的重视。在国内实际工程应用中，对管道的振动和振动行为以及振动的原因和减振措施研究的也很多。例如活塞式空气压缩机站管道振动的消除方法探索、往复式压缩机管系振动的控制、消除大型火电厂管道振动的研究、岭澳核电站给水泵相关管道振动的原因及处

20、理等都是针对工程实际中出现的振动的原因等展开研究的以及振动管系在设计、安装以及使用过程不可轻视的问题。海洋平台输液管道振动流特性研究该文研究了海洋平台输液管道振动流的行为特性。活塞式压缩机压力脉动与管道振动的消减一文主要介绍了由于气流压力脉动过大引起的管系振动，以及管系气柱固有频率的计算以及配管设计中为消减压力脉动而采取的诸如安装缓冲器、孔板和盲管的多种措施。将之实践用于湘江氨肥厂号循环压缩机的配管设计中，装置投产后运行平稳。1.3 研究内容和目的管流脉动引起管道及附属设备强烈振动，导致管道结构和管路附件产生疲劳破坏，甚至造成严重事故，是管路系统的主要故障。所以管道振动过去长期存在的“重设备轻

21、管道”的思想是错误的。例如我国某炼化公司的甲胺泵管线振动强烈，已多次引起安全阀根部和导压板根部焊缝撕裂，连接法兰密封失效，高压高浓度的甲胺液外泄。应该公司化肥厂的要求，对这二台高压甲胺泵的管线振动进行了振动测试分析。本文首先对管道振动理论和振动原因做了详细分析，然后对在单泵运行和双泵同时运行时的某炼化厂的高压甲胺泵管线振动分别进行了测试结果分析，通过对各个管路系统的不同测点的振动频谱分析，给出了导致甲胺泵管路振动过大的起因是压力脉动频率与管线的固有频率接近的结果，因此提出了相应的减振措施和设计结构。本章小结本章对管道振动的危害做了简要的阐述，并对在管系中产生和传播的液体压力脉动和管壁振动的机理

22、的国内外研究现状进行了综述，在此基础给出本文的研究内容和目的。 第2章 管道振动理论2.1 引起管道振动的原因管道及其支架和与之相连结的各种设备或装置构成了一个复杂的机械结构系统，该系统产生振动是由多种原因引起的：一是由于运动机构的动力平衡性差或基础设计不当；二是由于气流脉动；三是共振；另外一个原因可能是管道内流体流速过快产生湍流边界层分离而形成涡流，引起振动。2.1.1 动力平衡性差或基础设计不当引起的管道振动一般管路都是和压缩机或泵连接在一起，压缩机和泵在出厂前的动平衡必须满足设计要求，安装应符合安装规范，保证其振动在设计范围之内。因此管道振动往往是基础设计不当造成的。2.1.2 管流脉动

23、引起的管道振动在一定压力和流速的流体作用下管道壁上均会产生流体动压力。非定常的管流会引起管道的振动，例如往复泵吸排量的间歇性、周期性等使得管流的压力、速度、密度等随时间的变化因而呈现出周期性的变化的现象，这种现象称“管流脉动。脉动状态的流体遇到弯管头、异径管、控制阀、盲板等管道元件，产生一定的、随时间而变化的激振力，在这种激振力作用下管道和附属设备产生振动。2.1.3 共振共振分为两类，一是气柱共振：管道系统内所容纳的气体称为气柱，因为气体可以压缩、膨胀，故可以看作一个类似弹簧的振动系统，具有一系列的固有频率，当往复机激发频率与某阶固有频率相等或相近时，系统即产生对应该阶频率的共振；二是管道机

24、械共振：由管子、管件和支架组成的管道本身也是一个弹性系统。管道系统根据配管情况、支撑的类型和位置，也会有一系列的固有频率，当激发频率与某阶固有频率相等或相近时，便发生管道的机械共振。 2.2 管流脉动机理从力学的角度看，管道振动是一类特殊的机械运动，是典型的力学现象管道，通常用之于输送流体为使流体流动，需通过压缩机或泵加压作为动力，犹如人体的血液通过心脏加压一样这种加压方式是间跋性的，管道的两端，分别与各种设备或装置相连结，连结处可能是压缩机的出、入口，容器、阀门或者孔板等管道及其支架和与之相连结的各种设备或装置构成了个复杂的机械结构系统在有激振力的情况下，这个系统就会产生振动主机动力平衡性能

25、差以及基础设计不当，不平衡的惯性力会引起主机及基础振动并进而牵扯与之相连的管道及设备一起振动，这是管道振动产生的一个原因但是，实际的生产情况表明，引发管道振动的另一主要原因是由间隙性加压造成的流体压力脉动所引起的，由于间隙加压，管道内的压力在平均值的上下脉动(或称波动)，即产生所谓压力脉动而在管道的弯曲部位、直径变化的部位或通过控制阀等处，压力的脉动就会产生相应的随时间而变化的激振力正是这些激振力，激发管道系统发生振动压力脉动通常用压力不均匀度这个参数加以描述如以 表示压力的平均值， hp表示压力的最大值与最小值之差.例如当压力为320大气压时，若压力不均匀度为8，它在内径为60mm 的90&

26、#176;弯管处形成的激振力幅值可达5020N对于一个复杂的空间管道系统，会有多处变截面和拐弯的地方，这些部位都将分别受到大小方向不同，相位各异且随时间而变化的力的作用对管道系统而言，它们构成一个复杂的空间力系管道振动的实质是管道及与之连结的设备，装置以及支架所构成的结构系统在上述随时间而变的复杂空间力系作用下的运动问题显然，作用在管系上的力分析是关键当力分析清楚即载荷确定之后，余下的问题就是求取在已知载荷作用下管系的振动响应在相同的端点激励(例如相同压缩机的吸、排气)情况下，管道振动的情况取决于管道内流体性质的物理参数(包括气体组成、分子量、压力、温度、密度和速度等)以及管道的几何配置情况f

27、包括管道的长短、直径、壁厚、走向、相互配置的几何关系等)一根直管，无论管道内压力脉动的大小如何，在它的端点是不会形成激振力的但是，在多处改变走向并有异径管存在的情况下，就会产生激振力此外，研究表明，管道内各点压力脉动的大小与管系的几何形状有密切的关系我们知道，管道内的流体(如气体)，也是一个弹性体不同的管道几何配置情况对应着不同情况的气柱系统如果把气体的压力脉动作为响应的一个因变量看待，则在同样的激励条件(例如用同一台压缩机排气)下，气体的压力脉动会随着气柱系统情况的改变而出现不同的情况就像吹笛子或喇叭时，在同样吹气(宽带激励)情况下，按住不同的笛孔或改变喇叭气柱的长度，就能发出不同的声音这表

28、明不同的气柱情况将与其相应的频率谐振(共振)，此时，发出的声音的频率就是获得谐振优势的气柱固有频率。2.3 管道故障诊断的步骤一般来说，剧烈的管线振动均有共振引起的，因此可以通过比较管流的压力脉动频率和管线的固有频率来得出是否存在共振，由此提出解决方案。整个过程可以分为四个步骤：1.现场测试2.数据处理和分析3.管线固有频率的测试4.提出解决方案2.4 管道减振技术综上所述，研究管流脉动时，有两个并行的系统：一是管道的机械结构系统；另一则是与之对应的气柱(如果管道内的流体是气体的话)系统气柱在端点受到激励而在各点产生相应的压力脉动，在走向改变处及异径处形成大小不同、位相各异的激振力这些激振力导

29、致管道的机械振动当气柱发生谐振时，压力脉动将达到很大的值产生很大的激振力，这自然加剧了管道的振动即使激振力不变，当激振力的频率与机械结构的固有频率相重合时，管道将发生机械共振此时，也会发生剧烈的管道振动管道的减振可以通过两个途径来解决：(1)控制管流的压力脉动，使其不产生谐振；(2)调整管系结构的固有频率，使其不产生机械振动。2.4.1 压力脉动的消减2.4.1.1 改变液柱固有频率，避开气柱共振管系液柱固有频率取决于管系的配管方式、长度、管径、容器容积的大小和配置位置、支管长、支管位置、以及流体的种类和温度等等。改变管道和容器的尺寸以及它们的配置方式相对来说是比较容易实现的，工程上采用这种方

30、法较多。在配管设计时，应根据工艺流程做好配管初步设计，应计算管系的液柱固有频率，并通过调整，使之不与激发频率重合以避免气柱共振。2.4.1.2 压力脉动的控制管流脉动的消减关键在于配管的设计，在配管设计阶段，除了满足工艺要求外，还要进行管系配置的充分计算，以便对管系作出最优化选择，如管径、管长、容器体积、连接位置、支管长度、支管位置等的优化选择。此外还要进行液流脉动响应计算，找出压力脉动不均匀度沿管线的分布规律，必须使其都在允许范围之内。压力脉动的控制比较复杂，除反复计算、合理调整外，尚须在系统的适当位置正确配置缓冲器、孔板、支管、集管器的元件，或者在某些部位设置诸如液流消振器、消振簧、储能器

31、等装置，以消减或抑制压力脉动。本章小结本章对引起管道振动的原因进行相关的分析，这一部主要参考了许多国内外的研究的情况，作了详细的介绍。通过了解其具体的项目，对下面的管线的振动的测试和分析，起到了理论的作用。第3章 振动测试为了对本文所作管道的振动信号检测和分析奠定基础，首先在一个小型的振动试验台上进行振动信号的测试和信号分析的研究，了解采样点数、采样频率、信号的记录长度等对信号的分析的影响，进一步将理论的知识和实际相结合。学会实际的测试过程，掌握基本的测试技术。对所得频谱图进行分析，得出相关结论。并对接下来的某炼化公司的甲胺泵管线振动信号分析作充分的准备。3.1 振动测试试验 振动测试的试验台

32、如图3-1，由两根支架支承一根横梁，电机和速度传感器装在横梁上，位移传感器用磁性表座支承放在横梁下面，可以通过振动信号的测试和分析测得系统的固有频率，更换不同的横梁整个系统的固有频率发生改变，通过此实验可以为下章的管道的振动固有频率奠定基础。 图3-1振动试验台3.1.1 测试系统3.1.1.1 测试系统结构框图 本次测试系统的结构框图主要由数据采集、数据转换和信号分析处理三个部分组成，如图3-2所示。试验环节它是将被测对象处于人为的预期状态的专门环节，其目的在于充分暴露被测对象的内在联系性，以便进行有效的测量。 测量环节中的测量的输出信号，往往需要再次经过转换、放大、传输，并经过数据处理系统

33、进行运算、分析等过程之后，才送到测量环节的输出环节一一指示器、记录仪器中去。传感器是将被测对象的量检测出来并转换成电信号的功能器件。它的特性对整个测试特性有着直接影响，因此传感器在整个测试系统中占有重要位置。中间转换器是用来把传感器输出的信号，经过放大、滤波调制、解调、转换成一定功率的电信号，使之便于显示、记录和分析。这部分常常根据具体测试对象以及选用的传感器形式及特性而有相应的电路。显示、记录器是用来把中间转换器输出的信号显示或记录下来供观察测试人员进行数据处理或者以此判断其测试结果。 数据处理环节，它是将通过测试装置得到的结果进行数据分析和处理，以便得到测试人员所需的明确的数据和资料。被测

34、对象试验装置传感器传输中间转换显示记录数据处理观察测试者 图3-2 测试系统结构框图3.1.1.2.测试系统的硬件本实验由微型计算机进行数据采集和分析，用CF-300频谱分析仪进行实验监测和实时频谱分析，计算机内插PC-6311D模入模出接口卡，采用双端输入可以同时采集16个通道的数据，具有12位的分辨率，满足系统测量精度的要求，其主要技术参数为：模入部分：输入通道数： 双端16路 输入信号范围： -5V+5V输入阻抗： 10MA/D转换分辨率： 12位A/D转换速度： 10µSA/D转换非线性误差： ±1LSB3.1.1.3.数据采集用TC语言编制实时采集模块或者实时显示

35、，采样时为了去掉高频分量，在每个点多次采集求其平均，并根据需要调节等待时间和平均采集的次数，由于每次实验重复采集的点数和采集的信号通道数不同，因此每次实验的采样频率是不相同的。位移信号采集是采用上海卓意的位移传感器VB-Z980108传感器的供电电压为15V+15V，供电电源ZYW1791，输出电压为5V+5V，其频率响应为0-10Khz，符合振动测试的要求。涡流传感器产生与被测物理量位移对应的电信号（模拟量）。由于在此次测得到，即从传感器出来的是模拟信号，必须进行数据的转换。把连续时间信号转换为离散数字信号的过程称为模-数（A/D）转换过程；反之，则称为数-模（D/A）转换过程。这些都通过P

36、C-6315D完成。数据采样的过程如图3-3所示。 图3-2 采样过程原理图由于管道振动的频率较低，对管道测试通常采用速度传感器，本文也用速度传感器对系统的固有频率进行测试。3.1.1.4信号采集程序A/D转换过程及数据的量化float sample() float sample_value; int h,l; h=inportb(BASE+1); /* 读A/D板的高位 */ while (h>=128) ; /* 判断A/D转换是否结束 */ /* 第8位为1，表示正在转换中*/ /* 第8位为0，表示转换结束 */ h=inportb(BASE+1); /* 读A/D板的高4位 *

37、/ l=inportb(BASE+2); /* 读A/D板的低8位 */ sample_value=(float)(h*256+l)*10/4096-5; /* 转换成电压值 */ return(sample_value); /* 返回采样数据 */ 数据采集：#define BASE 0x310 /* AD board address */ outportb(BASE,1); /* 选择通道号 016 */ for (j=0;j<150;j+) wait=wait; /* 等待通道转换结束 */ outportb(BASE+1,0); /* 启动A/D转换 */ x1=sample()

38、; /* 得到采集结果 */ delay(5); /* 延迟一段时间 */ outportb(BASE+1,0); /* 再次启动A/D转换 */ x2=sample(); /* 得到采集结果 */ outportb(BASE,3); /* 选择另一个通道4 */ for (j=0;j<150;j+) wait=wait; /* 等待通道转换结束 */ outportb(BASE+1,0); /* 启动A/D转换 */ x3=sample(); /* 得到采集结果 */3.1.1.5 测试步骤1、正确连接数采卡，并正确接地；2、对数采卡进行相应的硬件和软件设置；3、编写c语言程序，使用内

39、部定时器进行采样间隔延时；4、进行脉冲冲击试验和电机转动的激振实验，同时进行数据采集，并将数据写入文件；5读出数据，进行相应的处理和分析，由此得出实验结论。3.2 振动信号分析3.2.1 系统固有频率的测量系统静止状态下，施加一次触发脉冲，系统以固有频率作减幅自由振动。测量自由振动信号，画时域图，做频谱分析如图3-3，可以测得固有频率，重复测得到同样结果。时域图为有阻尼自由振动，振幅随时间衰减。由频谱图可以看出电机固有频率在18HZ左右，相应在系统固有频率的倍频，都将会有一定的振幅，从图中得到很好的吻合，由于采样总时间较小频率分辨率较低，在34HZ,47HZ,58HZ处出现二次三次等谐波，不是

40、很准确得18得倍数。谐波分量的大小与施加脉冲的位置有关，如果脉冲位置处于一阶主振型中点处，振动主要以一阶振动为主，二阶分量较小。如果脉冲位置处于二阶主振型的峰值，二阶分量较明显，但振动仍然以一次谐波为主。 时域图 频域图 （a）第一次测试结果 时域图 频域图（b）第二次测试结果 图3-3 固有频率测试图（位移传感器）3.2.2 强迫振动频率的测量电机转速约24转/秒，时域分析时采样频率越高，信号的复原性越好，可取采样频率为信号最高频率的10倍。但由于有些信号分析设备的采样点数有一定的限制，采样频率高，所采用的信号记录长度就短，会影响信号的完整性。进行频域分析时，为了避免混叠，采样频率最小必须大

41、于或等于信号中最高频率的2倍，即（采样定理）。采用抗混频滤波器可以降低采样频率。根据采样定理，fs2fc，要测量工作频率，则fs48Hz。Ts1/48=0.21秒。时域分析时，采样点数越多，越接近原始信号。进行频域分析时，为了FFT算法的方便，采样点数一般取2的幂数实验中选取了2048个采样点。当采样频率和采样点数N确定之后，分析信号的记录长度（时间）就确定了。重复测量两次画时域图，做频谱分析如图3-4，由图分析得到从上面两次所得的频谱图可以大致的得出，电机工频的激振频率为25HZ左右，还可以看出在50HZ的突起是电源的干扰频率。时域图 频域图 （a）第一次测试结果 时域图 频域图 （b）第二

42、次测试结果 图3-4 强迫振动测试图（位移传感器）3.2.3电机在正常工作下并在外界激励下的频谱图重复测量三次画时域图，做频谱分析如图3-5仔细观察图3-5三幅图，并对比前面的六幅图。我们可以看出在本次实验中第一次和第三次在24Hz的位置有一定的振幅，这个就是电机在外界激励下而得到的振幅，第二次实验可能由于操作不当得到较不理想的结果，这在多次实验中出现也属于正常的现象。其它的分析可以参考上面二次结论。时域图 频域图 （a）第一次测试结果时域图 频域图 （b）第二次测试结果时域图 频域图 （c）第三次测试结果图3-5 强迫振动测试图3.2.4整周期采样的实现在数据的采集中应当注意保证采样为整周期

43、采样才能够保证采样数据的不失真，因此再实验中采用了设置门限值的办法保证在经过多个周期后不产生累加误差，具体做法即，在每周期采样结束后，判断是否到达门限值，每次都以门限作为起点进行采样。采样数据时域图和频域图如图3-6。（a） 每周期取128点（b） 每周期取32点时间间隔为0.001214s （c） 每周期取8点时间间隔为0.005106s（d） 每周期取128点位移图时间间隔为0.0003108s图3-6 整周期采样图实验中信号的分辨率主要取决于矩形窗的长短，实际中既采样时间的长短，由于采样点数一样，所以每周期采样点数越少则时间越长，其结果如上图3-6（a）（b）（c）间的差别。计算可知图3

44、-6（b）的分辨率为0.41Hz；图3-6（c）的分辨率为0.047Hz，分辨率非常高，因此其工频分量几乎为一条直线。由于计算机信号处理是一种对信号进行离散处理的方式，而且需要对信号进行截断，为了保持在频率上不失真就要求在采样过程中进行整周期采样。从上边图3-6（c），图3-6（d）可以看出虽然(c)与(d)的采样时间间隔非常接近只相差0.00007s，但采样结果却不同，图3-6 (d)的主峰高度低于图3-6（c），而且在主峰下有更多的泄露。本章小结通过对电机系统频率的测试，学会基本的测试过程;学会对软件（主要是ORIGIN和C语言）的使用;学会对所得的数据进行相关的分析，并能独立总结相应的结

45、论。对接下来的管道振动的测试和数据处理的工程应用作了很好的准备。 第4章 管线振动的测试和分析4.1 现场分析4.1.1 现场状况某炼化公司的甲胺泵管线振动强烈，已多次引起安全阀根部和导压板根部焊缝撕裂，连接法兰密封失效，高压高浓度的甲胺液外泄。根据该化肥厂的要求，对这二台高压甲胺泵的管线振动进行了振动测试分析。这两台高压甲胺泵为5柱塞式往复泵，出口压力为141kg/cm，温度为75°，工作介质为甲胺液，该泵的输出管线布置从一楼直至九楼，管线紧固件多，管线长一旦外泄涉及面积广，后果严重。这两台泵处于单泵工作状态还是两台泵同时工作，以及它们的工作转速都是根据负载情况自动控制调节的。管路

46、振动的主要症状是：当一台泵单独运行时，曲轴的转速为72转/分左右，此时管系振动（特别是九楼处的管线）振动非常强烈；而当负载增加，双泵同时运行时，管系振动反而降低，此时这台泵的曲轴转速为41.72转/分。另一台泵的曲轴转速为46.64转/分。据现场了解看，泵的运行状况良好，不大可能存在动力平衡性差或者基础设计不当等问题，但泵的出口压力脉动很大，根据单泵和双泵不同的工作状态，初步估计为压力脉动引起的管系共振，为此测试方案定为测量管线各点的振动频率和固有频率。整个管线分布在一座九层的塔中，其中九楼的管线振动最剧烈，而且又有一个大平台，我们选择九楼的平台作为基地，架设整个测试系统。根据厂方提供的条件，

47、分别对单泵运行和双泵同时运行时的管线振动进行了测试。由于管线振动以低频为主且幅值比较大，故选用速度和位移传感器进行测试。振动测试内容为:1） 振动的幅频响应2） 管线固有频率4.1.2 现场测试系统的组成1）传感器根据管线振动以低频为主且幅值比较大的特点，故采用速度传感器和位移传感器进行振动测试。2）频谱仪CF-3003）计算机4）数据采集器内嵌模入模出接入板模入部分主要参数： 输入通道数 两端16路输入信号范围 5V5VA/D分辨率 12位模出部分主要参数：输入通道数 6路输出信号范围 5V5V直流稳压电源 两路30V5)测试仪器方流程图微机管道传感器数据采集器频谱仪 图4-1测试仪器方流程

48、图4.1.3 振动测试方案整个管线分布在一幢九层的塔中。其中九楼管线振动最剧烈，而且又有一个大平台，所以我们选择九楼的平台作为基地，架设整个测试系统，对管道包括上下方向、东西方向和南北方向三个方向的振动进行了测试。根据振动情况及现场所具备的条件，选定的测点如表4-1所示。表4-1：测点布置测点号说明1二泵管线汇合处2一楼屋顶管线东西向转南北向拐弯处3四楼管线支撑架上4六楼处上下方向的管线处5八楼东西方向的水平管线处6九楼管线法兰处4.1.4 管路振动测试信号的分析 根据泵的转速可以确定：当一台泵单独运行时，泵出口处的压力脉动频率约为6Hz；当双泵同时运行时，泵出口处的压力脉动频率在7.4Hz左

49、右。管线固有频率的测试就是敲击管线的某一部位，此时就会产生一个明显的波峰。测出该波峰的频率，就能得到管线的固有频率，固有频率用位移传感器。通过敲击试验得到管线一阶频率为11.5HZ，多测几次取平均值以消除误差。由于第三章所作振动测试就是为了此处的振动测试奠定基础。双泵运行时测得的固有频率及其相关频谱图见图4-2，由图4-2可知管线振动的固有频率为11.5Hz和33Hz左右。 （a） 时间历程 （b）频谱图 图4-2 管路固有频率的振动和频谱图下面以双泵运行时一楼二泵管线汇合处的测试结果的数据处理做详细过程说明，一楼到九楼的振动测试是采用速度传感器。1）先将得到的数据导入到origin6.0中，其中A(X)列表示采样时间，B(X)表示传感器测得的振幅。每列共有2048个数据，见图4-3。2）将A,B两列数据利用origin中的plot命令。生成如下时间历程图。3）利用所得的时间历程图，在origin进行FFT变换，得到如下图4-4。其中运算方式如下图所示，“FORWARD”表示做FFT正变换，“AMPLITUD