电站立式泵组结构共振的分析及治理

刘明利，张辉仁，宋世超，王新阳，杨志刚

（1.山东核电有限公司，山东 烟台 265116；
2.国核电站运行服务技术有限公司，上海 200035）

厂用水泵是核电站保证冷源的重要动力设备。水泵振动大严重威胁核岛冷源的纵深防御功能，影响核电站的安全稳定运行[1−2]。本文介绍了结构共振相关理论，对厂用水泵泵组的振动原因进行了分析，提出了结构共振的治理方案。结合厂用水泵泵组的特点，采用精细动平衡方案进行降振处理，并指出该治理方案存在的不足及改进方向。

结构共振是指轴承座、基础及管道系统等结构部件的固有频率与动态作用力的频率或其整数倍频率相同或接近时，这些结构发生剧烈振动的现象。任何一个结构都有其固有频率，尽管在结构设计中要求该固有频率与作用力频率（通常为工作转速下的频率）有一定的避开范围，但由于种种原因，例如结构固有频率计算中模化参数的偏差、结构的实际安装条件与设计值的偏差、结构的材料老化等，都可能造成结构固有频率偏离设计值。实际的结构固有频率一旦落入工作转速或其整数倍转速范围，则产生共振[3]。

假设把转子系统支撑部件的振动问题简化为一个无质量弹簧的刚体振动问题，其中将支撑部件假定为刚体，支撑部件底板的弹性作用和摩擦作用等引起的振动体能量损耗分别以无质量弹簧的反力和阻尼力来表示，形成质量−弹簧−阻尼模型，如图1所示。

图1 简化质量-弹簧-阻尼模型

对于有阻尼垂直方向简谐激励引起的强迫振动，其运动微分方程为：

式中：M为支撑部件的质量；
KS和C分别为支撑部件垂直方向的静刚度和阻尼系数；
ÿ、ẏ、y分别为支撑部件垂直方向的振动加速度、速度和位移；
F0为机器垂直方向简谐激振力幅值；
ω为机器垂直方向激振力的频率或机器运转的圆周频率。

假设y=Ycos(ωt−φ)，求解可得支撑部件垂直方向的振幅Y为：

相位差φ为：

其中，γ=ω/ωn

式中：γ为频率比；
ωn为支撑结构的固有频率；
ε为振动系统的阻尼比。

根据动刚度定义，支撑结构垂直方向的动刚度为：

由式（2）可知，当γ=1时，即支撑部件的固有频率与机器工作转速下的频率接近时，会发生结构共振现象，此时支撑部件的动刚度最小，振幅最大，抵抗激振力的能力最差。由式（4）可知，当支撑部件的固有频率与机器工作转速下的频率相差较大时，支撑部件的动刚度较大，抵抗变形的能力较强，振幅较小。

当转子激振力过大时，转子必然会产生较大的振动，结构也随之出现较大的振动。但有时转子激振力并不大，却引起较大的结构振动。这种现象是结构的动刚度偏弱或结构共振造成的。对具体的结构而言，结构共振剧烈程度与结构的动刚度和共振源发出的能量大小有关。动刚度较大时，即使激振力相对较大，振动可能也不是很大；
动刚度太小时，很小的激振力即会引起较大的共振振幅。

2.1 泵组参数及振动数据

某电厂配有3台厂用水泵，一台运行、一台热备用、一台冷备用。该泵为立式、7轴、单支座的湿式水泵，转速为994 r/min，对应的频率为16.5 Hz，扬程为54 m，功率为500 kW，流量为2680 m3/h。泵组配套的电动机本体无在线振动监测仪表，采用便携式振动仪表进行振动测量。厂用水泵模型和振动测点示意图如图2所示。

图2 厂用水泵模型和振动测点示意图

2022年4月一台厂用水泵泵组预防性维修后进行品质再鉴定，对电动机进行试转，目测振动剧烈，触摸电动机本体有明显手麻感。进行振动测量，电动机振动数据如表1所示，电动机振动频谱如图3所示。

表1 泵组电动机单转振动数据 单位：mm/s

图3 电动机上部水平方向振动频谱图

由图3可知，电动机上部水平方向振动频率成分单一，以16.5 Hz为主，与工作转速下的频率一致。根据工频振动大的特点，振动的主要原因与转子系统质量不平衡及刚度弱有关。

2.2 锤击试验和扭矩调整

为进一步减小振动，在振动测量位置对电动机进行锤击试验，确定结构的固有频率[4]。电动机上部水平方向锤击试验的时域波形如图4所示，锤击试验的固有频率如图5所示。

图4 电动机上部水平方向锤击试验的时域波形图

图5 电动机上部水平方向锤击试验的固有频率

由锤击试验可知，电动机水平方向测点处的固有频率为15.5 Hz，与工作转速下的频率16.5 Hz非常接近。对电动机支架螺栓扭矩进行调整，如图6所示，按照一定组合调整①—⑧号螺栓扭矩，证明螺栓扭矩对振动有较为明显的影响。通过锤击试验和扭矩调整，说明该泵组存在结构共振[5−6]。

图6 电动机支架扭矩调整示意图

3.1 结构共振治理方案

根据结构共振的振动理论，结构共振可从3个方面进行治理[7−9]。

1）改变结构的固有频率。增加轴承座或结构框架的刚度，例如紧固地脚、增加支撑或拉筋、加强部件的连接刚度等，可改变结构刚度，进而改变结构的固有频率。另外，增加或减少结构质量也可改变其固有频率。

2）精细动平衡。减小强迫振动激振力的大小，可降低共振时的振幅。例如通过转子精细动平衡，可最大限度地减小转子的不平衡离心力，即使处于共振，也能将共振振幅降低到允许范围内。

3）安装调谐质量阻尼消振装置。在其他技术措施无法实施或振动不能有效降至允许范围内时，可安装调谐质量阻尼消振装置，其工作原理是将结构振动的部分能量传递给与其相连的调谐阻尼器。调谐阻尼器一般设计为其固有频率等于故障频率，并且与共振的振动响应相位相差180°，可有效抵消部分结构振动产生的能量，从而降低主结构的振动。

3.2 动平衡处理及分析

治理厂用水泵结构共振，改变结构刚度或质量受制于现场客观条件。调谐质量阻尼消振装置尽管对治理单频结构共振较为有效，但从设计到制造完成需要较长的周期。

由于电动机上部测点水平方向现场单转振动值达到14.2 mm/s，振动值超过停机值7.1 mm/s，根据以往的经验，直接联轴后，电动机振动值会有所降低，但仍可能超过运行限值。综合考虑决定，对电动机进行精细动平衡，实现降振处理[10]。在现场进行动平衡试重过程中存在振动继续增大的可能，考虑安全及电动机启停的方便，同时对电动机本体的振动进一步验证，在试验平台上进行动平衡，方案如图7所示。

图7 泵组电动机的动平衡方案

电动机在试验平台上进行两次配重后，上部测点水平方向振动值由原来的5.9 mm/s降至1.3 mm/s，之后在现场进行单转和带载运行，振动数据如表2所示。

表2 各工况下电动机的振动数据 单位：mm/s

对比表1与表2可知：

1）动平衡前，电动机在现场单转振动值达到14.2 mm/s，在试验平台单转振动值为5.9 mm/s；
动平衡后，电动机在试验平台上振动值为1.3 mm/s，在现场单转振动值为6.0 mm/s，这进一步证明该泵组电动机支架结构刚度弱。

2）电动机和泵体联轴带载运行，振动值由单转时的6.0 mm/s降低至1.9 mm/s，说明电动机联轴后整体刚度增强，振动值进一步降低。

3）在泵组电动机振动处理过程中，通过动平衡减小了激振力，使得振动值有所降低；
联轴刚度增强后，振动值进一步下降。

对发生结构共振的泵组，可通过动平衡进行降振处理，但是结构共振泵组的特性并没有改变，机器检修后或其激振力的改变都可能改变平衡状态，使振动再次增大，需要多次进行动平衡。为避免结构共振，要从设计出发，使结构固有频率和激振力频率设计上有足够的避开裕度，从根本上解决该类型振动的问题。本文对结构共振泵组振动大的分析、诊断及治理过程，可为结构共振问题的处理提供参考和借鉴。

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