泵共振与机械失效

 

为什么会产生如此破坏? 总而言之: 振动. 振动诱发疲劳导致破坏, 循环疲劳载荷反复作用在零件或设备上直至他们疲劳破坏.接下来我们会介绍振动理论,以及目前在这方面取得的突破性进展,在此过程中会详细介绍泵的振动及引发的失效破坏。

Lord Rayleigh在他的“声学理论”中描述了振动,该理论发表于1800年代后期,但近期才完全描述了共振现象。为此,通过求解牛顿微分运动方程构建了新的理论,并发表在2017年压力容器和管道会议论文(线性弹性梁中的冲击波,振动和共振)。简而言之,每个结构或机器以及其中的每个部件都以多个频率振动,称为较高模式固有频率。现在可以以图形方式显示这些频率。特别是,当机器的电动机速度接近某一个固有频率时,振动在该频率处倍增,从而导致设备损坏。

泵止推轴承的共振破坏

振动理论

最简单的振动示例是弹簧系统,弹簧上有重物,考虑弹簧阻尼。该弹簧质量阻尼系统定义了单自由度系统,此系统为实际系统做了简单描述。振动弹簧的周期等于完成一次全振动所需的时间; 频率等于周期的倒数; 振动的振幅或幅度;阻尼系数,控制振动幅度的减小,以达到一个恒定平衡点或静态点,此点可能为零也可能不为零。

与自由弹簧连接的重物自由下落引发的振动

管道中的压力波引发的动态管道应力

为了更好地理解振动,考虑突然施加在弹簧上的恒定力的情况,即,在静止时从弹簧下落的重物。总结这种振动性能,动态载荷因子或DLF等于最大振动幅度(或应力)除以平衡或静态条件下的振动幅度(或应力)。 DLF通过阻尼减小,其中结构中的常见阻尼值通常在1%和2%之间,但也可以高达10%或更高。对于在没有阻尼的情况下突然施加的载荷,最大DLF等于2.由于加载速率或加载持续时间,DLF可以进一步减小。当垂直于部件表面施加载荷时,DLF的这种应用产生合理的振动近似。但是,如果相同的载荷在管道内移动,则DLF等于4(Leishear,2013,流体力学,水锤,动态应力和管道设计,ASME 出版教科书)。 DLF的理论解释了成千上万的管道失效。这个非常简短的振动介绍引发了对共振的讨论。

共振理论

当电动机振动作用到泵上时,泵的响应与经受恒定载荷时的响应大不相同。如果电机速度等于该组件的固有频率,则振动将显著增加。实际上,在没有阻尼的情况下,振动将增加到无穷大,其中阻尼减小共振效应与实际观察一致。简而言之,当电动机速度等于部件的任何一个固有频率时发生最大共振,其中这种现象在数百年的振动理论发展之后最终被证实。

例如,1)连接管道和支撑设备的结构可能会在任何一阶固有频率下发生振动破坏。 2)振动是引发泵出现机械密封故障的常见原因。 3)像滚珠轴承等损坏部件以其固有频率振动,这其中包括轴承的座圈,保持架和滚珠各自以自己的频率振动 – 这是一个非常复杂的过程。

振动和共振许用标准

对于转动设备,在1950年的ASME杂志文章中提出了评估振动损坏的简单方法,这种方法至今仍被许多人使用。将测量的振动值与安装的转动设备(例如风扇,泵或压缩机)许用值进行比较。对振动问题进行故障排除需要确定并纠正有缺陷的部件的振动。故障排除可能听起来很简单,但对设备结构,振动原理和设备操作的全面了解对于解决振动故障问题至关重要。目前多数情况下,对特定转动设备振动问题的预测是有问题的。

泵电机故障示例

例如,探究与泵连接的150马力电机中的滚珠轴承组件失效问题。据报道,该电机比平时更嘈杂,可以在离电机50英尺的距离听到。电动机中的滚珠轴承由滚珠之间滚动的内圈和外圈以及分离滚珠的保持架构成。球,笼和座圈各自具有特定频率,由于已被损坏,球的旋转频率在频谱中显示。其中一个轴承,止推轴承被完全摧毁,其中的座圈和几个笼子被打破。另一个轴承以其球的旋转频率振动,轴承未被破坏。振动超过每秒0.1英寸,轴承实际上已损坏。在止推轴承处,破坏位置处的振动低于每秒0.1英寸。由于止推轴承不再与轴接触,因此没有相关的振动。也就是说,测量的振动数据根本不是由破坏的轴承组件引起的,而是通过处于振动中并且仍在使用的轴承组件测量而得。噪音水平怎么样?轴承的振动不足以引起听到的低频隆隆声,其中振动处在钢平台上格栅的频率上。换句话说,轴承振动导致平台晃动产生噪音,在五十英尺外可以听到。这种共振问题在故障排除开始时并不明显,就像许多复杂的振动故障一样。这里讨论的新理论能够帮助实践工程师提更好地理解振动失效。

 

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