混流泵起动过程中的振动失稳问题如何破？

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　　混流泵广泛应用于农业排灌、城市供排水、矿山、大型水利工程、舰船喷水推进、海水脱盐系统以及火力发电和核电站的循环水系统等领域，在国民经济建设中发挥着重要作用。

　　随着水力机械单机容量和尺寸的增加，人们对其运行稳定性和可靠性问题日益重视。尤其是应用于非调节工况(起动或停机)下的大型混流泵，快速起动过程表现出区别于稳态过程的特殊性质，其瞬态工作特性可为泵系统提供瞬时流体动力，但瞬态效应引起的水力激振、冲击负载将引发转子强烈的弯曲振动并导致失稳。

　　旋转机械的轴心轨迹作为转子振动状态的一类重要图形征兆，包含大量的故障信息，是形象直观反映转子实际运动状况的有效手段。时域图可以反映振动量随时间的变化情况，频谱图可以反映复杂信号所含频率分量。由于不同故障具有不同的频率特征，根据时域图和频谱图可以对故障性质做初步诊断。因此，研究混流泵起动过程中转子的轴心轨迹对准确掌握混流泵转子系统振动的情况、有效防止瞬态效应诱发的振动故障恶化具有重要的工程应用价值。

　　混流泵模型

　　目前，关于旋转机械振动及其轴心轨迹的研究，大多是基于信号处理方法进行振动分析、识别及故障诊断等，部分学者研究了动态轴心轨迹的理论算法和应用，并通过建立转子-轴承系统有限元模型进行瞬态响应等动力学特性计算。

　　大连理工大学的赵利华对旋转机械常见故障的机理进行研究，提出了运用D-S证据理论的信息融合技术对轴心轨迹图像特征进行识别的方法，并应用模拟和实测信号对方法的有效性进行了验证;山东大学的李德江分别从轴心轨迹的理论计算、提纯和自动识别三个方面对旋转机械的轴心轨迹进行研究;易太连等设计了低通数字滤波器对位移信号进行了滤波处理，得到了符合轴承负荷分布规律的轴心轨迹图。

　　然而，上述成果重点关注了轴心轨迹的信号处理与应用，而对旋转机械起动、停机过程的轴心轨迹以及振动的研究较少，缺乏与机组结构和自身运行特性的关联分析。江苏大学的胡敬宁等通过理论分析和试验探索了多级离心泵水润滑轴承-转子系统在起动瞬态过程的轴心轨迹，但其研究对象为多级离心泵且系统的支承结构为水润滑轴承。

　　江苏大学的李伟、季磊磊、施卫东等科研人员以混流泵为研究对像，在前期对起动过程瞬态水力特性研究的基础上，基于本特利408数据采集系统对混流泵起动过程的轴心轨迹进行试验研究，通过分析轴心轨迹提纯后的一倍频和二倍频轴心轨迹图及其时域图、不同转速下的频谱瀑布图，探讨加速起动过程中的振动诱因，为降低或防止混流泵起动过程中振动故障恶化提供理论依据。

　　本特利408数据采集系统

　　试验台现场布置图

　　电涡流位移传感器及键相试验布置图

　　研究结果显示：
　　1、混流泵起动过程中，原始轴心轨迹呈外“8”字形且“毛刺”较多，而分解提纯后的一倍频和二倍频轴心轨迹分别呈圆形和椭圆形，说明起动过程中转子系统存在不平衡和不对中等问题。

　　2、混流泵起动过程中的轴心轨迹测量结果分析表明，由于转子系统存在由不平衡量引起的工频振动和不对中现象导致的同步正进动，转速增加使得转子不平衡增大，径向偏移量增加，水平方向振动加剧，加速是造成轴系振动恶化的主要原因。

　　3、起动过程中混流泵转子系统的运行状态受瞬态效应引起的水力激振、冲击负载等影响较大。当转速达到最大值时，扬程随之到达最大，并在加速结束时出现一个瞬时冲击扬程和冲击负载。与此同时，加速起动末期轴系振动也出现一个峰值并随转速稳定逐渐减小并稳定。因此，加速完成时的瞬态效应更易加剧轴系振动并诱发振动故障恶化。

　　相关的研究成果已经发表于《机械工程学报》2016年第22期。

　　主要作者简介：

　　李伟，男，1979年6月生，工学博士，副研究员，硕士生导师。现任江苏大学流体机械工程技术研究中心副主任、国家水泵及系统工程技术研究中心副主任、江苏省产业技术研究院流体工程装备技术研究所副所长。江苏省“六大人才高峰”(B类)资助对象、江苏大学“青年骨干教师培养工程”青年学术带头人。2012年9月至2013年3月赴香港理工大学访问进修。

　　主要从事叶片泵的优化设计、流场计算和动力学稳定性等方面研究工作，主持国家自然科学基金项目、江苏省重点研发计划重点项目、江苏省自然科学基金项目、国家博士后科学基金项目等10余项，先后参加了国家“863”项目、国家自然科学基金、国家科技支撑计划项目等10余项课题的研究工作。

　　获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步一等奖3项、二等奖3项、三等奖1项，中国产学研合作创新成果奖1项，发表论文40余篇，其中SCI、EI检索30余篇，申请国际发明专利1项、国家发明专利10余项，授权国家发明专利5项，获软件著作权6项。现任中国农业机械学会排灌机械分会副秘书长。

　　季磊磊，男，江苏南通人，1991年9月生，工学硕士生，主要从事流体机械(泵)的研究。

　　施卫东，工学博士，研究员，博士生导师。江苏大学副校长，流体机械及工程国家重点学科、动力工程及工程热物理江苏高校优势学科学术带头人，国家水泵及系统工程技术研究中心常务副主任。

　　长期从事流体机械及工程的教学、科研、检测和新产品开发等工作。曾先后主持和负责了国家“863”计划、国家自然科学基金、国家科技支撑计划等课题30余项，其中获国家科技进步二等奖2项，国家级教学成果二等奖2项，省、部级科技进步奖30余项，授权专利和软件著作权33项。出版著作及标准18部，发表学术论文200余篇，其中SCI、EI收录120余篇。培养和指导博士后、博士和硕士研究生80余名，其中6篇论文被评为江苏省优秀博士、硕士学位论文。

　　兼任中国农业机械学会排灌机械分会副理事长，中国农机工业协会理事兼排灌机械分会常务副会长，中国通用机械工业协会理事兼泵业分会副理事长，《排灌机械工程学报》编委会副主任、副主编，《水动力学研究及进展》、《江苏大学学报》(自然科学版)、《农机化研究》编委等。国家百千万人才，国务院政府特殊津贴，江苏省突贡、“333工程”领军人才，全国化工优秀工作者等。

　　李维强，男，江苏南京人，1990年0生，工学硕士生，主要从事流体机械(泵)的研究。

　　周岭，男，工学博士，助理研究员。2014年6月获流体机械及工程专业博士学位，论文被评为江苏省优秀博士学位论文。博士期间受国家公派留学基金全额资助赴美国圣路易斯华盛顿大学博士联合培养一年;2015年入选江苏省双创博士计划;先后发表SCI或EI收录论文20余篇，获省部级科技奖励5项。

　　现为ASME(美国机械工程师学会)会员，期刊American Journal of Engineering & Applied Sciences编委，Energy Conversion & Management、Journal of Fluids、Engineering Science & Technology等期刊审稿人。

　　蒋小平，男，湖南新宁人，工学博士，副研究员，硕士生导师。主要从事流体机械及工程方面的科研、教学、新产品研发及试验等工作。目前主持国家科技型中小企业技术创新基金、江苏省自然科学基金(面上)项目以及江苏省科技支撑计划(工业)项目各1项。

　　在国内外核心以上学术期刊发表论文20多篇，其中SCI/EI收录10多篇;获省部级科技进步二等奖3项、三等奖2项;通过省部级鉴定2项;申报国家发明专利7项，获授权2项;申报软件著作权7项，获登记6项。2011年获江苏省首批高校优秀青年教师境外研修项目资助，2012年9月到香港理工大学进行为期半年的访问进修。部分科研成果已成功转化为生产力，取得了较好的经济效益与社会效益。

　　本文转载自机械工程学报公众号(ID：jmewechat)，小编根据机械工程学报分享的原文补充了相关的结论。