关于某立式泵因共振引起叶轮轴疲劳断裂的故障分析

一、故障设备概况

        该泵电动机驱动长度为1879.6毫米，轴径为88.9毫米，壁厚为2.4毫米的轴。叶轮的叶片数为2片，其结构和测点布置如图1。

图1    泵的结构和测点布置示意图

        该立式泵多次发生泵轴断裂，断裂处紧靠叶轮压紧螺母处。故障现象是：开始振动大(3V和4V处最大)，叶轮压紧螺母松动。随后用环氧粘住叶轮压紧螺母，能有效防止螺母松动。然而，之后许多泵出现叶轮轴断裂的灾难性破坏。于是，决定进行监测分析：1.测定振动；2.评定振动严重程度；3.诊断潜在的故障；4.提出有效的排故措施。

 

二、振动实测数据及故障分析

图2    3V测点频谱图

        振动实测表明：3V和4V测点振动最大。3V测点频谱中，2*RPM频率3570rpm分量的幅值达16.51mm/s峰值，而1*RPM频率分量的幅值仅为4.60mm/s峰值。注意：该叶轮的叶片数为2片，叶片通过频率BPF=2*RPM。

图3    锤击法测试结果

        用锤击法测试电动机，轴和泵的自振频率。4V测点的自振频率测试频谱表明：占优势的自振频率3780rpm，它与运行中测到的频谱的最大振动频率分量3570rpm=2*RPM=BPF泵叶轮的叶片通过频率(BPF)仅差210rpm或5.9%。此外，还有2009rpm轴防护罩自振频率。由于自振频率3780rpm太靠近泵叶轮的叶片通过频率或泵转速的二倍频率3570rpm，极易激起泵系统共振。因此，试验用加固泵系统支承刚度，改变系统自振频率(“调频”)，以避免发生共振。

 

三、故障处置及效果

        对1#泵加辅助支撑，改变其自振频率。加固方案如图：

图4    广一水泵加固方案

        对泵系统加固前后振动实测比较表明：加固后自振频率提高到3960rpm,提高了180rpm或4.8%,使之与BPF=2*RPM激励频率有效地错开，避免共振。3V测点振动总量从18.14mm/s峰值减小到5.99mm/s峰值，减幅达67%。2*RPM频率3570rpm分量的幅值从16.51mm/s峰值减小到4.98mm/s峰值，减幅达70%。

图5   加固前后对比