當(dāng)泵及其關(guān)聯(lián)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通常歸結(jié)到四種類型：斷裂，疲勞，摩擦磨損或泄漏。斷裂的原因是過載，例如超過預(yù)期的壓力，或管口負(fù)荷超出推薦的水平。疲勞的條件是施加的載荷是交變的，應(yīng)力周期地超過材料破裂的耐久極限，泵部件的疲勞主要由振動(dòng)過大引起，而振動(dòng)大由轉(zhuǎn)子不平衡，泵和驅(qū)動(dòng)機(jī)之間軸中心線的過大不對(duì)中，或固有頻率共振放大的過大運(yùn)動(dòng)引起。

  摩擦磨損和密封泄漏意味著轉(zhuǎn)子和定子之間的相互定位沒有在設(shè)計(jì)的容差范圍。這可以動(dòng)態(tài)發(fā)生，一般原因是過大的振動(dòng)。當(dāng)磨損或泄漏位于殼體單個(gè)角度位置，常見的原因是不可接受的管口載荷量，及其導(dǎo)致的或獨(dú)立的泵/驅(qū)動(dòng)機(jī)不對(duì)中。在高能泵（特別是加氫裂化和鍋爐給水泵），另一個(gè)在定子一個(gè)位置摩擦的可能性是溫度變化太快，導(dǎo)致每個(gè)部件由于隨溫度的變化，長度和裝配不匹配。

    有一些特定的方法和程序可供遵循，降低發(fā)生這些問題的機(jī)會(huì)；或如果發(fā)生了，幫助確定解決這些問題的方法，從而讓一臺(tái)泵保養(yǎng)的更好。

振動(dòng)評(píng)估

關(guān)于泵的振動(dòng)和其它不穩(wěn)定機(jī)械狀態(tài)的診斷或預(yù)測(cè)，應(yīng)包括如下評(píng)估：

• 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)行為，包括臨界轉(zhuǎn)速，激勵(lì)響應(yīng)，和穩(wěn)定性

• 扭轉(zhuǎn)臨界轉(zhuǎn)速和振蕩應(yīng)力，包括起機(jī)/停機(jī)瞬態(tài)

• 管路和管口負(fù)荷引起的不穩(wěn)定應(yīng)力，和不對(duì)中導(dǎo)致的扭曲

• 由于扭振、止推和徑向負(fù)荷導(dǎo)致高應(yīng)力部件的疲勞

• 軸承和密封的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)行為

• 正常運(yùn)行和連鎖停機(jī)過程的潤滑系統(tǒng)運(yùn)行

• 工作范圍對(duì)振動(dòng)的影響

• 組合的泵和系統(tǒng)中的聲學(xué)共振（類似喇叭）

    通常討論的振動(dòng)問題是軸的橫向振動(dòng)，即與軸垂直的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)，然而，振動(dòng)問題也會(huì)在泵的定子結(jié)構(gòu)發(fā)生，如立式泵，另外振動(dòng)也會(huì)發(fā)生在軸向，也可能涉及扭振。

泵的運(yùn)行點(diǎn)對(duì)振動(dòng)的影響

    盡量運(yùn)行在BEF點(diǎn)，否則，離心泵隨節(jié)流振動(dòng)變大，除非節(jié)流伴隨轉(zhuǎn)速的改變?nèi)鏥FD。在給定轉(zhuǎn)速運(yùn)行遠(yuǎn)低于BEF，與遠(yuǎn)高于BEF一樣，使流體的速度角度與各級(jí)葉輪或擴(kuò)散器或蝸殼舌部的流道角度不匹配。在低于入口或出口回流的流量下，轉(zhuǎn)子葉輪穩(wěn)定的側(cè)負(fù)荷和搖動(dòng)可能引起摩擦，甚至損壞軸承。

    一些工廠考慮未來生產(chǎn)擴(kuò)容，購買大于需求能力的設(shè)備，但是這樣會(huì)產(chǎn)生幾年的本應(yīng)可靠設(shè)備的性能不可靠。如圖1的典型結(jié)果，盡管運(yùn)行在低于BEF是允許的甚至對(duì)某些應(yīng)用是必須的，但是絕不要使泵長時(shí)間運(yùn)行在低于廠家提供的“最小連續(xù)流量”，否則脈動(dòng)和振動(dòng)將有階躍升高。

泵入口設(shè)計(jì)對(duì)振動(dòng)的影響

    入口法蘭的機(jī)械連接，以及泵葉輪上游的液壓設(shè)計(jì)，都會(huì)顯著影響泵的振動(dòng)。避免在大的管口有無限制的膨脹節(jié)（管路“柔性節(jié)”），然而，主要的液壓問題是要有足夠的靜壓避免氣蝕。這意味著不僅僅具有足夠的凈正入口壓頭（NPSHA），還要高一些以滿足廠家公布的3%壓頭下降NPSHR（需要的NPHS）。

    當(dāng)NPSHA到3xNPHSR時(shí)，高頻氣蝕（有時(shí)聽不見的）將引起葉輪流道入口側(cè)或摩擦環(huán)出口側(cè)的侵蝕，并導(dǎo)致低頻有時(shí)流道通過頻率振動(dòng)增加。除了入口壓力太低，如果泵運(yùn)行在遠(yuǎn)離BEF點(diǎn)，進(jìn)入的流體對(duì)旋轉(zhuǎn)的葉輪流道的沖擊角度會(huì)與泵的設(shè)計(jì)者在該轉(zhuǎn)速下預(yù)測(cè)的不同，將在入口或出口發(fā)生流道失速，分別導(dǎo)致入口或出口回流。這種內(nèi)部回流可引起流道壓力側(cè)的氣蝕，導(dǎo)致旋渦狀流隨葉輪旋轉(zhuǎn)，但是以一個(gè)較慢的轉(zhuǎn)速，在意想不到的次同步頻率激勵(lì)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速，顯著增大振動(dòng)。

平衡

    不平衡是機(jī)器振動(dòng)過大最常見的原因（大約50%），緊隨其后的是不對(duì)中。一般認(rèn)為平衡分靜態(tài)（質(zhì)量中心偏離中心，質(zhì)量分布主軸仍與旋轉(zhuǎn)中心線平行）和動(dòng)態(tài)（質(zhì)量中心軸與旋轉(zhuǎn)軸成角度）。對(duì)應(yīng)軸向短的部件（如一個(gè)止推墊圈）二者的差別可以忽略，只需要單面靜態(tài)平衡。對(duì)于長度大于1/6直徑的部件，應(yīng)考慮動(dòng)態(tài)不平衡，至少需要雙面平衡。

    對(duì)于運(yùn)行在二階臨界轉(zhuǎn)速（對(duì)泵不常見）的轉(zhuǎn)子，甚至雙面平衡還不夠，可能需要某些形式的高速模態(tài)平衡（即平衡去重考慮最接近的固有頻率模態(tài)形狀）。不平衡表現(xiàn)為1X頻率，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子的重點(diǎn)以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，使振動(dòng)運(yùn)動(dòng)以相同頻率。一般它也導(dǎo)致一個(gè)圓形軸心軌跡，盡管如果轉(zhuǎn)子在滑動(dòng)軸承內(nèi)承受高負(fù)荷軌跡可能為橢圓。

 泵/驅(qū)動(dòng)機(jī)對(duì)中

    不對(duì)中僅次于不平衡，是旋轉(zhuǎn)機(jī)器振動(dòng)問題第二個(gè)最常見的原因。通常區(qū)分為兩種形式：平行不對(duì)中和角不對(duì)中，一般不對(duì)中是兩種的結(jié)合。有時(shí)一個(gè)轉(zhuǎn)子必須在冷態(tài)和未運(yùn)行時(shí)偏移，以便在運(yùn)行和熱態(tài)時(shí)保持對(duì)中。不對(duì)中主要引起2X轉(zhuǎn)頻振動(dòng)，因?yàn)楦叨葯E圓的軌跡驅(qū)使軸運(yùn)行在不對(duì)中的一側(cè)。有時(shí)不對(duì)中負(fù)荷可導(dǎo)致高次諧頻（即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速整數(shù)倍頻，尤其3X），甚至可能降低振動(dòng)，因?yàn)樗虞d轉(zhuǎn)子使其對(duì)軸承殼異常變強(qiáng)。

    或者，不對(duì)中可實(shí)際上引起1X振動(dòng)增大，通過抬起轉(zhuǎn)子使其離開重力加載的“軸承位置”，使軸承運(yùn)行在相對(duì)卸載狀態(tài)（這也可導(dǎo)致軸不穩(wěn)定，后述）。典型的不對(duì)中特征表現(xiàn)為2X振動(dòng)，香蕉或數(shù)字8形軌跡，通常伴隨相對(duì)較大的軸向運(yùn)動(dòng)，也是在2X，因?yàn)槁?lián)軸器經(jīng)歷非線性“壓彎”每轉(zhuǎn)兩次。

  共振

    振動(dòng)超標(biāo)是常見的問題，尤其在變頻系統(tǒng)，很可能存在一個(gè)激勵(lì)頻率等于一個(gè)固有頻率。為了避免共振，轉(zhuǎn)子和軸承座的固有頻率應(yīng)該與“運(yùn)球”型的力頻率很好分離，它們很可能是1X轉(zhuǎn)頻（典型不平衡），2X（典型不對(duì)中），或葉輪流道數(shù)乘以轉(zhuǎn)速（稱為“流道通過”振動(dòng)，當(dāng)葉輪流道通過一個(gè)蝸殼舌或擴(kuò)散器流道“切流”）

    實(shí)際上，共振放大（常稱為“Q”值）系數(shù)通常介于2至25之間，如果引起振動(dòng)的力是穩(wěn)定的而不是振蕩的。Q取決于能量消耗的量，稱為“阻尼”，它在碰撞中發(fā)生。在一個(gè)汽車車身，這個(gè)阻尼由沖擊吸收器提供；在一個(gè)泵，它大部分由軸承和“環(huán)形密封”轉(zhuǎn)子和定子之間的流體陷阱提供，像平衡活塞。

 對(duì)應(yīng)共振，模態(tài)沖擊測(cè)試是非常有效和被證明的方法，可快速發(fā)現(xiàn)共振的原因并從根本解決它。典型的解決方法包括對(duì)最大振動(dòng)運(yùn)動(dòng)區(qū)域選擇性的支撐，或者增加質(zhì)量。模態(tài)“敲擊“測(cè)試最好在機(jī)器運(yùn)行中進(jìn)行，這樣，軸承和密封是“承載的”并支撐轉(zhuǎn)子，在泵的典型運(yùn)行狀態(tài)。確認(rèn)你或服務(wù)商具有在機(jī)器運(yùn)行條件下進(jìn)行“敲擊”測(cè)試的能力。

轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)評(píng)估 

    轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)需要一個(gè)比結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)更專業(yè)計(jì)算機(jī)程序，因?yàn)樗仨毎ǖ挠绊懭纾?/p>

◆ 在軸承，葉輪和密封，作為轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的函數(shù)的三維剛度和阻尼

◆ 葉輪和止推平衡裝置流體激勵(lì)力，和

◆ 陀螺效應(yīng)

    然而，一些大學(xué)和商業(yè)組織開發(fā)了轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)程序，可用的程序包括各種計(jì)算子程序，用于軸承和圓形密封（如摩擦環(huán)和平衡鼓）的剛度和阻尼系數(shù)計(jì)算，臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算，激勵(lì)響應(yīng)和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性計(jì)算，它包括軸承和密封阻尼和“交叉耦合剛度”的影響（即與運(yùn)動(dòng)垂直的的反作用力）。

流體“增加質(zhì)量”對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)固有頻率的影響  

    圍繞轉(zhuǎn)子的流體以三種方式增加轉(zhuǎn)子的慣性：流體被困在葉輪通道直接增加質(zhì)量；由于葉輪和軸材料的存在移動(dòng)的流體直接對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)增加質(zhì)量，由于轉(zhuǎn)子在流體中的振動(dòng)，它必須移動(dòng)這個(gè)質(zhì)量；以及在緊密間隙中的流體，一定比轉(zhuǎn)子振動(dòng)加速度更快地加速以保持連續(xù)性，并因此可能會(huì)增加很多倍于其移動(dòng)的質(zhì)量（稱為Stroke Effect）。

環(huán)形密封“Lomakin效應(yīng)”對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)固有頻率的影響  

    泵的環(huán)形密封（例如，摩擦環(huán)和平衡鼓）可對(duì)動(dòng)力學(xué)特性影響很大，通過改變轉(zhuǎn)子支撐剛度從而轉(zhuǎn)子固有頻率，因此可以避開或?qū)е聫?qiáng)一倍和二倍轉(zhuǎn)頻激勵(lì)與一個(gè)低固有頻率之間可能的共振。環(huán)形密封的剛度和阻尼小部分由擠壓油膜和流體動(dòng)力楔（對(duì)滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)廣為所知）提供。然而，由于在環(huán)形密封中相對(duì)軸承來說存在高的軸向?qū)A周流速比例，由于圓周間隙變化可以在環(huán)形間隙產(chǎn)生很大的力，隨著轉(zhuǎn)子偏心的發(fā)展引起B(yǎng)ernoulli壓降，這被稱為Lomakin效應(yīng)，并且是泵的環(huán)形密封中最大的剛度和阻尼力產(chǎn)生機(jī)制。

    Lomakin效應(yīng)直接取決于通過密封的壓降，對(duì)于恒定系統(tǒng)流阻它產(chǎn)生Lomakin支撐剛度大約隨著轉(zhuǎn)速的平方而變化。然而，對(duì)于大約恒定的系統(tǒng)壓頭，導(dǎo)致只有很小的Lomakin效應(yīng)隨轉(zhuǎn)速的變化。其它重要的參數(shù)是環(huán)形密封長度，直徑和間隙；流體特性是次要的除非涉及非常高的粘度。然而，流體漩渦可以導(dǎo)致Lomakin效應(yīng)的顯著下降，或者增加伴隨它的交叉耦合，重要的是，當(dāng)交叉耦合反作用力超過阻尼反作用力，它可能引起轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定（如合理設(shè)置的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)程序所估算的那樣）。

    間隙效應(yīng)是最強(qiáng)的幾何尺寸影響，Lomakin效應(yīng)大約與其平方成反比。間隙影響很大的物理解釋是，它給圓周壓力分布（Lomakin效應(yīng)的原因）通過圓周流動(dòng)而消除。任何環(huán)形密封腔帶有切槽在一定程度具有與增加間隙相同的效果，在這個(gè)角度看深槽比淺槽更差。

  轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)分析  

    橫向轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析可以通常不包括其它泵系統(tǒng)部件，如驅(qū)動(dòng)機(jī)，泵殼體，軸承座，基礎(chǔ)或管道，然而，泵軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和各種泵固定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)是取決于系統(tǒng)的，由于振動(dòng)的固有頻率和振型隨部件的質(zhì)量，剛度和阻尼而變化的，不是包含在泵中的那些。

    盡管扭振問題再泵不常見，除非由高頻VDF激勵(lì)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，或由往復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，復(fù)雜的泵/驅(qū)動(dòng)鏈具有扭振問題的可能性。這可以通過計(jì)算進(jìn)行檢查，包括前幾階扭振臨界轉(zhuǎn)速，和系統(tǒng)在起機(jī)瞬態(tài)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，連鎖和電動(dòng)機(jī)控制的瞬態(tài)過程中對(duì)激勵(lì)的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)。強(qiáng)迫響應(yīng)應(yīng)該按照靜態(tài)的加上振蕩的應(yīng)力之和，在驅(qū)動(dòng)鏈的最高應(yīng)力元件，通常是最小軸直徑處。

    一般計(jì)算前兩個(gè)扭振模型足夠覆蓋期望的激勵(lì)頻率范圍，為此，泵機(jī)組必須按照至少三個(gè)部分建模：泵轉(zhuǎn)子，聯(lián)軸器（包括任何墊塊）和驅(qū)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子。如果使用柔性聯(lián)軸器（如盤聯(lián)軸器），聯(lián)軸器的剛度將與軸的剛度在一個(gè)數(shù)量級(jí)，必須包含在分析中。聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)剛度的良好估計(jì)，通常相對(duì)獨(dú)立與速度和穩(wěn)態(tài)扭矩，列在聯(lián)軸器樣本數(shù)據(jù)中，通常提供給定尺寸的剛度范圍。

    如果包含齒輪箱，每個(gè)齒輪必須單獨(dú)考慮，按照慣量和嚙合比。如果泵或驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子與將轉(zhuǎn)子連接到聯(lián)軸器的軸相比不是至少幾倍的扭轉(zhuǎn)剛度，那么單個(gè)軸長度和內(nèi)部葉輪應(yīng)包括在模型中，然而對(duì)工業(yè)泵來說要求最后一步是不常見的。

    手工計(jì)算前幾個(gè)扭轉(zhuǎn)固有頻率的方法由Blevins給出，然而泵的扭振計(jì)算應(yīng)該包括系統(tǒng)阻尼的影響。為了以足夠精度確定軸的應(yīng)力，應(yīng)該使用數(shù)字的程序，如Holzer方法，傳遞矩陣法或有限元分析（FEA）。

    最低扭轉(zhuǎn)振型是在泵/驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最常被激起的，這個(gè)扭轉(zhuǎn)振型的大部分運(yùn)動(dòng)發(fā)生在泵的軸上。這種情況下，主要的阻尼來自泵葉輪，當(dāng)它由于扭振運(yùn)動(dòng)運(yùn)行在稍高和稍低的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速時(shí)消耗的能量。這個(gè)阻尼的粗略估計(jì)公式：

    阻尼 = 2x（額定扭矩）x（估計(jì)的頻率）/（額定轉(zhuǎn)速）^2

    為了確定期望的大扭振激勵(lì)的頻率，以及這些頻率下發(fā)生扭矩值，任何給定轉(zhuǎn)速和流量下的泵的扭矩可以乘以一個(gè)單位系數(shù)“p.u.”，重要頻率下的p.u.系數(shù)可從特定系統(tǒng)的電機(jī)和控制生產(chǎn)商那里獲得，一般是感興趣的狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行扭矩的大約0.01至0.05，峰-峰值。

    來自電動(dòng)機(jī)的最重要的扭轉(zhuǎn)激勵(lì)頻率是極數(shù)乘以滑差頻率（對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)），轉(zhuǎn)速乘以極數(shù)，以及轉(zhuǎn)速本身；泵的不穩(wěn)定的流體扭矩也存在，頻率表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速乘以葉輪流道數(shù)，強(qiáng)度等于傳遞的扭矩除以流道數(shù)，一般具有的最大值也是在0.01至0.05區(qū)間，不在BEP最佳運(yùn)行點(diǎn)運(yùn)行和/或葉輪少于4個(gè)流道一般具有較高的值。

    對(duì)于包括變速或VFD的系統(tǒng)，應(yīng)該特別關(guān)注，除了激勵(lì)頻率掃描一個(gè)大的范圍從而增加發(fā)生共振的機(jī)會(huì)，老式的VFD控制器提供新的激勵(lì)，表現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的各種“控制脈沖”乘數(shù)，通常為6X或12X，以及也常為整分?jǐn)?shù)約數(shù)。控制器生產(chǎn)廠商可以預(yù)測(cè)這些頻率及其相關(guān)的p.u.系數(shù)。

    對(duì)機(jī)組扭轉(zhuǎn)特性的可接受度的判斷應(yīng)該基于在所有運(yùn)行狀態(tài)，受迫響應(yīng)軸應(yīng)力是否在疲勞極限預(yù)留了足夠安全系數(shù)之下。對(duì)一個(gè)仔細(xì)分析的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，推薦的最小安全系數(shù)是2。

轉(zhuǎn)子動(dòng)力穩(wěn)定性  

    轉(zhuǎn)子動(dòng)力穩(wěn)定性指一種現(xiàn)象，即使主動(dòng)的穩(wěn)定的激勵(lì)非常低，具有反應(yīng)支持力的轉(zhuǎn)子及其系統(tǒng)能夠成為自激的，導(dǎo)致可能災(zāi)害性的振動(dòng)水平。轉(zhuǎn)子動(dòng)力不穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素是交叉耦合剛度，交叉剛度源于在軸承和其它緊密的旋轉(zhuǎn)間隙中建立的流體動(dòng)力油膜，流體動(dòng)力油膜具有傾向于將轉(zhuǎn)子推回到其中心位置的有利效果 – 這是典型的流體膜（軸頸）軸承的工作原理。

    然而，除此之外，交叉耦合力矢量作用在與運(yùn)動(dòng)垂直的方向，與源自流體阻尼的矢量方向相反，因此很多人將交叉耦合剛度理解為負(fù)阻尼。交叉耦合作用對(duì)穩(wěn)定性是非常重要的，如果交叉耦合力矢量變成大于阻尼矢量，振動(dòng)引起反應(yīng)力以一種反饋的方式導(dǎo)致不斷增加的振動(dòng)，軸心軌跡不斷變大直到產(chǎn)生嚴(yán)重摩擦，或由于大的運(yùn)動(dòng)反饋停止。

    軸半速渦動(dòng)是一個(gè)在低于一階非臨界阻尼的軸彎曲固有頻率下的受迫響應(yīng)，它是由流體激勵(lì)力驅(qū)動(dòng)的，產(chǎn)生力的靜態(tài)壓力場(chǎng)以低于轉(zhuǎn)速的某個(gè)速度旋轉(zhuǎn)，流體旋轉(zhuǎn)的速度成為渦動(dòng)速度。

    渦動(dòng)最常見的原因是圍繞葉輪前或后側(cè)板，或在軸頸軸承的間隙的流體旋轉(zhuǎn)，這種流體旋轉(zhuǎn)一般是轉(zhuǎn)速的約45%，因?yàn)榱黧w在定子殼壁是固定的，在轉(zhuǎn)子表面以轉(zhuǎn)子的速度旋轉(zhuǎn)，這樣在旋轉(zhuǎn)間隙建立起大約半速的“庫艾特流”分布。驅(qū)動(dòng)這個(gè)渦動(dòng)的壓力分布一般是傾斜的，這樣交叉耦合的分量與渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向相同，并且可能很強(qiáng)。如果某種原因間隙在一側(cè)減小，例如由于偏心，結(jié)果耦合的力進(jìn)一步增加。

    如果流體渦動(dòng)頻率隨轉(zhuǎn)速增加而增加，直到渦動(dòng)位于一個(gè)轉(zhuǎn)子很小阻尼的臨界轉(zhuǎn)速，交叉耦合力的作用相位相對(duì)于對(duì)它的反應(yīng)力成為不穩(wěn)定的（力導(dǎo)致變形導(dǎo)致更大的力），那么“軸渦動(dòng)”變?yōu)樗^的“軸振蕩”，它是很具破壞性的，迅速地磨損掉泵腔內(nèi)密封所需要的緊密設(shè)計(jì)間隙。

    軸振蕩的特征是一旦它開始，所有自激發(fā)生在軸的彎曲固有頻率，這樣振動(dòng)響應(yīng)頻率“鎖定”固有頻率。由于振蕩開始于當(dāng)渦動(dòng)接近轉(zhuǎn)速的一半，并等于軸的固有頻率，正常的1X轉(zhuǎn)速頻率頻譜和大概圓形的軸心軌跡現(xiàn)在表現(xiàn)出顯著的大約0.45倍轉(zhuǎn)速分量，在軌跡上表現(xiàn)為一個(gè)環(huán)，反映每隔一轉(zhuǎn)一次軌跡脈動(dòng)。這種情況下的典型觀察是振動(dòng)“鎖定”在固有頻率上，導(dǎo)致在振蕩開始之后轉(zhuǎn)速升高，振動(dòng)偏離渦動(dòng)的恒定百分比轉(zhuǎn)速。

  參數(shù)共振和分?jǐn)?shù)頻率  

    已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在透平機(jī)器中當(dāng)轉(zhuǎn)子與殼體的定子部件相互作用時(shí)，常見一些類型的非線性振動(dòng)響應(yīng)，它們一般歸結(jié)到參數(shù)共振類型，超出了本文討論的范圍。它們可導(dǎo)致大的振動(dòng)，盡管相對(duì)低的驅(qū)動(dòng)力。一般來講，這些共振是由軸承支撐松動(dòng)或在軸承、密封或其它旋轉(zhuǎn)間隙處的摩擦引起的，征狀是脈動(dòng)的軸心軌跡，在轉(zhuǎn)速的整分?jǐn)?shù)倍頻，如1/2，1/4等振動(dòng)較大。

  測(cè)試方法 – FFT頻譜分析  

    振動(dòng)幅值對(duì)頻率的FFT頻譜或“特征”分析可確定那些被強(qiáng)烈激起的頻率，對(duì)熟悉泵的內(nèi)部部件和泵所連接的系統(tǒng)的振動(dòng)特性的專業(yè)人員，提示可能的根本原因。特征分析之后，實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析（EMA）已經(jīng)證明其通過分別確定泵系統(tǒng)的激勵(lì)力和固有頻率快速解決問題的能力。

    泵的振動(dòng)達(dá)到最大的轉(zhuǎn)速，并且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，很嚴(yán)重足以引起可靠性問題，被稱為“臨界轉(zhuǎn)速”。泵的臨界轉(zhuǎn)速通常由“瀑布圖”確定，它是泵在靜止和運(yùn)行狀態(tài)之間加速或減速過程中，振動(dòng)幅值對(duì)頻率的頻譜對(duì)時(shí)間的3-D繪圖。圖3所示的例子，是一個(gè)鍋爐給水泵在一個(gè)低流速下（排放口節(jié)流）在一個(gè)速度范圍內(nèi)運(yùn)行的三維圖。對(duì)泵來說，這樣一個(gè)繪圖可能有明顯誤差，因?yàn)榄h(huán)形密封在起機(jī)和停機(jī)的瞬態(tài)的剛度值k與它們?cè)诟信d趣的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的值有很大差別，主要由于 Lomakin效應(yīng)。

    級(jí)聯(lián)圖的分析配對(duì)是坎貝爾圖，它是振動(dòng)激勵(lì)頻率對(duì)轉(zhuǎn)速的繪圖。由于泵中最強(qiáng)的振動(dòng)激勵(lì)發(fā)生在轉(zhuǎn)速的整數(shù)倍頻，這些（1X，2X和流道通過）在圖中作為從坐標(biāo)原點(diǎn)放射的斜線繪出，同樣對(duì)前幾個(gè)計(jì)算的轉(zhuǎn)子固有頻率匯出大約水平線。激勵(lì)和固有頻率曲線的交點(diǎn)用半徑等于交點(diǎn)發(fā)生的頻率的10%畫圓標(biāo)注，如果任何圓的任何部分位于代表最小和最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速的兩條垂直線之間，那么共振會(huì)發(fā)生，需要采取步驟移動(dòng)有問題的固有頻率，增加其阻尼直到達(dá)到臨界阻尼，或消除激勵(lì)源。

測(cè)試方法 – 沖擊（敲擊）測(cè)試 

    在模態(tài)響應(yīng)沖擊測(cè)試或激振器測(cè)試確定固有頻率時(shí)，展示結(jié)果方便的繪圖是log振動(dòng)值對(duì)頻率，結(jié)合相位角對(duì)頻率的繪圖，這個(gè)繪圖識(shí)別和驗(yàn)證固有頻率的值并表示其放大系數(shù)。另一個(gè)有用的繪圖是奈奎斯特圖，它承載相似的信息，但以極坐標(biāo)圖的方式，振動(dòng)值是放射的矢量，相位是其角度。對(duì)后者，固有頻率繪圖作為近似圓，使用奈奎斯特圖接近的振型更容易識(shí)別和分開。

    實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析（EMA）是一個(gè)振動(dòng)測(cè)試方法，它對(duì)泵施加已知的力（在測(cè)試范圍所有頻率上恒定），泵由這個(gè)力單獨(dú)產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)被觀察和分析。EMA可以在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上也可以在現(xiàn)場(chǎng)確定泵的振動(dòng)特性，可以得到結(jié)合了殼體、管道和支撐結(jié)構(gòu)的實(shí)際固有頻率；并且如果采用特殊的數(shù)據(jù)采集步驟，EMA也可以在泵的運(yùn)行狀態(tài)確定轉(zhuǎn)子的固有頻率。

    做EMA使用的主要工具是一個(gè)雙通道FFT頻率分析儀，一個(gè)PC和特定軟件，一組振動(dòng)響應(yīng)探頭如加速度傳感器或渦流探頭，和一個(gè)沖擊力錘。力錘的設(shè)計(jì)能夠?qū)⒘Ψ植嫉揭粋€(gè)頻率范圍，覆蓋測(cè)試的范圍，結(jié)果就像一系列激振器測(cè)試的結(jié)合。沖擊力錘在其頭部有一個(gè)加速度計(jì)，標(biāo)定指示施加的力，在EMA測(cè)試時(shí)，力錘沖擊力加速度傳感器的信號(hào)連接到頻譜分析儀的一個(gè)通道。在每個(gè)頻率上，第二通道除以第一通道得到泵及其連接的系統(tǒng)的“頻率響應(yīng)函數(shù)”（FRF）。FRF的峰是非臨界阻尼的固有頻率，峰的寬度和高度指示每個(gè)固有頻率的阻尼，以及在測(cè)試位置振動(dòng)對(duì)力錘沖擊的位置附近發(fā)生的力，在給定固有頻率附近頻率的靈敏性。

    Marscher開發(fā)了EMA的變種，不需要停掉泵、在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的時(shí)間和運(yùn)行制約下就可以準(zhǔn)確確定固有頻率，這個(gè)方法稱為時(shí)間平均沖擊（TAP）。TAP方法統(tǒng)計(jì)識(shí)別模態(tài)分析的數(shù)據(jù)，以便在泵運(yùn)行在有問題的狀態(tài)下可靠地確定結(jié)構(gòu)固有頻率和振型，共振力的位置和頻率，和轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速。TAP然后使用經(jīng)典模態(tài)分析處理技術(shù)產(chǎn)生每個(gè)固有頻率下振型的動(dòng)畫模型，預(yù)測(cè)設(shè)想的設(shè)計(jì)改變的有效性，例如加強(qiáng)軸承剛度，新的管道支撐，或加厚基板。這個(gè)方法可應(yīng)用于任何轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下機(jī)器。

    EMA可以分類復(fù)雜的模型測(cè)試數(shù)據(jù)庫，由多個(gè)位置對(duì)一個(gè)敲擊位置的振動(dòng)響應(yīng)的FRF繪圖組成，選擇的敲擊位置代表可能存在顯著激勵(lì)力的地方。這個(gè)分類處理的結(jié)構(gòu)是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)測(cè)試范圍內(nèi)每個(gè)固有頻率的頻率和阻尼，將“成箱的”固有頻率振動(dòng)變?yōu)椤罢裥汀?。在一些EMA軟件，這個(gè)信息可以用來自動(dòng)預(yù)測(cè)增加質(zhì)量、阻尼器或支撐的最佳位置，以解決與給定振型有關(guān)的振動(dòng)問題。對(duì)于機(jī)器運(yùn)行時(shí)在很大位置和方向采集的振動(dòng)也可以做類似的“箱”，被稱為運(yùn)行變形形狀（ODS），ODS是一個(gè)非常有用的故障排查工具，因?yàn)橹T如軟腳、部件松動(dòng)、過大柔性區(qū)域之類的問題即刻變?yōu)槊黠@的，從而可以提出修理措施。

振動(dòng)故障排查 

    圖4和圖5表示一個(gè)代表性的泵型式的典型故障模式和相關(guān)的頻率，這些圖的重點(diǎn)不在于包括所有泵的問題，但示出了主要問題，以及這些問題如何與導(dǎo)致的振動(dòng)相關(guān)。圖6表示FFT頻譜和x-y軌跡（在探頭位置軸中心線的運(yùn)動(dòng)）如何被用來確定發(fā)生了什么故障，基于振動(dòng)水平，它們的嚴(yán)重性怎樣。

案例：立式泵帶空心軸/齒輪箱驅(qū)動(dòng) 

    一個(gè)主要的US煉油廠的一些服務(wù)水泵發(fā)生了一系列齒輪箱失效問題，發(fā)出強(qiáng)烈的尖銳噪聲違反OSHA標(biāo)準(zhǔn)。這些泵通過汽機(jī)經(jīng)過一個(gè)直角1：1齒輪箱和空心軸以可變轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)。來自泵、透平和齒輪箱制造商和獨(dú)立咨詢公司的很多專家，在安裝以來的幾年中未能成功地使用振動(dòng)特征測(cè)試（和某些FEA）理解和消除問題，更換一些按照更嚴(yán)格的誤差仔細(xì)建造的齒輪箱沒有效果，懷疑問題與由齒輪嚙合頻率激起的扭轉(zhuǎn)臨界轉(zhuǎn)速有關(guān)。然而，完成的扭振測(cè)試發(fā)現(xiàn)所有轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)固有頻率接近他們預(yù)測(cè)的值，并不接近設(shè)備的單一的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

     沖擊模態(tài)測(cè)試在所有曝露的定子以及轉(zhuǎn)子部件完成，使用上述談到的累計(jì)時(shí)間平均方法，沒有結(jié)果指示存在任何固有頻率接近齒輪嚙合激勵(lì)頻率，直到對(duì)4英尺長的空驅(qū)動(dòng)軸在其運(yùn)行時(shí)進(jìn)行沖擊測(cè)試。驚人的測(cè)試結(jié)果表明，空心軸在扭矩下幾乎正好在齒嚙合頻率具有一個(gè)“鐘振型”，激勵(lì)的固有頻率振型如圖7所示，空心軸振型呈橢圓形，具有非常小的阻尼，引起軸長度隨著橫截面周期性地變?yōu)闄E圓而波動(dòng)。

     后續(xù)的分析表明，出乎意料的軸向運(yùn)動(dòng)是通過“泊松效應(yīng)”發(fā)生的，即是，當(dāng)你在一個(gè)方向拉緊部件，它自動(dòng)在垂直方向同時(shí)變形。通過進(jìn)一步測(cè)試表明，驅(qū)動(dòng)力是來自大小齒輪嚙合是扭轉(zhuǎn)和軸向載荷的結(jié)合。驅(qū)動(dòng)軸用油脂填充阻尼衰減這個(gè)異常振動(dòng)，齒輪箱噪聲立即下降了10倍，所有齒輪箱問題得以解決。

  結(jié)  論   

    諸如檢查振動(dòng)的可接受性的程序之類的問題看似簡單，現(xiàn)實(shí)中，它需要經(jīng)驗(yàn)得到正確結(jié)論，涉及與選擇和運(yùn)行一個(gè)離心泵相關(guān)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)的許多事項(xiàng)。

    ◆ 分析機(jī)器“在先”，在安裝之前，最好在采購之前。如果沒有內(nèi)部人員做，請(qǐng)第三方咨詢，或使它作為招標(biāo)過程，制造商必須以可信的方式為你完成這種分析，然而有很多“可變通”的檢查和簡單分析，作為非專家人士可以自己完成。

    ◆ 認(rèn)真對(duì)待你買的泵的大小，與你的過程和泵系統(tǒng)真正的需要比較。不要買大的多的泵，你之后會(huì)花大部分時(shí)間使之部分負(fù)荷運(yùn)行。

    ◆ 對(duì)于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)中監(jiān)測(cè)，和固有頻率共振測(cè)試，使用計(jì)算機(jī)軟件工具比“手工”技術(shù)會(huì)更容易得到正確的結(jié)論。