叶轮空蚀状态下离心泵振动特性分析_龚波.pdf

 振动与冲击 第 39 卷第 2 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol． 39 No． 2 2020 基金项目江苏省自然科学基金面上项目 BK20171403 ; 江苏大学 “青 年骨干教师培养工程” 5521440011 收稿日期2018 －08 －09修改稿收到日期2018 －10 －11 第一作者 龚波 男， 硕士生， 1992 年生 通信作者 骆寅 男， 博士， 副研究员， 硕士生导师， 1986 年生 叶轮空蚀状态下离心泵振动特性分析 龚波，袁寿其，骆寅，韩岳江，董健 江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心， 江苏 镇江212013 摘要空蚀是指空化过程中产生的空泡溃灭引起过流表面材料损坏的现象。为研究离心泵叶轮空蚀后的振动信 号特征， 选用 IS- 50- 160- 00 单级单吸离心泵为试验对象， 基于虚拟仪器技术搭建试验泵系统。测得离心泵空蚀条件下的振动 信号， 采用均方根 RMS 分析、 峭度 K 分析两种统计方法对发生空蚀后的离心泵振动信号的平均能量、 冲击波能量进行分 析， 采用短时傅里叶变换 STFT 分析了振动信号的时频域特性。分析结果表明 空蚀条件下整体来看基座方向和轴向方向 振动幅值较大且都是无规则振动， 而横向方向和纵向方向上的振动信号振幅相对较小; 振动信号的能量随着流量的增大呈 现先减小后平稳再增加的趋势， 空蚀增加了振动信号的能量值; 空蚀加剧了液体对离心泵的冲击使得振动信号峭度值增加， 且基座方向峭度值大于3 可作为空蚀故障的诊断参考标准; 通过时频谱分析可知空蚀发生后流体可能对离心泵存在冲击波 及冲击波导致的脉冲信号， 且空蚀后产生了高频振动信号， 高频带的振动信号可为离心泵空蚀故障诊断提供参考。研究叶 轮空蚀后离心泵振动信号的特征有助于及时发现离心泵空蚀故障的发生， 从而调整运行参数， 以免造成严重后果。 关键词离心泵; 空蚀; 试验研究; 振动; 时域分析; 时频域分析 中图分类号TH311文献标志码ADOI 10． 13465/j． cnki． jvs． 2020． 02． 014 Vibration signal characteristics of centrifugal pumps with cavitation erosion impellers GONG Bo，YUAN Shouqi，LUO Yin，HAN Yuejiang，DONG Jian National Research Center of Pumps，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China Abstract Cavitation erosion is a phenomenon that surface material damages by the crumbling and failing of cavity． In order to investigate the vibration characteristics of a centrifugal pump after cavitation erosion，a single- stage single- suction centrifugal pump type IS- 50- 160- 00was selected as the research object． A testing rig was built with the utilization of virtual instrument． The vibration signal of the centrifugal pump was measured． Statistical indicators of RMS and kurtosis were taken to analyze the average energy and shock wave energy of vibration signals． STFT was used to characterize vibration signals in time- frequency domain． The results show that there is a large extent variation of vibration amplitude in the direction of base and axis，and weak variation of vibration amplitude in the direction of radial and vertical． With the increasing of flow rate，the RMS of vibration signal falls at first，then keeps steady，and mounts at last when the flow rate is over the design point． The phenomenon of cavitation erosion causes the increasing of RMS and kurtosis value of vibration signal of the centrifugal pump． When the kurtosis value of vibration signal in the direction of base is over 3， it can be judged that the phenomenon of cavitation erosion occurs． It can be shown from the time- frequency spectrum that there is a shock wave and pause signals caused by the shock wave，which are reflected by the higher frequency band components of the vibration signal that can provide a reference to the diagnosis of the occurrence of cavitation erosion． Analyzing the vibration signal characteristics of centrifugal pumps with cavitation erosion impellers is of great significance to find out the cavitation erosion failure of the centrifugal pumps in time，and adjust the operating parameters to avoid serious consequences． Key wordscentrifugal pump;cavitation erosion;experimental study;vibration;time domain analysis;time- frequency spectrum 泵作为一种通用机械， 主要作用在于输送液体和 给液体增压 ［1 ］。泵运行时， 当泵内局部压力低于输送 液体的汽化压力时， 液体就会汽化形成空泡并快速生 长， 这些空泡随着水流向前运动， 到达高压区时受到周 ChaoXing 围液体的挤压而溃灭的过程即为空化过程。空化过程 会产生一些伴随的现象， 如振动、 噪声、 压力脉动等 ［2 ］， 这些现象与空化的程度密切相关， 通过监测和分析这 些现象可以实现离心泵空化状态的诊断。目前已经有 不少学者对这方面进行了研究。如高波等 ［3 ］通过可视 化试验的方法发现离心泵整体振级水平和叶频的振动 幅值可作为离心泵空化程度的表征。王勇等 ［4 ］提出在 不同流量点， 振动加速度和声压级可以作为诊断信号， 初步判断离心泵初生空化。叶阳辉等 ［5 ］分析振动与气 泡形态之间的关系， 通过气泡的变化来间接地反映空 化的发展程度， 对其进行空化判断。Chudina［6 －7 ］在实 验中发现空化初生对应着一个固定离散频率， 可通过 监测该固定频率来实现离心泵空化初生的监控， 但该 结论并未在其他模型中得到验证。Chini 等 ［8 ］通过试 验测得离心泵运行时空化初生的噪声分布， 通过分析 噪声谱发现某一频率的声压级可用来监测模型泵的空 化初生。Tan 等 ［9 ］通过数值模拟的方法一方面研究了 离心泵在部分负载下的蜗壳内的流场和空化效应， 发 现严重空化下蜗壳内压力脉动的最大振幅是非空化条 件下的两倍， 但未通过试验验证这一结论; 另一方面研 究了离心泵在非设计工况下的非定常空化流动， 发现 大流量下空化对压力脉动的影响小于小流量时。 空化过中叶轮进口产生的大量气泡流经高压区溃 灭， 在局部产生瞬间高压， 在这个过程的反复作用下， 固体表面被破坏最终形成空蚀现象［10 －11 ］。空蚀是空 化发展到一定程度形成的腐蚀破坏现象。一些专家已 关于空蚀特征做了研究， 如 Bark 等 ［12 ］从能量传递的角 度研究了空蚀的形成机理， Franc 等 ［13 ］从冲击波压力的 角度研究了空蚀过程。但这些研究主要是针对空蚀发 生的机理、 条件和破坏修复方法等［14 ］， 这些研究已经形 成了水动力学的一个分支。近年来， 研究人员开发了 一些比较新的空蚀破坏监测技术， 如光学探测法 ［15 ］和 超声波探测法 ［16 ］等。但是由于离心泵水力结构的复杂 性， 这些新监测方法的通用性还较差。 目前关于离心泵空化的研究较多， 而关于空化后 在过流表面产生材料剥蚀， 即空蚀的研究却很少。而 且当前基于空蚀故障特征分析的空蚀监测技术和装置 仅在一些水轮机组上使用， 而且一套装置通常只适用 一台机组， 通用性差， 设备价格偏高， 性价比低， 而且在 空蚀故障监测在最为严重的离心泵领域几乎尚未应 用。分析空蚀故障下离心泵在各种工况运行时的特征 并形成相应的识别技术即可实现离心泵空蚀故障的监 测， 基于这种监测技术设备的通用性、 性价比将大大提 高。同时通过监测离心泵过流部件的空蚀的发生和发 展状况， 可延长机组的检修间隔， 使计划检修变为状态 监测， 大大缩短检修时间， 提高经济效益。因此， 对离 心泵空蚀故障下运行特征进行研究有助于实现离心泵 的空蚀故障监测， 对保障离心泵的经济可靠运行具有 重要意义。 相对于其他监测方式， 基于振动或者噪声来监测 空蚀状态更为可靠， 且有些许学者已经对此进行了研 究。如盛鹏等［17］监测了水轮机空化产生的压力脉 动信号、 噪声以及水轮机的效率， 对这三种参量的综 合变 化 情 况 分 析 来 判 断 水 轮 机 空 蚀 状 况。骆 斌 等［18］离心泵振动试验装置对离心泵汽蚀故障进行 了诊断， 采用频谱分析的方法对振动数据进行了分 析对比， 发现随着汽蚀程度的， 噪声加大， 共振频率 由高频向低频过渡。 为提高依靠振动特性诊断离心泵的空蚀故障的可 靠性， 本文拟采用试验的方法对 IS- 50- 160- 00 单级单吸 离心泵空蚀状态下的振动特性进行研究， 通过采取有 效可靠的方法对振动信号在时域、 时频域进行分析， 探 讨离心泵空蚀状态下的振动信号时域特性和时频域 特性。 1空蚀振动试验装置和数据采集 1． 1试验装置 为了研究离心泵空蚀状态下的振动特性， 在江苏 大学国家水泵及系统工程技术研究中心实验室搭建了 如图 1 所示的闭式试验台。该实验台是由管路系统和 测试系统两部分构成， 管路系统包括罐体、 进出水管 路、 电动阀门、 真空泵、 电机、 电磁流量计、 压力传感器 等组成， 测试系统由进出口压力传感器、 流量计、 振动 加速度传感器、 直流稳压电源、 计算机、 采集板卡等组 成。采用 PCB 压电式振动加速度传感器进行泵体振动 信息的采集， 该传感器测量范围 5 ～ 60 Hz， 灵敏度为 1． 017 mV m2/s2 ， 采集频率 10 kHz。采用 LWGY- 65 型涡轮流量计采集流量信号， 基本误差限为 0． 2， 测得的信号经放大器和频率转换器转换后输出信号为 1 ～5 V 的电压信号。利用虚拟仪器采集板卡 USB6343 将采集到的信号传输到计算机上， 利用 LabVIEW 程序 对信号进行处理和对试验系统进行控制。为减少信号 干扰， 用直流电源对传感器供电。 图 1试验装置示意图 Fig． 1Schematic of experimental rig 39第 2 期龚波等叶轮空蚀状态下离心泵振动特性分析 ChaoXing 为研究离心泵空蚀后的振动规律， 加工了 Ns88， IS- 50- 160- 00 标准离心泵， 其基本设计参数如表 1 所 示。为其选用了 Y160- 2B3 型电动机作为驱动电机。 表 1测试泵的参数 Tab． 1Specifications of pump 名称数值 设计流量 Qd/ m3h －1 50 设计扬程 Hd/m 34 额定转速 N/ rmin －1 2 900 效率 η/ 72． 8 叶片数 Z 6 叶轮进口直径 Dj/mm 74 叶轮外径 D2/mm 174 叶片出口宽度 b2/mm 12 1． 2试验过程 为了得到空蚀后离心泵振动信号信息， 试验时通 过调节进口流量阀门， 将流量调节到 1． 2Qd， 等到泵运 行稳定后， 进口压力调节到空化严重阶段， 在大流量下 持续运行。通过安装在基座上、 横向、 纵向、 和轴向四 个位置上的振动加速度传感器， 在线监测空蚀现象发 生时振动信号幅值， 并将其与正常时进行比较， 实时观 察离心泵外特性和振动信号的变化， 加速度传感器的 安装方向如图 2 所示。 图 2试验台 Fig． 2Test- bed 此试验运行第 6 天听到明显的噪音和感受到较强 烈的振动现象， 这时扬程和效率已出现一定程度上的 降低。打开泵查看叶轮空蚀情况。进口边背面出现蜂 窝状现象， 各个叶片进口都出现叶片被侵蚀现象， 由此 断定离心泵已经产生空蚀故障。 空蚀监测是以振动信号为主， 离心泵的扬程和效 率、 运行现场噪声为辅， 振动和噪声相辅共同保证空蚀 状况判定的准确性和及时性。空蚀试验通过测量离心 泵在不同工况下流量、 进出口压力、 振动信号等物理 量， 分析发生空蚀后外特性变化以及空蚀后振动信号 在不同流量下时域、 时频域上的特性， 从而建立空蚀与 这些特性的联系， 实现利用这些特性来判定空蚀故障 产生。如图 3 所示为离心泵叶轮发生空蚀前后叶轮的 对比图和空蚀后的局部放大图。 图 3空蚀前后叶轮对比图 Fig． 3Cavitation erosion before and after the impeller 1． 3空蚀后离心泵外特性 为了使得测量结果更准确可靠， 每次调节工况后 都是等离心泵运行平稳后才进行采集数据。统计每个 工况采集 10 s， 对采集到的流量数据进行统计学分析， 发现其标准差均不超过 0． 15， 可见采集过程中工况十 分稳定， 数据波动程度较小。将采集到的数据绘制成 离心泵的外特性曲线， 两次正常泵实验和空蚀后试验 的外特性如图 4 所示， 两次实验的曲线重合度较好， 说 明数据的可信度较高。对比空蚀状态的外特性与正常 状态的外特性可知空蚀破坏导致扬程和效率严重下 降， 产生这种现象主要是由于空蚀后泵内流动不稳定 性加强使其扬程和效率下降。 图 4空蚀前后泵外特性曲线 Fig． 4Experimental perance curves of centrifugal pump 1． 4试验误差分析 由于试验方法和实验设备的不完善， 周围环境、 仪 器误差、 人眼观察、 测量程序等各因素的影响导致数据 的测量误差是无法避免的， 用不确定度表征误差的大 小。不确定度分为两类 随机不确定度和系统不确定 度。系统误差主要由测量工具或测量方法的局限性导 致， 主要通过提高测量仪器精度和改善测量方法两种 途径来减小系统误差。随机误差主要通过增加测量次 数来减小。不确定度的值可用来判断测量结果的精度 和可靠性。 49振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 系统误差主要来自流量、 转矩、 转速、 压力传感器。 其中压力传感器对压力的测量是扬程的系统不确定度 的产生原因。效率的系统不确定度可以表示为 E η， s E2 Q， S E2 H， S E2 T， S E2 n， 槡 S 1 式中Eη， S为泵效率的系统不确定度， ;EQ， S为流量 测量的系统不确定度， ;EH， S为扬程测量的系统不确 定度， ;ET， S为转矩测量的系统不确定度， ;En， S为 转速测量的系统不确定度， 。 随机不确定度 ER可由该物理量的均值和方差计 算得到 ER tn－1Sx x － 槡 n 100 2 式中x － 为测量物理量的平均值;n 为采样次数;Sx为 测量物理量的标准偏差;tn －1为置信系数， 一般采用 95置信概率的置信系数， 采样次数 n 很大时置信系 数 t n －1为 1． 96。 综合不确定度 E 由系统不确定度 ES和随机不确 定度 ER合成得到， 计算公式为 E E2 S E2 槡 R 3 由上述公式可设计流量下各物理量的不确定度， 如表 2 所示。 表 2设计流量下各物理量的不确定度 Tab． 2Uncertainty of measuring parameters at design point 项目 系统不确定度 ER随机不确定度 ER 综合不确定度 E 流量0． 2000． 002 30． 200 0 扬程0． 3500． 034 50． 351 7 转矩0． 1000． 013 50． 101 0 转速0． 0050． 012 00． 013 0 效率0． 4200． 024 00． 421 0 以上不确定度的计算结果可以看出， 该试验数据 的不确定度很小， 各项参数的测量精度等级均优于 GB3216 B 级 标准， 进一步说明试验结果稳定可靠。 2空蚀状态下的振动特性时域分析 2． 1空蚀后时域信号 为对比空蚀前后振动信号的变化， 绘制了如图 5 额 定流量下轴向、 纵向、 横向和基座方向上的振动信号时域 图。对比空蚀前后的振动信号， 发现空蚀发生后轴向和 基座方向上的振动信号明显增强， 而纵向和横向上的振 动信号略有增强， 这可能与传感器的安装位置有关。 提取监测到的不同流量下的空蚀后的离心泵轴向 和基座方向上的振动信号， 可得图 6。 图 5设计流量下空蚀前后振动信号时域对比图 Fig． 5Time domain of vibration signal at normal and after cavitation erosion 图 6空蚀后轴向与基座方向上不同工况下振动信号时域图 Fig． 6Time domain of vibration signal after cavitation erosion under 0． 2Qd， 0． 6Qd， 1． 0Qd， 1． 4Qd 59第 2 期龚波等叶轮空蚀状态下离心泵振动特性分析 ChaoXing 从图 6 中可以看出， 空蚀后离心泵基座方向和轴 向方向振动幅值较大， 且都是无规则振动。四个工况 下， 轴向上 0． 2Qd时振动幅值最大， 其次是 1． 4Qd， 设计 流量下振动相对较弱。基座方向上， 0． 2Qd和 1． 4Qd时 的振动信号都较强， 而 0． 6Qd和 1． 0Qd时振动较弱。 离心泵的振动主要受机械振动和流体激振力两个因 素的影响。振动信号先变弱后增强是由泵内流体流动诱 导振动和流体流量变化引起的机械振动两个因素引起的。 空蚀发生后， 空蚀部位产生了大量的分布不均匀 的蜂窝状蚀坑， 流体流经这些蚀坑时将产生不稳定的 流动现象， 这些不稳定的流动现象将导致叶轮受到不 平衡的冲击力和摩擦力使得离心泵整体上的机械振动 和流体激振增强， 从而导致了离心泵整体的振动加强。 而在机械振动和流体激振的双重作用下， 振动幅度呈 现先减小后增大的趋势。 2． 2振动信号时域统计特征分析 为对振动信号的时域特征和产生机理做进一步的 分析， 可采用一些统计指标来描述和分析振动信号的 时域特征。 2． 2． 1均方根分析 均方根 Root- Mean- Square， RMS 分析是信号处理 中常用的数据分析方法， 主要分析信号的平均有效能 量。均方根的表示为 Trms 1 N ∑ N K 1 X2 槡 K 4 式中XK为振动信号的测量值， K 1， 2， 3， ， N。 由前面分析可知， 试验测得的轴向和基座方向的振 动信号要比横向和纵向上的振动信号强烈且敏感， 为更 好分析空蚀对离心泵振动的影响， 计算基座和轴向上的 各个流量下振动信号平均有效能量大小， 可得图7。 图 7振动强度随流量的变化曲线 Fig． 7Vibration intensity curve with the flow 对比空蚀前后的振动信号的均方根可知， 空蚀加 剧了离心泵的振动， 导致了振动信号的能量增加， 使得 各流量下的空蚀后的振动信号的均方根都比正常状态 下大。这是因为空蚀导致的叶轮表面破损使得流体在 叶轮表面产生不平衡的力， 这种不平衡力会从叶轮传 递到轴承， 最终传递到基座上， 使得基座和泵体的受迫 振动增强， 从而使得空蚀振动的平均有效能量增大。 随着流量的增加空蚀前后振动信号的平均能量均 呈现出先减少后增加然后保持平稳后又升高的变化趋 势。其主要原因在于当离心泵运行在小流量时泵内会 出现二次回流现象， 二次回流液体和出口液体的反复 碰撞使得离心泵受到来自液体的冲击， 产生强烈的振 动。当离心泵的流量增加时， 泵内流动趋于稳定， 从而 使得离心泵的振动强度下降。在小流量下， 离心泵振动 主要是由于流体流动不稳定产生诱导振动所致。随着流 量增大泵内流动趋于稳定， 流体诱导振动下降与流量增 大导致的机械振动增加之间达到平衡使得离心泵整体的 振动在小范围内变化。当流量大于设计流量时振动强度 随流量的增加而增加， 主要是因为流动的不稳定和机械 振动都增加导致振动信号能量迅速增加。 当离心泵在偏离设计工况运行时， 泵内的不稳定 流动会诱导叶轮表面产生不平衡力并经轴承传递到基 座和泵体， 加剧了振动。同时， 叶轮表面的不平衡力还 将导致动静部件摩擦， 转轴和密封环、 转轴与轴瓦、 转 轴与密封瓦的摩擦等都会引起振动能量增加。空蚀后 泵叶轮表面的蚀坑会导致流动不稳定的加强， 这使得 当泵偏离设计工况运行时， 空蚀振动的能量变化幅度 比正常时要稍微大一些。 2． 2． 2峭度分析 由均方根分析知， 空蚀加剧离心泵的振动能量， 且 各方向上均方根随流量的变化特征稳定， 但均方根的 随流量变化的敏感性较差， 尤其是流量在 0． 4Qd～ Qd 时。峭度是一种无量纲参数， 反映振动信号分布特性的 统计量， 用来描述波形总能量中信号冲击成分所占的比 重。峭度指标对冲击信号敏感， 尤其对物体表面损伤类 故障， 可用来反映信号的冲击特性。其表达式为 K E x － μ 4 σ4 5 式中x 为试验取得振动信号; μ 为信号的 x 的均值; σ 为信号 x 的标准差。 当离心泵叶轮发生严重空蚀后， 其表面产生了大 面积空蚀坑。流体流经叶轮表面时， 由于空蚀坑的存 在使得流体的冲击载荷加大。产生的冲击载荷会激起 轴以及其它轴承等部件的振动， 与泵体本身、 基座的振 动形成幅值调制现象， 调制信号的频率与发生空蚀后 叶轮故障信息相关。调制信号的峭度能在一定程度上 反映离心泵振动信号中的冲击成分比重， 对空蚀状态 监测和空蚀故障诊断具有指导作用。计算轴向和基座 方向上正常状态下和空蚀状态下的振动信号的峭度 值， 可得到如图 8 所示的峭度对比图。 69振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 图 8不同工况下振动信号峭图 Fig． 8Kurtosis of vibration under different operating condition 图 8 为基座方向和轴向上振动信号的峭度值随流 量变化的趋势。从图 8 中可看出， 离心泵发生空蚀后 振动信号的峭度值比未发生空蚀大， 因为空蚀产生了 如图 3 所示的蜂窝状蚀坑， 流体流经叶轮表面的这些 蚀坑时， 这些蚀坑加剧了流动的不稳定性， 使得不稳定 流动的流体对叶轮产生较大冲击， 叶轮振动信号的峭 度增加。对比图 8 a 和图 8 b 可发现， 轴向的峭度值 和空蚀后峭度值的变化幅度要高于基座方向， 这与泵 本身的结构和传感器的安装有关， 这使得轴向方向的 测得振动信号表现出对冲击载荷更加具有敏感性。对 比空蚀前后振动信号的峭度值， 可发现流量对空蚀后 的叶轮振动信号的峭度影响较大， 这主要是因为离心 泵运行在驼峰区时离心泵本身的流动的不稳定与空蚀 后蚀坑导致的流动不稳定叠加的效果， 使得空蚀后在 小流量处流体对离心泵产生了较强的冲击， 从而离心 泵振动信号有着较大的峭度值， 而随着流量的增大， 离 心泵靠近额定工况运行， 内部流动趋于平稳， 流体对离 心泵的冲击下降使得振动信号的峭度值相对较低且保 持平稳。分析基座方向的峭度值可知， 当峭度值大于 3 时基本可判定离心泵已经发生空蚀， 离心泵基座方向 的峭度值可作为空蚀的诊断指标之一， 从峭度值的变 化趋势也为判断离心泵的运行工况提高参考。对比图 8 和图 7 可知， 当离心泵运行在 0 ～ 0． 6Qd时离心泵的 峭度随流量的变化特征都较为明显， 可见相对于均方 根分析， 峭度分析具有更好的敏感性。 3空蚀状态下的振动信号时频域分析 短时傅里叶变换 Short- Time Fourier Trans， STFT 是基于短时平稳的假设下， 利用稳态分析方法处 理非平稳信号的有效方法［19 ］。由于快速傅里叶变换 Fast Fourier Trans， FFT 处理非平稳信号的局限 性， 而离心泵的振动信号又是一种时变信号， 所以在此 借助于 STFT 对振动信号进行分析。 STFT 的基本运算公式为 Gx ω， τ∫ ∞ －∞ x t g t － τ e －jωtdt 6 式中gω， τ t g t － τ e － jωt为积分核函数，e－ jωt为限 频函数， g t － τ 为限时函数;Gx ω， τ 则是反映 x t 在 τ 时刻频率为 ω 信号频率成分。可见， STFT 的原理 是通过固定窗函数 g t － τ 对目标函数进行截取， 对于 截取的局部时域信号进行傅里叶变换［20 ］。 为了分析离心泵空蚀状态下的时频特性， 对试验 采集到的额定流量下的正常状态和空蚀状态下的基座 方向和轴向的振动信号进行 STFT， 得到如图 9 所示的 基座方向上的正常和空蚀状态下的时频图和如图 10 所示的轴向上的正常和空蚀状态下的时频图。 图 9空蚀前后基座方向 STFT 时频图 Fig． 9Time- frequency spectrum of vibration signal on the base after cavitation erosion 图 10空蚀前后基座方向 STFT 时频图 Fig． 10Time- frequency spectrum of vibration signal on the direction of axis after cavitation erosion 79第 2 期龚波等叶轮空蚀状态下离心泵振动特性分析 ChaoXing 由图 10 可知， 经过 STFT 后， 振动信号的频域分布 特征， 尤其是空蚀发生后的高频特征显现出来了。其 中， 图 9 a 和图 10 a 分别是未空蚀时基座和轴向的 振动信号时频图。从图9 a 中可以看出基座方向上的 振动信号主要集中于小于 500 Hz 的低频区域， 图 10 a 的振动信号比图 9 a 更加集中， 集中在叶频附近。 这是因为振动信号的监测与监测点位置有关， 基座方 向上振动是多个因素的共同作用所致， 如叶频、 叶轮不 平衡、 转子不平衡等综合作用造成较为分散的低频振 动。轴向振动主要是由叶片对流体做功时流体对叶片 的反作用产生的振动， 其他的振动信号对轴向振动影 响较小， 因此轴向上振动信号集中于叶频附近。从图 9 b 中可知空蚀发生后振动信号出现了高于 1 000 Hz 的振动信号， 且频带分布较为分散。空蚀后出现高频 振动信号的原因在于 空蚀情况下流体的流动不稳定 性增强， 使得叶轮和泵体上产生非对称力场从而诱导 产生高频振动; 空蚀情况下产生了较强的冲击波和微 射流使得产生高频振动， 同时传感器还可能获得大量 的脉冲信号， 所以在时频谱上可观察到同一频带的高频 信号沿时间方向的振动强度时强时弱; 空蚀的产生还可 能诱导其他零件产生高频振动， 这些振动传递到基座上 并反映在时频图上， 便出现多个离散的高频分量。对比 空蚀前后轴向上的振动信号可知， 空蚀使得轴向上产生 高频的振动信号， 且主要集中在3 600 ～4 700 Hz。 由时频域分析可知， 未空蚀时， 振动信号主要集中 于低频， 基座方向上主要在 1 000 Hz 以下， 轴向主要集 中于叶频附近。空蚀发生后， 基座方向和轴向均产生 高频振动信号， 基座方向的振动信号受多个因素的影 响， 因此振动信号分布于多个频段， 而轴向振动信号主 要集中 3 600 ～4 700 Hz， 高频振动信号可为空蚀故障 诊断提供参考。 4结论 通过测量和分析空蚀前后的的离心泵不同方向上 的振动信号， 可得出如下结论 1振动信号的测量与传感器的安装位置有关。 对比基座、 纵向、 横向和基座方向上的振动信号可知， 基座和轴向上的振动较为强烈且受空蚀影响较大。振 动信号的能量与运行工况有关， 当流量低于 0． 25Qd时 由于流体的流动不稳定会导致强烈振动， 流量超过设 计工况时机械振动加强导致基座方向振动能量迅速 增加。 2由于空蚀使得离心泵表面产生大量空蚀坑， 使得流体对离心泵的冲击加强。峭度可用来反应流体 对泵体的冲击作用， 空蚀发生后， 轴向和基座方向上的 峭度都明显大于正常状态。振动信号的峭度可为离心 泵空蚀故障诊断提供参考， 基座方向峭度值大于 3 可 作为空蚀故障的诊断参考标准。 3空蚀的发生使得离心泵产生高频的振动信 号。空蚀前离心泵中几乎没有高于 1 000 Hz 的振动信 号， 而空蚀后则产生了大量的高频振动信号， 大于 1 000 Hz的高频振动信号可为离心泵空蚀诊断提供一 定的参考价值。 参 考 文 献 ［1］ 袁寿其，袁建平，裴吉． 离心泵内部流动与运行节能 ［ M］ ． 北京 科学出版社， 2016． ［2］ 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