Vibrace jsou jedním z nejběžnějších měření prováděných na čerpadlech a ovladačích pro posouzení provozu a stavu zařízení. Několik důvodů pro měření vibrací čerpadla je:
- počáteční přejímací zkoušky a zkoušky uvedení do provozu
- trendy a analýzy používané pro prediktivní údržbu
- k odstranění vibrací a hluku
- ke sledování stavu stroje
- pro prodloužení životnosti zařízení
- aby se zabránilo neočekávaným nebo katastrofickým poruchám
Pokud uživatel zaznamená problém s vysokými vibracemi, pravděpodobně bude mít otázky. Například: Je příliš vysoká? Došlo nebo dojde k poškození? Jak zjistím příčinu? To vše jsou logické otázky, ale odpověď je pravděpodobně komplikovaná a vyžaduje pochopení principů vibrací, konstrukce čerpadla, sil a dynamiky generovaných čerpadlem, měřicí techniky, přístrojového vybavení, analyzátorů a metodologií odstraňování problémů.
Vibrace čerpadla, jednotky, nucené vibrace, volné vibrace a tvary režimu
Vibrace lze popsat jako kmitavý pohyb předmětu kolem jeho klidové polohy v důsledku vztahu mezi reakční silou, hmotností, tlumením a tuhostí. Obrázek 1 znázorňuje tento oscilační pohyb a poukazuje na to, že vibrace nám říkají, jak moc se součást pohybuje nebo přemisťuje. V počátečním bodě (červená) má objekt nulovou amplitudu. Když se posunul o 90 stupňů (úplně doprava), posunul se o 1 mil. Poté osciluje zpět, překročí nulový bod (červený) o 180 stupňů, posune se na -1 mil při 270 stupních (úplně doleva) a poté zpět do nulového bodu, aby dokončil jeden cyklus. Je běžné měřit tento pohyb v posunu od vrcholu k vrcholu (pp), což je v tomto případě 2 mils pp.
Ilustrace na obrázku 1 je zjednodušená a bere v úvahu pouze jediný cyklus volné vibrace. Frekvence závisí na množství času potřebného k dokončení cyklu. Pokud by například tento oscilační cyklus probíhal 10krát za sekundu, frekvence by byla 10 Hertzů (Hz) nebo 600 cyklů za minutu (cpm). Doba potřebná k dokončení jednoho cyklu je převrácená hodnota frekvence nebo jedna desetina sekundy pro příklad 10 Hz. Tento příklad má jednotky mils pp, což je běžný způsob prezentace amplitud posunu. Obrázek 2 ilustruje, co znamená pp, ale také ukazuje, že jednotky mohou být sdělovány jako nula až vrchol (pk) a střední kvadratická hodnota (RMS), jak je ukázáno. Navíc je znázorněna perioda cyklu v čase (T).
Pro jednofrekvenční znaménkovou vlnu, jak je znázorněno na levém obrázku na obrázku 2, bude pp vibrace dvojnásobkem pk a RMS vibrace bude 0.707 násobkem pk. Avšak pro časový průběh, který není jedinou frekvencí, nebude určení hodnot pp, pk a RMS vibrací tak přímočaré, ale jsou znázorněny na obrázku 2 vpravo.
Dalšími jednotkami amplitudy jsou rychlost a zrychlení. Rychlost měří, jak rychle objekt vibruje (palce za sekundu), a zrychlení měří rychlost změny rychlosti (G). Obě souvisejí s výchylkou a rychlost a amplitudu zrychlení lze vypočítat z výchylky na základě frekvence, jak je znázorněno na obrázku 3. Je zřejmé, že pro konstantní rychlost (0.250 palce/sekundu pk) je posunutí výrazné a zrychlení je omezena na nízkých frekvencích. Naopak posunutí je omezené a zrychlení je výrazné při vysokých frekvencích.
Je běžné používat jednotky amplitudy takto:
- pp posunutí při měření vibrací hřídele nebo nízkofrekvenčních vibrací skříně
- RMS rychlost při zvažování celkových vibrací pro trendování nebo přijetí
- G’s pk při zvažování úrovní škodlivých sil, zejména při vysokých frekvencích
Frekvence a perioda vstupují do hry, protože vynucené vibrace čerpadla se obecně vyskytují jako funkce nebo interval rychlosti otáčení hřídele (x). Jako takový je třeba chápat koncept volných vibrací a vynucených vibračních frekvencí. K vynuceným vibracím dochází v důsledku vnějších sil (rovnováha, nesouosost, tření atd.) při určitých frekvencích (obrázek 4). Jiné vynucené vibrace, které jsou hydraulické povahy (kavitace nebo recirkulace), obecně vedou k nárazům a vibracím, které nejsou vázány na celé číslo rychlosti otáčení hřídele. Násobky nebo řády těchto vynucených vibrací se mohou projevit jako harmonické (pro lopatkový průchod: 3x, 6x, 9x atd.).
Volná vibrace je oscilace systému na jeho vlastních frekvencích. V podstatě se jedná o frekvence a tvary režimů, které bude systém vibrovat, když je přirozeně vzrušený. Vezmeme-li v úvahu vertikální čerpadlo a nadzemní konstrukci, bude zde vlastní frekvence s tvarem režimu, který představuje výchylku, znázorněnou na obrázku vpravo na obrázku 5. Toto je první režim vlastní frekvence nad zemí a nazývá se jazýčková kritická frekvence (RCF). Jak je uvedeno u sekcí X-X a Y-Y, hodnota RCF se bude směrově měnit. Všimněte si, že existují další vlastní frekvence as různými tvary režimů, které může být nutné vzít v úvahu.
Vynucené vibrace a dynamika čerpadla mohou být složité, což vede k mnoha různým frekvencím vynucených vibrací spolu s dynamikou konstrukce a rotoru, které přispívají k celkovým vibracím čerpadla. Klíčovým zjištěním je, že když se frekvence buzení vynucených vibrací (i když je síla nízká) shoduje s vlastní frekvencí, existuje podmínka rezonance, která má za následek zesílení vibrací. Proto obecně musí být minimálně 10% mezera mezi vynucenými vibracemi a vlastní frekvencí, pokud není přítomno dostatečné tlumení k omezení zesílení (obrázek 6). Existují určité případy, kdy je výskyt rezonance pravděpodobnější, a může být rozumné specifikovat nebo provést předem dynamickou analýzu, aby se omezila možnost vysokých vibrací v důsledku rezonance. Další pokyny a doporučení naleznete v Americkém národním institutu pro standardy (ANSI)/Hydraulic Institute (HI) 9.6.8 Rotodynamická čerpadla – Směrnice pro dynamiku čerpacích strojů.
S výhledem na část 2 – Měření vibrací a odstraňování problémů
Část 2 tohoto článku bude zveřejněna v pozdějším vydání. Bude zahrnovat měření vibrací čerpadla pro prvotní přijetí, představí metodologii odstraňování problémů s narůstající složitostí a poskytne příklady analýz pomocí trendů, časových průběhů, frekvenčních spekter a dalších.
Nadměrné vibrace jsou dobrým indikátorem toho, že v pumpě nebo v bezprostředním systému pumpy může docházet k nějakému škodlivému jevu, a proto mnoho uživatelů pumpy pravidelně sleduje vibrace pumpy.
Zobrazit galerii obrázků
Autor: Allan R. Budris
Nadměrné vibrace jsou dobrým indikátorem toho, že v pumpě nebo v bezprostředním systému pumpy může docházet k nějakému škodlivému jevu, a proto mnoho uživatelů pumpy pravidelně sleduje vibrace pumpy. Jakmile je však úroveň vibrací vnímána jako nepřijatelná (viz sloupec z června 2008), další otázka zní: «jaká je hlavní příčina této nadměrné vibrace a jak ji lze napravit»?
Nemůžete jen předpokládat, že rotor je nevyvážený (což může být ten případ). Existuje mnoho dalších potenciálních viníků. Problémy s vibracemi strojů jsou výsledkem interakce mezi budicí silou (hydraulickou nebo mechanickou) a souvisejícími strukturálními a/nebo hydraulickými rezonančními frekvencemi. Čím silnější je budicí síla a/nebo čím blíže jsou tyto budicí síly přirozeným frekvencím, tím větší je amplituda vibrací. Přestože problémy s rezonanční odezvou se nejčastěji vyskytují u nových instalací, mohou se také objevit u stávajících instalací v důsledku některých systémových změn, jako je přidání měniče s proměnnými otáčkami, nové náhradní čerpadlo a/nebo jiné potrubí čerpadla.
Příčiny nadměrného vibračního buzení
Existuje mnoho potenciálních zdrojů buzení vibrací. Naštěstí mnoho zdrojů má specifické frekvenční signatury (jako násobky rychlosti běhu čerpadla), které mohou pomoci při jejich identifikaci, jak je uvedeno v tabulce 1 níže. Obrázek 1 ukazuje některé z těchto filtrovaných vibračních špiček jako násobky rychlosti běhu čerpadla a počtu lopatek oběžného kola. Dále je třeba poznamenat, že níže uvedené zdroje «zastavení difuzoru», «recirkulace» a «kavitace» jsou hydraulické povahy, přičemž zbývající jsou mechanické.
Další zdroj buzení (opotřebení ložisek)
Zdrojem buzení mohou být i opotřebovaná valivá ložiska. Mají zřetelné vibrační frekvenční podpisy založené na počtu ložiskových kuliček nebo válečků. Tyto budicí frekvence lze zjistit od výrobce ložisek.
Rezonanční odezva
Příčiny zesílené odezvy vibrací jsou obecně složitější na analýzu. Jsou výsledkem provozu při rychlostech blízkých mechanické nebo hydraulické rezonanční frekvenci hlavního čerpadla, základu nebo součásti potrubí. To je zvláště důležité u velkých vícestupňových horizontálních a/nebo vertikálních čerpadel s proměnnou rychlostí. Mezi rychlostí/frekvencemi průchodu čerpadla/lopatek a hlavními konstrukčními (a/nebo hydraulickými) vlastními frekvencemi by měla být zajištěna určitá rezerva. Typické přijatelné rozpětí je 15–25 %. Amplituda vibrační odezvy může být zesílena 2.5krát nebo více na nebo blízko složky vlastní (kritické) rezonanční frekvence.
Příklad problému s vibracemi pole
Autor byl nedávno požádán, aby prošetřil problém s nadměrnými vibracemi na třech nových náhradních vertikálních čerpadlech na kanalizaci, která měla jiný design než původní čerpadla. Původní čerpadla neměla žádné problémy s vibracemi. Prvním krokem v analýze bylo rozlišit mezi problémem původu „buzení“ nebo „odezvy“ (přirozená frekvence) a poté rozlišit, zda je hlavní příčina mechanická nebo hydraulická.
mechanický
Problémy s nevyvážeností rotoru se normálně projevují při rychlosti jednoho chodu. Analýza těchto předmětných čerpadel však neprokázala nadměrné vibrace při žádné konkrétní provozní rychlosti. Jednalo se o aplikaci s proměnnou rychlostí. Při vykreslování «all pass» vibrací čerpadla (v horní části motoru) pro různé provozní rychlosti, jak je znázorněno na obrázku 2, není vidět, že vibrace vrcholí při žádných zřetelných otáčkách (jak by se dalo očekávat u nevyváženosti nebo rezonance problém), ale místo toho je velký rozptyl. Jediným trendem je, že vibrace obecně rostou s rychlostí. To lze vysvětlit skutečností, že «Sací energie» čerpadla se také zvyšuje s rychlostí čerpadla. Místo toho tyto výsledky silně naznačují, že primární výstupní síla není svou povahou mechanická, což pak otevírá dveře možné hydraulické budicí síle.
Hydraulické
Nejběžnější hydraulické budicí síly čerpadla pocházejí z turbulence nebo kavitace v čerpadle, což se může stát problémem, když je sací energie na vstupu oběžného kola čerpadla dostatečně vysoká (viz sloupec z října 2007). Kavitace je místní vnitřní odpařování čerpané kapaliny na vstupu oběžného kola v důsledku vysokých rychlostí, které snižují místní statický tlak pod tlak par kapaliny. K vibracím a poškození kavitací může dojít, když tyto bubliny páry kolabují (implodují), když dosahují vyšších tlaků v oběžném kole. Skutečnost, že nová čerpadla v příkladu měla mnohem vyšší sací energii (v řadě «Vysoká sací energie») ve srovnání s původními čerpadly (která měla «Nízkou sací energii»), naznačovala, že toto by mohla být hlavní příčina problému.
Energie sání
Na základě autorova konceptu «Sací energie» množství energie v čerpané kapalině, která se rozbliká na páru a poté se zhroutí zpět do kapaliny ve vysokotlakých oblastech oběžného kola, určuje množství hluku, vibrací a/nebo poškození kavitací. . U čerpadel s vysokou sací energií a nízkými rezervami NPSH, zejména pokud jsou provozována v rozsahu sacího recirkulačního průtoku (viz sloupec červen 2010), může docházet k hluku, vibracím a/nebo menšímu poškození kavitační erozí u materiálů oběžného kola, které mají nízkou odolnost proti kavitaci, jako je litina železné nebo epoxidové nátěry. Jednou z nejhorších věcí je provozovat čerpadlo s vysokou nebo velmi vysokou sací energií v oblasti průtoku s recirkulací sání.
Vibrace jako funkce průtoku čerpadla
Graf vibrací «při všech průchodech» proti procentuálnímu průtoku bep na jednom z nových provozních čerpadel je znázorněn na obrázku 3. Je vidět, že úroveň vibrací se zvyšuje (nad povolenou mez 30 in/s Hydraulic Institute) protože čerpadlo je tlačeno do nízkých průtoků (recirkulace sání), což silně podporuje příčinu buzení vibrací hydrauliky / energie sání / recirkulace sání.
Pulsace sacího tlaku
Aby se dále potvrdilo, že uváděné vysoké vibrace čerpadla jsou způsobeny hlavně tímto hydraulickým buzením s vysokou sací energií kavitací / recirkulací sání, byly také změřeny «pulzace tlaku sání» a vyneseny proti procentuálnímu průtoku bep (jak je znázorněno na obrázku 4), aby se zjistěte, zda sledoval trend vibrací vyšších amplitud vyskytujících se při snížených průtokech, což se děje.
Kavitační poškození
Posledním důkazem, který ukázal na kavitaci jako výstupní vibrační sílu, bylo poškození pozorované na oběžném kole čerpadla po pouhých 1007 hodinách provozu. Poškození bylo klasickou kavitací, a to nejen na povlaku vstupní lopatky oběžného kola (odstranění z povrchu lopatky), ale i na litinovém substrátu (eroze).
Závěry terénního problému
Na základě výše uvedených zjištění a terénní analýzy autor dospěl k následujícím závěrům (hlavní příčiny) pro hlášenou vysokou vibrační a kavitační erozi:
- Hydraulické základní příčiny (“Primární”)
- Přechod z nízkonapěťových energetických čerpadel na vysokonasávací (základní příčina).
- Provoz čerpadla v oblasti recirkulace sání (nízký průtok / paralelní čerpání) (zhoršený při nižších rychlostech) a částečně kvůli vyšším třecím ztrátám hlavního výtlaku, než se očekávalo.
- Provoz s nedostatečnými poměry marže NPSH v důsledku udržování nízkých úrovní vlhkých vrtů (viz obrázek 5).
- Příčiny strukturální rezonance (“sekundární”): Bylo zjištěno, že vibrační odezva byla u několika čerpadel poněkud přehnaná chatrnou podpěrou motoru na stěně čerpadla, několika měkkými nožičkami na dvou čerpadlech a některými menšími strukturálními vlastními frekvencemi.
O Autor: Allan R. Budris, PE, je nezávislý konzultační inženýr, který se specializuje na školení, analýzu poruch, řešení problémů, spolehlivost, audity účinnosti a podporu soudních sporů u čerpadel a čerpacích systémů. S kancelářemi ve Washingtonu, NJ, jej lze kontaktovat prostřednictvím e-mailu na adrese [email protected] .
