基于振动测试和模态分析的泵站安全研究

陈龙云，高 婧

(厦门大学建筑与土木工程学院,福建 厦门 361005)

近年来随着城市化水平不断提高，城市用水量也越来越大，自来水泵站机械常年处于高速运作状态.泵站机械的振动对厂房和设备造成较大干扰，容易造成建筑结构损伤，降低结构的安全性，轻则造成设备寿命缩短，影响工作人员的身心健康，重则造成厂房坍塌，造成经济财产不可挽回的损失.我国对工业厂房振动的相关研究有不少.张飞等[1]对某抽水蓄能电厂厂房楼板振动进行观测，比较动静干涉情况，水泵工况下，无叶区动静干涉强度弱于发电工况.江志昊等[2]对某工业厂房，采用振动测试，结合有限元软件分析楼板的振动机理，并利用调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)进行减震设计.宋志强等[3]对于水电厂房振动预测提出了改进萤火虫算法优化BP神经网络的方法，为水电厂房等结构振动预测提供了新思路.梁碧云等[4]对马鞍板屋盖单层工业厂房进行地震作用分析，得出厂房跨度越大，受地震作用越大.王林科等[5]对某三层的工业厂房大型机械设备引起的振动进行研究，通过振动测试和有限元软件分析，得出设备工作频率接近结构整体或局部主要自振频率以及结构刚度不足，均会导致结构的异常振动.朱丽华等[6]对布置有九台破碎机的工业厂房采用吊车冲击和地脉动现场实测，并结合有限元分析，评估了该厂房的动力特性和振动安全性.但对泵站厂房的机械振动鲜有做系统的研究，因此对泵站进行研究，保证安全运作，意义重大.

本文对某泵厂进行振动测试，采用随机子空间法(SSI)[7]、增强型频域分解法(EFDD)和最小二乘复频域法(PolyMax)[8]对不同振动测试工况下进行模态识别，并结合ANSYS有限元模型对泵站的机械振动进行研究，确定其振动过大产生的原因.

1 工程实例

1.1 工程背景

江东泵站位于九龙江边，是为厦门经济特区供水工程的枢纽，也是目前国内少有的一座大流量、高扬程、全封闭源水泵站.其主厂房上部为电机层，下部为水泵层，水泵层为钢筋混凝土封闭式防洪墙结构，电机层为钢筋混凝土框架结构，主厂房总高度21.5 m，副厂房布置在主厂房后，电机层标高6 m，水泵层标高为-0.3 m.主厂房框架间距为5.5 m，5轴和6轴之间为施工缝，平面示意见图1.

图1 江东泵站平面图Fig.1 Plan for Jiangdong pumping station

电机层排架间分布6台变速电机，相应下部配6台立式水泵.其中1#、4#电机相同，为日本设备，其余均为国产设备.2#、5#电机相同，3#、6#相同，立式离心泵主厂房排架间距5.5 m.5轴与6轴之间为施工缝，1#电机位于3轴与4轴之间，2#电机位于4轴与5轴之间，3#电机位于6轴和7轴之间，4#、5#、6#电机分别位于7轴、8轴、9轴和10轴之间.6台机组的电机成一线布置在面积为38.4 m×11.4 m的楼板上，楼板除大梁外无柱.据现场工作人员反应，泵站厂房振动过大，影响正常工作.

1.2 有限模型建立

钢筋混凝土容重取2.55 t/m3.钢筋混凝土弹性模量E值，按C30混凝土等级对应的弹性模量.主梁截面尺寸为140 cm×50 cm，次梁为70 cm×30 cm.板厚15 cm，楼板面积取为38.4 m×11.4 m.电机房布置6台电机，相应配置6台立式水泵.其中1#、4#电机相同，为进口变频机组；2#、5#电机相同，为国产串调机组；3#、6#电机相同，为国产变极机组.国产电机质量18 t，底座质量11 t，水冷设备质量0.945 t，机组总质量30 t.在有限元模型中，楼板采用壳单元Shell86，梁和钢管柱均用梁单元Beam188，机器则采用三维实体单元Solid185.该模型共有7 637个单元，6 900个节点.建立ANSYS有限元模型(如图2所示).并和现场实测数据进行对比，进一步对有限元模型进行修正，从而保证有限模型的准确性.

图2 楼板-机组系统的有限元模型Fig.2 Finite element model of floor-unit system

1.3 振动试验

1.3.1 试验工况设计

为了获得楼板-电机体系的振动特性、单开电机的强迫振动特性以及多机组联机强迫振动特性，把测试分为3个部分.

第一部分3#～6#机组不运行，1#和2#机组低速运行，目的是减少干扰，准确识别3#～6#机组所在楼板的自振特性.

第二部分为3#～6#机组单机振动(高速、中速或低速)，1#和2#机组低速运行，目的是掌握单台机组运行下楼板以及机组的振动特性，识别楼板和各机组在不同转速下的频率，判断有无共振的可能，找出6#机组振幅最大的位置.

第三部分为3#～6#多台机组的联机振动测试，在该工况下，1#、2#机组的转速仅用于配合工况，主要测试3#、4#、5#中的2部或3部机组以中速或高速运行时的振动情况.

1.3.2 试验测点布置

本次测试共安排了35个工况，除工况1～2及工况7～8外，每个工况均布置了26个测点(工况1～2只布置24个测点).共有2台采集仪负责数据采集，一台为10通道，另一台为16通道.其中16通道采集仪用于测量楼板加速度，其测点固定.10通道采集仪用于测量机组加速度，测点布置位置根据工况安排有所变动.工况7和工况8均布置10个测点，在机组上布置6个测点，机组周边楼板上环绕布置4个测点.

图3 测点布置图Fig.3 Layout of measuring points

2 模态参数识别

为了尽量减少干扰，从而比较准确地识别3#～6#机组所在楼板的自振特性，识别楼板振动模态采用工况1-1，在该工况，3#～6#机组不运动，1#和2#机组低速运行.该工况测得的加速度响应时程曲线如图4所示.(由于测点较多，Z、Y、X方向各选1个测点的加速度时程曲线进行展示).

图4 ①测点加速度响应时程曲线Fig.4 Acceleration response time history curve of ① measuring point

基于测点位置输出的加速度响应时程，利用东华模态软件和Coinv DASP软件的模态和动力学分析模块，分别采用EFDD、SSI和PloyMax进行模态分析，可得出楼板-电机体系的自振频率、阻尼和模态.

由表1 得，EFDD的自振频率识别最容易，而SSI和PloyMax分别有3个频率未识别，用理论值和实测值进行对比得出：离1#、2#机组越远，越难以识别出楼板局部位的竖向振动基频.3种模态识别方法得出的结果与理论值均较为接近，最大偏差只有9.43%，3种模态识别方法都是适用的，PloyMax模态识别方法与理论值最为接近，最小偏差为0.05%，最大偏差也仅为2.49%.EFDD和SSI模态识别方法较PloyMax模态识别方法偏差较大，不过除了个别数据，两者整体上跟理论值偏差较小.但就识别效果而言，EFDD模态识别方法明显优于SSI和PloyMax模态识别方式.因此本文以PloyMax模态识别的数据为基准，未识别的模态用EFDD模态识别的数据作为代替.

表1 3种方法计算竖向振动频率结果对比

3 强迫振动特性分析

3.1 机组强迫振动频率识别

为了准确识别单机组的振动特性，判断有无局部共振的可能，设置工况1和工况3两个工况，工况1为3#、4#、5#、6#单机组中低速转动，工况2为3#、4#、5#、6#单机组高速转动，1#、2#机组低速转动.

当3#机组低速运转时，强迫振动的频率已经很明显，很容易找到楼板的自振频率.3#机组强迫激励频率的理论值为12.467 Hz，从图5中找到峰值点对应的频率为12.451 Hz，两者非常接近，3#机组高速运转时，基频理论值为16.567 Hz，识别值为16.602 Hz，偏差仅为0.21%，表明本次振动测试数据是可靠的.

图5 3#机组频谱图Fig.5 Spectrum of 3# generating set

各机组不同转速下强迫激励频率的理论值和识别值结果如表2所示.

表2 机组强迫激励频率的识别值

3.2 机组扰动力的识别

参考《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》[9](JGJ/T441—2019)和《多层厂房楼盖抗微振设计规范》[10]

(GB 50190-93)中关于设备动力荷载的规定，单个设备动力荷载可采用等效谐波荷载.即：

F(t)=P0×sin(2πf×t).

式中，P0是机组扰动力，f为设备的工作频率.通过对实测的加速度时程进行自谱分析，可确定机组动力荷载的主频.

对于机组扰动力P0的识别，采用有限元时程分析技术，使得开动单台机器工况下的各测点计算峰值加速度与对应的测试值相同.

由表3可看出，5#、6#机组在高速运行时产生的扰动力较大.机组在长时间的运营状态下，总会产生一些故障而引发机械运行产生比较大的扰动力，进而产生不良振动.6#机组在高速运行状态下，机组运行产生的荷载频率约为16.567 Hz，与6#机组所在处楼板局部振动的频率16.23～16.35 Hz很接近，造成6#机组高速运行时振动过大.

表3 机组扰动力识别结果

3.3 多机组联机强迫振动分析

本次振动试验共设计了5种联机测试组合，分别是1#、3#、4#联机测试，1#、3#、5#联机测试，1#、4#、5#联机测试，3#、4#、5#联机测试，3#、4#、6#联机测试，3#、4#、5#联机测试的电机开启情况如表4(由于联机情况比较多选择3#、4#、5#联机振动的开启进行展示).

表4 电机开启情况

由表5可以得，地面竖向加速度峰值大于0.63 m/s2，超过容许加速度值.由表6可以看出，3#、4#、5#联机强迫振动时，其振动的频率成分为机组强迫振动的频率.4#、5#高速运行时，与楼面的自振频率18 Hz较为接近.

表5 不同工况加速度峰值

表6 不同工况下的频率和阻尼比

用同样的分析方法可以分别对1#、3#、4#联机测试，1#、3#、5#联机测试，1#、4#、5#联机测试，3#、4#、6#联机测试，进行分析.1#、3#、4#联机测试，1#、3#、5#联机测试，1#、4#、5#联机测试，结果与3#、4#、5#联机振动测试结果相近，3#、4#、6#联机测试，6#机组在高速运行状态下，机组运行产生的荷载频率约为16.567 Hz，与6#机组所在处楼板局部振动的频率很接近，再加上6#机组高速运行时产生的扰动力偏大，共同造成6#机组高速运行时振动过大.

4 结 论

本文对江东泵站厂房进行振动测试，采用SSI、EFDD和PolyMax 3种模态分析方法，并结合ANSYS有限元模型对江东泵站进行研究，得出以下结论：

1) SSI、EFDD和PolyMax在泵站厂房的模态识别是适用可靠的.PolyMax模态识别是最准确的，EFDD模态识别的阶数最多.

2) 国产的5#、6#机组扰动力较大，其中6#机组的老化尤为严重，高速时扰动力达到近50 kN.5#、6#机组高速运行时的振动频率与机位处局部振动的频率接近，因此产生局部共振，局部共振和扰动力过大这是机组运行过程中楼面振动较大的主要原因.5#、6#机组可以考虑更换新机组来减小扰动力.