1、前言本标准等效采用美国石油学会标准年 月第 版 保留了原文的编写格式和方法 但作了少量的编辑性修改此外主要变动如下本标准在等效采用 的情况下鉴于原文第三章振动分析 中临界速度的第二第三段所提及的临界速度计算方法来源于两本参考书故将其列入附录 提示的附录参考资料中标准未涉及具体的振动测试规程 因此为了便于理解和实际操作需要 本标准增加了潜油电泵振动测量操作方法 作为提示的附录列入附录标准的附录 机械振动严重度分类的表 振动严重度判据 只列出了时的峰峰位移值因此在表 中补充了潜油电泵在 时的峰峰位移值本标准等效采用 标准从而使我国潜油电泵的振动试验方法与国际标准和国外先进标准接轨 以满足国际贸易
2、技术和经济交流的需要本标准的附录 附录 附录 是标准的附录本标准的附录 附录 是提示的附录本标准由中华人民共和国石油和化学工业局提出本标准由全国石油钻采设备和工具标准化委员会归口本标准起草单位天津斯波泰克潜没电泵有限公司本标准起草人詹益许 阎玉玺 王灵沼赵林孙越前言本出版物属美国石油学会 采油设备标准化委员会管理发布美国石油学会 推荐方法是为了便于已被验证的 良好的工程技术和操作方法的广泛利用 这些推荐作法无意排除需要对何时何地采用这些推荐作法进行正确的判断推荐作法的制定和发布无意以任何方式限制任何人采用其它的作法推荐作法可供愿意执行的任何人使用 学会已作了不懈的努力以保证本推荐作法数据的准确
3、性和可靠性 但是 学会对于因使用这些推荐作法而造成的损失或损坏不负责任 对于使用可能与任何联邦的州或市的法规有矛盾的 推荐作法而发生的与这些法规的任何抵触 或由于使用推荐作法而侵犯任何专利权 均不承担任何义务或责任中华人民共和国国家标准潜油电泵振动试验方法国家质量技术监督局 批准 实施总则引言本标准为建立潜油电泵振动分析和控制的一致性提供了指导依据 本标准通常适用于多数场合下使用的潜油电泵和部件的验收试验范围本标准包括潜油电泵和部件的振动限值试验和分析定义本标准采用下列定义振幅振幅为一个周期变化量的最大值位移位移是说明一个物体或粒子位置变化的矢量 通常从其静止的位置处开始测量峰峰位移一个振动量
4、的峰峰位移是位移极值之间的代数差值 对于正弦振动 此值为位移振幅的 倍速度速度是一个矢量为位移相对于时间的变化率转速旋转速度是指机械系统旋转的频率 通常用每分钟的转数表示临界速度临界速度是相当于旋转系统固有频率的速度速度峰值壳体或箱体的振动通常通过以峰值速度的单位来测量即发生在正常正弦位移期间的最大速度加速度是代表线速度或角速度的时间变化率的矢量重力加速度量 是重力产生的加速度其值随观查点的纬度和海拔高度的不同而不同 经国际认可 值被选作标准重力加速度值值量 是当地的重力加速度与标准重力加速度值之比 例如重力加速度 或写作周期完成一个正弦振荡所需要的时间间隔 通常以 为单位来表示频率以时间为单
5、位的周期运动的频率是周期的倒数 频率的单位是转每单位时间 转每秒称为赫兹角频率 圆频率角频率是一个周期量 用单位时间的弧度来表示 它等于频率乘以固有频率固有频率是系统自由振动的频率 在复杂的系统中有大量的固有频率 但通常只有几个频率会有足够高的能量显示出来基础频率振荡系统的基础频率为系统的最小固有频率次谐波次谐波是一个正弦量 其频率为基础频率的几分之一简谐运动简谐运动是位移为时间的正弦函数的运动 有时称为谐波运动激励激励是作用于某一系统并使系统以某些方式响应的外界力 或其他输入振荡振荡是指一个量如位移的量值随时间变化振动是描述机械系统中振荡的一个术语稳态振动当振动的周期和振幅为常数时称为稳态振
6、动同步振动经滤波后相应于机械旋转速度频率的振动强迫振动如果通过持续激励来引起响应 那么这个系统的振动就是强迫振动共振当强迫频率等于或接近系统的固有频率时强迫振动中的系统就会发生共振然而激励频率发生任何小的变化都会引起系统响应的减弱振动测量仪振动测量仪是测量一个振动物体的位移速度或加速度的仪器传感器将感受到的物理量转换成测量所需物理量的一种装置滤波器滤波器是根据信号频率来分离信号的一种模拟或数字装置它允许某些信号频率通过 而抑制或衰减其他信号频率平衡平衡是调整转子质量分布的一个过程 以便减少或控制由于轴颈振动或每转一次作用在轴承上的力所导致的旋转不平衡阻尼能量随时间的损耗隔离通过使用弹性支撑来减
7、小系统对外部激励的响应刚度指弹性件所受到的力 或扭矩的变化与相应直线或旋转 偏移的变化之比基础 支撑基础是支承一个机械系统载荷的结构其可以固定在某一位置 也可承受为被支撑系统提供激励的运动振动分析简谐运动处于简谐运动的系统遵循式 定义的位移模式式中 是简谐运动的频率 是相应的角频率 是时间 是位移的幅值系统的速度 和加速度 通过对位移一次及二次求导得到当式 式 中的三角函数值等于 时承受简谐运动系统的位移 速度加速度的绝对值最大这些值被认为分别是位移 速度加速度的幅值其数学式定义为位移幅值 的单位当用米制时用毫米 当用英制时用密耳 速度幅值 的单位当用公制时用厘米每秒 当用英制时用英寸每秒 加
8、速度幅值 的单位当用公制时用厘米每秒每秒 当用英制单位时用英寸每秒每秒线速度和加速度的不同单位的转换系数见表 角速度和角加速度的不同单位的转换系数见表在分析过程中 通常使用峰值 峰峰值平均值或均方根值 来表示振幅比较方便 这些转换系数见表 以备参考 作为频率函数的峰峰位移与速度幅值关系见图 米制 和图 英制简谐运动的峰峰位移如下在米制单位中式中 峰峰位移速度峰值加速度峰值频率在英制单位中式中 峰峰位移速度峰值加速度峰值频率位移速度和加速度之间的关系曲线见附录振动的概念振动是描绘机械系统振荡的术语 物体的振动由频率振幅确定 施加于系统的激励或振荡力是一般意义的振动 概念上可以认为振动的整个过程在
9、形式上是正弦形的或简谐形的 尽管实际发生的振动通常不具有这种正规的模式 但其可以由几个正弦量组成 每个正弦量有不同的频率和振幅 如果每隔固定的时间间隔重复其振动总体则称此振动为周期性的 强迫振动的机械系统能够稳定地持续振动 是因为外界持续供给了能量 补偿了系统中阻尼带来的能量损耗 在一个自由振动系统中不再给系统施加能量振动只是初始干扰的结果 在没有阻尼的情况下可以认为自由振动将永久持续下去通常施加能量的频率 即强迫频率出现在系统的振动中 系统的振动取决于激励或外力函数与系统特性的关系 这个关系是振动分析方面的一个重要的特征 振动技术包括理论和实践两方面 因此采用的分析方法及测量振动的仪器尤为重
10、要分析和测量的结果用于评价振动环境 完善试验步骤和仪器 改进机械设备的设计和操作 其目的在于消除或减少振动严重程度或设计耐振设备振动的来源下面将讨论几种潜在的振动来源 观测到的引起振动的响应频率与产生响应可能原因之间的关系见表表 潜油电泵的振动分析潜油电泵部位与潜油电泵旋转速度有关的响应频率 问题的可能原因转子和轴 或 倍转速 轴弯曲所有旋转零部件 倍转速 质量或液压不平衡或偏离轴线旋转联轴器 轴 轴承通常 至 倍转速 有时 倍转速 轴联轴器和或轴轴承不对中轴承套 小于 转速油膜涡动轴承轻微负载保护器最为突出耐磨轴承 相对高 大于 倍转速 摩擦过大润滑剂少 安装过紧机械摩擦副 或 转速 静止表
11、面与旋转表面之间接触轴颈轴承旋转 转速 轴颈轴承随轴旋转转子和电动机 倍转速 转子偏心 外径或轴颈质量不平衡由于铸造时型芯错位 锻件的表面粗糙或外形不对称而导致的不对称非均匀的材料 一般检查包括铸件中的砂眼轧制或锻制材料中的杂质 夹杂矿渣及材料密度的变化偏心 由于偏心导致的振源包括轴径不圆或与轴不同心弯曲的轴旋转部件的公差或间隙产生的偏心导致不平衡对接的轴和联轴器不同心热膨胀不一致不同轴不同轴有两种基本类型角度错位即两轴的中心线成一角度偏心错位即两轴中心线是平行的但相互不重合未校准的联轴器或轴承会导致横向振动与轴垂直的振动 有角度偏差的挠性联轴器可能产生轴向振动 这种情况在细长的轴中尤为显著
12、偏差可能导致大的轴向振动不同轴和弯曲轴的特征是振动将发生在轴向和径向两个方向上 通常 无论何时当轴向振动的振幅大于最大径向振动振幅的 时 应推测有不同轴或弯曲轴液体流动经过系统的液流偶尔会引起泵振动 振幅通常依据泵工作时的扬程排量曲线而定 振动原因通常为紊流 在导壳型泵中叶轮叶片和导壳叶片的某些组合比其它组合更容易产生振动 尽管这种现象会产生过大的振幅尤其是在会导致气蚀问题的速率下但试验表明当泵在其推荐操作范围内工作时 紊流的影响还是很小的 泵中非对称的液流通道会导致液力不平衡 表现为每旋转一周产生一次振动 多相流动也会导致振动轴承油膜涡动轻负载轴承内部液压导致振动频率稍小于旋转频率的一半径向
13、轴承转动没被适当固定住的径向轴承随轴旋转 且产生频率为 旋转频率的振动机械磨擦副旋转面和静止面的接触会导致频率为 或 正常转速的振动 可能会激发固有频率振动的控制控制振动的方法可以分为三种 减少振源隔离外部振源 减少响应减少振源平衡旋转质量由于旋转部件不平衡引起的振动 通常能通过调节平衡来减小振动力的幅值 也因此减小了振幅平衡磁力可通过适当的设计和制造定子 转子来减少电设备由于电磁效应所产生的振荡力控制间隙当潜油电泵部件和零件在它们的间隙范围内工作时 相互撞击或形成冲击性接触能引起振动 由此引起的振动可通过减小过大的轴承间隙及确保零件尺寸在允许公差范围之内来减轻旋转轴的直线度轴的直线度对系统振
14、动将会有很大影响 所以旋转轴应尽可能的直隔离外部振源其它机器或设备如果不进行适当隔离就可能将振动传给正在试验或运行的潜油电泵 例如输送高压水的卧式泵会受到由基础传来的邻近泵和发动机的振动干扰 可行的作法是使正在试验或运行的潜油电泵避开频率为固有频率 范围内的外部振源受试验设备的隔离是试验者的责任 运行设备的隔离是用户的责任减少响应改变固有频率如果系统的固有频率恰好与激励频率相同 会导致更恶劣的共振状态 这种情况下如果激励频率是个常数 则一般可以通过改变系统的固有频率来减轻振动这通常包括改变系统的质量和 或刚度在非共振频率下运行有时潜油电泵使用变速驱动装置应避免潜油电泵在相当于临界速度的频率下工
15、作 以减少对系统的损害附加阻尼系统在共振下运行时的振动响应很大程度上与存在阻尼的数量有关 增加阻尼数量在技术上是可行的 但附加阻尼会降低系统效率潜油电泵的振动任何有细长轴的设备本身就潜伏着振动问题 例如电机 保护器气体分离器及泵都是采用小直径强度高的联接轴连接起来的所有潜油电泵设备运行时都处于某种不平衡状态 同时考虑到使用中的磨损量所以对新设备应确定合理的位移幅值振动模式振动模式可以是轴向的侧向的 横向的 扭转的或三种的组合 众所周知 扭转振动是个潜在的问题 特别是当启动及速度发生变化时 在某些情况下机械密封及止推轴承上的轴向及横向振动可能是很重要的临界速度在潜油电泵系统中存在扭转和横向临界速
16、度 如果可能 应避免潜油电泵以接近临界速度持续地长时间运行 当此问题被具体确定时 已设定的旋转频率及其频率特性的改变可能是适宜的 并且应被采用 当潜油电泵在一个宽广的速度范围内运行或在起动期间 这个问题可能尤其严重潜油电泵扭转临界速度通常作为一个整体可以用 方法 进行计算 对于具体系统结构可由制造厂提供潜油电泵横向临界速度可以用特征值或 方法 计算采用说明及 原文引自参考书故将其列入附录 提示的附录 参考资料中的 及年第一版有关泵振动的译文见本标准附录 提示的附录 参考资料推荐作法振动限值众所周知严重的振动会降低潜油电泵系统的运行寿命 附录 包括评价振动烈度的通用工业准则 下面给出潜油电泵的振
17、动限值对于潜油电泵或部件来说推荐最大速度幅值为 这个峰值即是在规定的同步运行频率下或规定的运行频率范围内的峰值 且其它单个频率成分的速度峰值不应大于推荐在外壳上测取峰值 对于泵来说这个振动限值应适用于厂家推荐的工作流量范围 见 的 或本标准附录 的根据下面的 部分测量速度 位移速度 加速度幅值之间的关系见式当确定振动试验允许限值时应考虑测量系统的精度和校准试验过程中应记录临界速度的频率以备将来参考 不推荐在临界速度下运行振动的测量旋转机械状态检测程序的第一步是确定测量轴振动还是轴承振动 当可以接近到轴时可用位移传感器来测量轴的位移幅值 如接近探针 对于潜油电泵系统的部件来说 不易接触到轴因此必
18、须依靠在部件外壳轴承适当位置 轴承部位 测量加速度或速度幅值 传感器有可移动的零件 所以可能有定向灵敏性 传感器应以能提供准确 可重复测量的方式安装传感器在正常使用情况下 加速度计通常显示出极好的电输出对输入加速度的线性关系 在或更大的动态范围并不少见 加速度计对温度和电磁的影响比较不敏感 并且通常有较大的频率响应范围 通常通过对加速度信号进行数字积分以得到速度和位移 低于 时积分得到的位移值可能有较大误差速度探针直接测量速度 这些传感器可用的频率范围约为接近探针 接近探针可以安装在机壳内部 用来测量轴与机壳之间的相对位移 但因为安装很困难所以接近探针通常不用于测量潜油电泵振动测量位置的选择
19、应在沿潜油电泵部件的几个轴承位置处进行振动测量泵与 标准推荐的泵验收试验同时进行振动试验 可能是有利的 至少应在外壳的中点 顶部径向轴承处 底部径向轴承处进行测量 测量时泵速应保持常数气体分离器吸入口至少应在外壳中点顶部径向轴承处及底部径向轴承处进行测量保护器至少应在外壳中点顶部径向轴承处及底部径向轴承处进行测量电动机至少应在外壳中点顶部径向轴承处及底部径向轴承处进行测量驱动电动机在部件试验中必须注意驱动电机将会影响所测的振幅 为减少这种影响应使用平衡良好的检测驱动机附录标准的附录单位转换表 转换速度和加速度的换算系数速度单位或加速度单位乘以表内数值得到下列数据单位表 旋转速度及加速度的换算系
20、数速度单位或加速度单位乘以表内数值得到下列数据单位表 简谐运动的转换系数数据乘以表内数值得到下列数据振幅均方根值 峰峰值振幅均方根值峰峰值图 频率对位移和速度幅值的关系曲线 英制单位图 频率对位移和速度幅值的关系曲线 米制单位附录标准的附录位移速度和加速度之间的关系在 点速度为最大值到 点速度为 反方向到 点速度又达到最大值然后到位置 速度减少到 最后又达到最大速度 从 到 到 到 再到 整个运动所需的时间是一个周期注意位移 曲线 在 点位移幅值 是 位移在 点达最大反方向到 点值为 然后到位置 又达到最大位移最后在 点完成整个一个周期注意除曲线方向相反外 加速度 曲线与位移曲线是同一模式 因
21、为速度方向在 点和 点发生变化每次经过位置 时就达到一次速度峰值 位移有两个峰值 分别在点 和 处由此可得到峰峰位移附录标准的附录机械振动烈度的分级机械振动烈度分级中所使用的幅值变量位移 速度或加速度 取决于标准的类型 频率范围及其它因素 国际标准化组织 有专门的测量方法其将振动烈度定义为频率范围 之间速度幅值宽频段的最大值这个频率范围是在结构上一些规定点处估定的轴承盖或支座标准 适用于有刚性转子的旋转机械及那些有挠性转子且转子内部轴的运动可以通过轴承盖的振动来测量的机械 表 列出了允许振动烈度及相应的在 及时计算得到的峰峰位移采用说明计算的峰峰位移幅值原文没有是根据 地区需要增加的机械分析烈
22、度判据 一个振动评价认可的指南见表 其是依据在机械结构或轴承盖上选取的测试值得到的表 振动烈度判据依照振动烈度的速度峰值范围 振动烈度 峰峰位移幅值 峰峰位移幅值极其平滑很平滑平滑很好好一般轻微粗糙粗糙很粗糙极其粗糙表 振动烈度判据依照培训手册 机械分析振动幅值的速度峰值范围 振动烈度 结论 峰峰位移幅值极其平滑很平滑稳定性很好的系统表 完振动幅值的速度峰值范围 振动烈度 结论 峰峰位移幅值平滑很好正常运行的新设备好 小故障一般 校正后可避免磨损轻微粗糙 引起大的磨损粗糙 过早断裂很粗糙 停止运转附录提示的附录潜油电泵振动测量推荐作法概述本推荐作法总结了采用一种振动测量装置对潜油电泵机组的井下
23、部分进行振动测量的技术过程旨在推动我国潜油电泵振动测量技术的研究和应用测试目的通过对潜油电泵机组运行状态下振动的测试 测取电动机 保护器 分离器吸入口和泵的振动速度均方根值 及其振动频率并对数据进行分析测试对象和项目测试对象电动机 保护器 分离器吸入口 泵及成套机组测试项目在额定电压和额定频率时 电动机的空载振动在额定转速时 与电动机连接后的保护器的空载振动在额定流量转速 扬程 时分离器吸入口和泵的负载振动测试位置电动机保护器分离器吸入口 振动的测量位置应符合 推荐作法中 的要求尽可能在装有轴承部位的外壳处进行测量每处宜各取 方向两个测点 对于整机系统可分开测量也可同时测量测试工具和仪表振动测
24、量仪器应经过计量部门检定认可 在使用前应对整个测量系统进行校准 保证其精度符合要求 对测量传感器应当细心地 合理地进行安装并保证它不会明显地影响潜油电泵的振动特性测量工具和仪表包括测振架安装传感器用传感器下井时须作密封处理振动测量仪带信号频域分析功能分路开关屏蔽式信号线其它测振操作电动机空载的振动测试下井前先将测振架装在电动机的外壳上 上中 下径向轴承测点 并分别用传感器螺钉和紧定螺钉予以固定 见图 使用力矩要适宜 以防止松动脱落 当电动机处于垂直运行位置时 测点的具体部位如下上测点位于外壳上部对应上部轴承套部位 中测点位于外壳中部下测点位于外壳下部对应下部轴承套部位测振架下 测振架 中 测振
25、架上 机组 套管 泵管电缆 吊卡 振动测试仪 分路开关 屏蔽信号线 护板紧固螺钉 传感器连接螺钉 传感器图 测振安装示意图在每个测振架的 方向上 安装两个振动传感器以测取两个方向的振动值 此时 测点的振动信号是通过传感器连接螺钉传递到传感器上 安装传感器的力矩不宜过大 一般为传感器的信号线从传感器引出后在距测点最近的被测件外壳处用绑带固定 信号线在往上引出时应每隔一定距离成束绑扎固定 并与电缆位置错开 防止损坏信号线 同时 传感器引出的信号线与地面分路开关接口要一一对应编码 以便辨认各测点和数值电动机下井时 靠测振架上的护板保护 避免碰伤传感器电动机下井后在额定转速下运转半小时 再分别测取各点
26、的振动值 作好测量数据记录 测试完成后进行综合数据分析 测得各点的振动速度有效值 将其中的最大值定为振动烈度考核依据 对振动数值异常的测点必要时 可将传感器转动 再进行测量保护器空载振动测试将需测试的保护器与电动机对接好起动电动机即可进行保护器空载情况下的振动测试 其测振架和传感器的安装方法与 电动机空载振动测试相同分离器吸入口和泵负载振动测试将需测试的分离器 吸入口 和泵与保护器对接好起动电动机在额定转速和额定流量下测取各点的振动值 其测振架和传感器的安装方法同 电动机空载振动的测试测点振动频率测试当振动值出现异常情况或需要对振动进行分析时应测取该测点的振动频率 并作好记录 以便分析振动产生的原因附录提示的附录参考资料方法见方法见中 的译文为推荐工作范围 介于最大与最小推荐排量之间中 关于泵验收试验内容的译文为振动潜油泵是在可能产生破坏性振动的速度下运转的目前由于缺乏足够的资料 限制了把振动作为一种有用的特性尺度 制造商和用户都应为此努力 以定出合适的振动验收标准
