Zusammenfassung: Dieser Artikel analysiert die Vibrationsfehler großer Tiefbrunnenpumpen und identifiziert verschiedene mögliche Ursachen für die Vibrationen. Zudem wird eine einfache Methode zur Vor-Ort-Diagnose von Motoren und Pumpen vorgeschlagen. Die Panzhihua Iron and Steel Group (Pangang) hat am Oberlauf des Jinsha-Flusses ein großes Tiefbrunnenpumpwerk errichtet. Das Werk besteht aus zwei Tiefbrunnen mit einem Innendurchmesser von 18 m und einer Tiefe von 31 m sowie einem darüberliegenden Anlagengebäude. Das Wasser des Jinsha-Flusses gelangt über vier Dg1200-Rohrleitungen in die Tiefbrunnen. Zwanzig sandgesteuerte Tiefbrunnenpumpen des Typs 30JD-19x3 sind auf Stahlbetonrahmen mit einem Querschnitt von 1450 mm × 410 mm im oberen Bereich der Tiefbrunnen installiert. Im Verlauf der Installation, Wartung und Instandsetzung wurden einige Ursachen für die Vibrationen der Pumpen untersucht. I. Technische Leistungsparameter der Tiefbrunnenpumpe Modell: 30JD-19x3, Dreistufiges Laufrad, Fördermenge: 1450 m³/h; Antriebswellenlänge: 24,94 m, insgesamt 9 Wellen; Pumpenwellendurchmesser: 0,80 mm; Pumpenwellenmaterial: 40Cr; Drehzahl: 985 U/min; Temperatur des Axiallageröls: <50 °C; Kühlwasserdruck: 0,8 MPa; Innendurchmesser der Wasserzuleitung: 500 mm; Förderhöhe: 80 m; Schmiermedium der Gummilager: Reinwasser; Gewicht der Einheit (ohne Motor): 14 t; Vertikalmotormodell: JKL15-6; Nennleistung: 500 kW; Nennspannung: 6000 V; Nennstrom: 60 A; Rotorträgheitsmoment des Motors: 58 kg·m²; Motorgewicht: 4 t; Zulässige vertikale und horizontale Schwingungswerte von Motor und Pumpengehäuse: <0,10 mm. Diese Tiefbrunnenpumpe erfordert einen Sandgehalt des Wassers von maximal 0,1 % und eine Korngröße von maximal 0,2 mm. Das Laufrad der ersten Stufe muss 1 m unterhalb des dynamischen Wasserspiegels liegen. Derzeit erreicht der Sandgehalt des aus dem Jinsha-Fluss geförderten Wassers während der Hochwassersaison im Juli und August fast 20 %. II. Beurteilung von Schwingungsfehlern: Treten während des Betriebs von Pumpe und Motor Schwingungen auf, sollte – sofern möglich – zunächst die Kupplung zwischen beiden getrennt werden, um die Schwingungsquelle (Pumpe oder Motor) zu ermitteln. Es ist sorgfältig zu prüfen, ob die Verbindungsschrauben zwischen dem vertikalen Motorfuß und der Pumpe fest angezogen sind und ob die Ebenheit nach der Installation die Toleranzgrenzen überschreitet. 1. Ursache und Beurteilung von Motorschwingungen: (1) Liegt die Rotordrehzahl nahe der kritischen Drehzahl? Resonanz kann durch Berechnung der Torsionssteifigkeit der Motorwelle und durch Prüfung der Nähe der Torsionsschwingungsfrequenz des Motors zur kritischen Drehzahl, der Kreisfrequenz der Pumpe und der Netzfrequenz erzeugt werden. Insbesondere bei der ersten Inbetriebnahme des Motors und dem Auftreten eines Vibrationsfehlers sollten Analysen und Berechnungen durchgeführt werden. Die Betriebsdrehzahl des Motorrotors sollte mindestens 25 % unter oder etwa 40 % über der kritischen Drehzahl liegen. Bei der Analyse ist zu berücksichtigen, dass die Masse des Motorrotors nicht als konzentrierte Masse betrachtet werden kann, sondern entlang der Welle verteilt ist. Daher sollten bei der Analyse der kritischen Drehzahl auch die kritischen Drehzahlen zweiter und dritter Ordnung analysiert werden. (2) Unwucht des Motorrotors. Unwucht des Motorrotors ist die häufigste und wichtigste Ursache für Vibrationen. Beispielsweise beträgt die mit einem Schwingungsmessgerät (Wegaufnehmer) gemessene Schwingungsgeschwindigkeit der Motoren Nr. 17 und Nr. 19 9,8–10 mm/s. Gemäß der Norm ISO 2372 sollte die Schwingungsgeschwindigkeit für Maschinen der Klasse III unter 4,5 mm/s liegen. Bei einer Geschwindigkeit von 9,8–10 mm/s beträgt die mit dem Vibrationsmessgerät gemessene Schwingungsamplitude 0,30 mm. Um den Grad der Unwucht des Motorrotors zu ermitteln, wurden vor Ort zwei Stahlrahmen gefertigt und jeweils zwei parallele Stahlschienen darauf montiert (die Stahlrahmen mussten ausreichend steif sein). Die Oberseite der Stahlschienen wurde glatt und sauber bearbeitet. Die Schienenoberfläche wurde mithilfe einer Wasserwaage ausgerichtet und fixiert. Zur Überprüfung wurde der Motorrotor auf die beiden Stahlschienen gelegt und mehrmals von Hand hin und her bewegt. Nach jedem Stillstand wurde eine Markierung auf der Unterseite des Rotors angebracht. Anschließend wurde ein Klebepunkt an der symmetrischen Stelle der Unwucht angebracht und der Rotor so lange gedreht, bis er in jeder Position zum Stillstand kam. Dies bestätigte, dass der Motorrotor statisch ausgewuchtet war. Der Klebepunkt wurde durch eine entsprechende Masse ersetzt, um die Auswuchtung des Motorrotors abzuschließen. Sollte die oben beschriebene Methode das Problem nicht beheben, muss der Motorrotor dynamisch ausgewuchtet werden. Nach Anbringen eines 45-5 g schweren Ausgleichsgewichts an einer Seite des Rotors der beiden oben genannten Motoren reduzierte sich die Amplitude auf 0,05 mm, und die mit dem Wegaufnehmer gemessene Schwingungsgeschwindigkeit betrug etwa 2,1 mm/s. (3) Bei Motoren, die bereits seit einiger Zeit normal betrieben werden, sollte die Ursache der Schwingungen überprüft werden. Dabei ist zu prüfen, ob das Lagerspiel zu groß ist, ob die Befestigungsschrauben des Wellensitzes locker sind, ob die Welle verschlissen oder verbogen ist oder ob ein Teil der Wicklung einen Kurzschluss aufweist, ob der Luftspalt ungleichmäßig ist und ob der Ringspalt zwischen Rotor und Stator im Allgemeinen nicht mehr als 10 % beträgt. Besonders hervorzuheben ist, dass die Motoramplitude, selbst wenn sie nahe am Sollwert liegt und somit als zulässig gilt, unter Last häufig den Sollwert überschreitet. Dies liegt daran, dass die Schwingungsfaktoren des gesamten Tiefbrunnenpumpen-Antriebssystems sich gegenseitig beeinflussen und zusammenwirken. 2. Ursachen und Beurteilung von Pumpenschwingungen (1) Schwingungen, die durch Abweichungen bei der Pumpeninstallation und -montage verursacht werden. Nach der Installation können Pumpenkörper und Drucklager sowie die Vertikalität der Wasserleitung Vibrationen des Pumpenkörpers verursachen, wenn die Nivellierung zu hoch und die Vertikalität der Wasserleitung zu niedrig ist. Diese drei Kontrollwerte stehen in einem Zusammenhang. Nach der Installation des Pumpenkörpers beträgt die Gesamtlänge der Wasserleitung und des Pumpenkopfes (ohne Filtersieb) 26 m und ist vollständig freitragend. Eine zu große Abweichung der Vertikalität der Wasserleitung führt zu starken Vibrationen zwischen Wasserleitung und Welle während des Pumpenbetriebs. Eine übermäßige Abweichung erzeugt zudem Wechselspannungen im Pumpenbetrieb, die zum Bruch der Wasserleitung führen können. Nach der Montage der Tiefbrunnenpumpe sollte der Vertikalitätsfehler der Wasserleitung innerhalb der Gesamtlänge auf ±2 mm begrenzt sein. Der Längs- und Querfehler der Pumpe beträgt < 0,05/1000 mm. Die statische Auswuchttoleranz des Pumpenkopflaufrads beträgt maximal 10 g, und nach der Montage sollte ein vertikales Spiel von 8–12 mm vorhanden sein. Einbau- und Montagefehler sind eine wichtige Ursache für Pumpenkörperschwingungen. (2) Wellenschwingungen. Wellenschwingungen, auch als „Drehschwingungen“ bekannt, sind selbsterregte Schwingungen, die in einer rotierenden Welle auftreten. Sie weisen weder die Merkmale einer freien noch einer erzwungenen Schwingung auf. Charakteristisch ist die Drehbewegung der Welle zwischen den Lagern. Diese Schwingungen treten nicht bei Erreichen der kritischen Drehzahl der Welle auf, sondern über einen weiten Drehzahlbereich und sind weniger von der Drehzahl der Welle selbst abhängig. Wellenschwingungen in Tiefbrunnenpumpen werden hauptsächlich durch unzureichende Lagerschmierung verursacht. Ist das Lagerspiel groß, ist die Drehrichtung der Welle entgegengesetzt zur Drehrichtung der Welle; dies wird auch als Wellenschwingung bezeichnet. Insbesondere bei Tiefbrunnenpumpen mit langen Antriebswellen, bei denen das Lagerspiel zwischen Gummilager und Welle 0,20–0,30 mm beträgt, treten Schwingungen häufiger auf, wenn ein bestimmtes Lagerspiel, eine Fehlausrichtung zwischen Welle und Lager, ein großer Achsabstand und eine unzureichende Schmierung im Lagerspiel vorliegen. Beispiele hierfür sind defekte oder verstopfte Schmierzuleitungen für die Gummilager der Tiefbrunnenpumpe oder eine unzureichende oder verspätete Wasserversorgung aufgrund von Fehlbedienung. In einem bestimmten Moment berührt der rotierende Zapfen das Gummilager an einem Punkt. Der Zapfen ist einer Tangentialkraft des Lagers ausgesetzt. Unter der Annahme, dass die Richtung dieser Kraft der Drehrichtung der Welle entgegengesetzt ist, wird sie zur Wellenmitte hin verlagert. Ihre mechanische Wirkung entspricht einem Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn und einer Kraft, die auf die Zapfenmitte wirkt. Diese Kraft verläuft parallel zur Tangente des Kontaktpunkts an die Lagerwand und bewirkt eine Abwärtsbewegung des Zapfens. Daher rollt der Zapfen entlang der Lagerwand, vergleichbar mit einem Zahnradpaar, und führt so eine Drehbewegung entgegen der Drehrichtung der Welle aus. Dies wurde durch unseren täglichen Betrieb bestätigt. Hält dieser Zustand über einen längeren Zeitraum an, führt dies zum Durchbrennen des Gummilagers. (3) Vibrationen durch Überlastung. Das Axiallager des Pumpenkörpers besteht aus einer zinnbasierten Babbitt-Legierung und ist für eine zulässige Belastung von 18 MPa (180 kgf/cm²) ausgelegt. Beim Anlauf der Pumpe befindet sich das Axiallager im Grenzschmierungszustand. Am Pumpenausgang sind eine elektrische Absperrklappe und ein manuelles Absperrventil installiert. Beim Anlauf der Pumpe öffnet sich die elektrische Absperrklappe. Durch Ablagerungen kann die Klappe jedoch nicht öffnen oder das manuelle Absperrventil aufgrund menschlicher Bedienung geschlossen werden, wodurch die Entlüftung nicht rechtzeitig erfolgt. Dies führt unweigerlich zu starken Vibrationen des Pumpenkörpers und einem schnellen Verschleiß des Axiallagers, wie es bei den Pumpen Nr. 15 und Nr. 17 der Fall war. (4) Turbulente Vibrationen am Pumpenausgang. Am Pumpenausgang sind nacheinander ein kurzes Rohr (Dg500), ein Rückschlagventil, eine elektrische Absperrklappe, ein manuelles Ventil, das Hauptrohr und ein Wasserschlagdämpfer installiert. Die turbulente Wasserbewegung verursacht unregelmäßige Pulsationen. Darüber hinaus führt die Verstopfung jedes Ventils zu einem hohen lokalen Widerstand, der Impuls- und Druckänderungen verursacht. Diese wirken auf die Rohrwand und das Pumpengehäuse und führen zu Vibrationen. Dies lässt sich durch die Pulsation des Manometerwerts erklären. Das Druck- und Geschwindigkeitsfeld der pulsierenden Turbulenzänderung überträgt kontinuierlich Energie auf das Pumpengehäuse. Liegt die Hauptfrequenz der Turbulenz nahe der Eigenfrequenz des Tiefbrunnenpumpensystems, absorbiert das System Energie und verursacht Vibrationen. Um diese Vibrationen zu reduzieren, sollten die Ventile vollständig geöffnet, die kurzen Rohre ausreichend lang und entsprechend abgestützt sein. Nach diesen Maßnahmen wird der Vibrationswert deutlich reduziert. (5) Torsionsschwingungen der Tiefbrunnenpumpe. Die Verbindung zwischen der Langwellen-Tiefbrunnenpumpe und dem Motor erfolgt über eine flexible Kupplung. Die Gesamtlänge der Antriebswelle beträgt 24,94 m. Im Pumpenbetrieb überlagern sich Hauptschwingungen mit unterschiedlichen Winkelfrequenzen. Das Ergebnis der Synthese zweier harmonischer Schwingungen mit unterschiedlichen Kreisfrequenzen ist nicht zwangsläufig eine harmonische Schwingung. Vielmehr entsteht im Pumpengehäuse eine unvermeidbare Torsionsschwingung mit zwei Freiheitsgraden. Diese Schwingung beeinträchtigt und beschädigt hauptsächlich das Axiallager. Um die Viskosität des Schmieröls zu erhöhen und die Bildung und den Erhalt des dynamischen Schmierfilms im Axiallager zu gewährleisten, wurde – unter Berücksichtigung der Öleinlasskeile für jedes Flachaxiallager – der im Originalhandbuch angegebene Maschinenöltyp 68# durch Maschinenöltyp 100# ersetzt. (6) Schwingungen durch gegenseitige Beeinflussung von Pumpen auf demselben Träger. Die Tiefbrunnenpumpe und der Motor sind auf zwei Stahlbetonrahmenträgern mit einem Querschnitt von 1450 mm x 410 mm montiert. Die konzentrierte Masse jeder Pumpe und jedes Motors beträgt 18 t. Die Schwingungen der beiden benachbarten, auf demselben Rahmenträger betriebenen Pumpen bilden ein Schwingungssystem mit zwei Freiheitsgraden. Wenn die Vibration eines Motors im Leerlauf, d. h. wenn die flexible Kupplung nicht angeschlossen ist und der Motor im Leerlauf läuft, stark überhöht ist, steigt die Amplitude des Motors der anderen, normal laufenden Pumpe auf etwa 0,15 mm an. Dieser Zustand ist schwer zu erkennen und sollte dokumentiert werden.