丁同領(lǐng) 河南省地礦局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院

旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障模擬試驗(yàn)臺(tái)用于泥漿泵的故障診斷

丁同領(lǐng) 河南省地礦局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院

在以振動(dòng)傳遞路徑分析作為機(jī)械設(shè)備故障診斷基本技術(shù)的前提下，旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障模擬試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)需要將變速驅(qū)動(dòng)電機(jī)、調(diào)速器、軸、軸承、偏重轉(zhuǎn)盤（2只）及齒輪箱等連接起來作為鉆井泥漿泵診斷模型的基本試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)平臺(tái)在前期調(diào)配階段可以以虛擬的方式進(jìn)行模擬構(gòu)建，在診斷步驟實(shí)施之前，預(yù)先使用旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障模擬試驗(yàn)臺(tái)來進(jìn)行鉆井泥漿泵頻率和振動(dòng)能量分布情況的判定。利用3NB—1300C型鉆井泥漿泵作為診斷模型進(jìn)行故障診斷時(shí)，必須有效區(qū)分旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障模擬試驗(yàn)臺(tái)和實(shí)際情況之間的差異性，并精準(zhǔn)選擇出檢測點(diǎn)。

鉆井泥漿泵；故障診斷；模擬試驗(yàn)臺(tái)；振動(dòng)傳遞路徑

1 模擬試驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)建

在以振動(dòng)傳遞路徑分析作為機(jī)械設(shè)備故障診斷基本技術(shù)的前提下，旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障模擬試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)需要將變速驅(qū)動(dòng)電機(jī)、調(diào)速器、軸、軸承、偏重轉(zhuǎn)盤（2只）及齒輪箱等連接起來作為鉆井泥漿泵診斷模型的基本試驗(yàn)平臺(tái)。虛擬試驗(yàn)平臺(tái)在信號(hào)采集和故障診斷之前需要將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、傳感器（3個(gè)加速度、激光轉(zhuǎn)數(shù)儀）、接線端子、電纜線、信號(hào)調(diào)理器、采集軟件、采集卡、故障診斷軟件等有機(jī)組合起來。試驗(yàn)平臺(tái)在前期調(diào)配階段可以以虛擬的方式進(jìn)行模擬構(gòu)建，比如以75～1450r/min轉(zhuǎn)速模擬不同速度和不同條件下鉆井泥漿泵有可能出現(xiàn)的故障問題。試驗(yàn)平臺(tái)的信息采集系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)需要對現(xiàn)場振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行及時(shí)采集、信號(hào)保存、信號(hào)實(shí)時(shí)的顯示、頻域信號(hào)分析、序列信號(hào)分析以及軸承精密診斷時(shí)各類參數(shù)的計(jì)算等。對于軸承精密診斷功能、壽命預(yù)測功能、倒譜計(jì)算功能、靜平衡與動(dòng)平衡計(jì)算功能，以及各類參數(shù)計(jì)算的功能需要該模擬試驗(yàn)臺(tái)在構(gòu)建的過程中進(jìn)行功能囊括及設(shè)定。

2 故障診斷實(shí)施步驟

在診斷步驟實(shí)施之前，預(yù)先使用旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障模擬試驗(yàn)臺(tái)來進(jìn)行鉆井泥漿泵頻率和振動(dòng)能量分布情況的判定。按照活塞缸套組件故障試驗(yàn)、軸瓦磨損故障試驗(yàn)、泵閥組件人造故障試驗(yàn)、曲軸主軸承人造故障試驗(yàn)的數(shù)據(jù)調(diào)查和計(jì)算來看，600～900Hz為鉆井泥漿泵整體振級水平的高頻段，400Hz為曲軸工作特征頻段，活塞缸套處測點(diǎn)在此階段的能量較為集中，其振動(dòng)的情況同時(shí)也表示著相應(yīng)組件的震動(dòng)水平。泵頭處振動(dòng)能量一部分集中在中低頻段的80～180Hz，泵閥組件和十字頭上方測點(diǎn)在此處比較集中。主軸承處則集中在0～60Hz低頻段。

設(shè)定鉆井泥漿泵時(shí)以流量波動(dòng)幅度比較小、功率比重比較高，并在石油鉆井中普遍應(yīng)用的3NB—1300C型鉆井泥漿泵作為診斷判定的模型，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障模擬試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)定中，3NB—1300C型鉆井泥漿泵動(dòng)力端作為振動(dòng)傳遞路徑的發(fā)端，經(jīng)過中間3個(gè)缸的信息傳遞，液力端可以作為信息傳遞的被動(dòng)方，經(jīng)過試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析和診斷，對比3NB—1300C型鉆井泥漿泵故障機(jī)理來查找和檢驗(yàn)故障點(diǎn)。按照虛擬模型所覆蓋的層面以及診斷的需要，對鉆井泥漿泵進(jìn)行故障診斷需要從3NB—1300C型鉆井泥漿泵整體傳遞路徑的模型角度入手，確定機(jī)組的主要障礙以及障礙信息傳遞的路徑，并按照3NB—1300C型鉆井泥漿泵工作原理進(jìn)行3缸單作用泥漿泵模擬試驗(yàn)，分析典型故障及測試信號(hào)，最后按照信號(hào)和模型布置測點(diǎn)，分析出故障點(diǎn)所在的位置，得出相應(yīng)的結(jié)論。

按照3NB—1300C型鉆井泥漿泵模型來布置測點(diǎn)，需要相關(guān)人員在不同頻率的情況下對不同組的信號(hào)進(jìn)行及時(shí)檢測和記錄，以此來作為信號(hào)分析和故障判斷的參考依據(jù)。在測試的過程中對于3NB—1300C型鉆井泥漿泵和傳感器之間的鏈接處要進(jìn)行嚴(yán)密的檢查，以避免在運(yùn)行過程中因?yàn)樗蓜?dòng)而出現(xiàn)故障隱患。當(dāng)傳感器被固定好之后，按照測點(diǎn)的布置圖進(jìn)行振動(dòng)測試，信號(hào)采集要在機(jī)組振動(dòng)開始后信號(hào)較為穩(wěn)定的期間實(shí)施。就3NB—1300C型鉆井泥漿泵的整體振動(dòng)信息傳遞而言，3個(gè)缸所表示的3條傳遞路徑上不同的測點(diǎn)可以構(gòu)成不同的時(shí)域圖，對所有時(shí)域圖的信息進(jìn)行綜合性判斷時(shí)，3NB—1300C型鉆井泥漿泵的故障信息傳遞才可以被完整的掌控。

對比3條傳遞路徑，并對3NB—1300C型鉆井泥漿泵振動(dòng)測試信號(hào)進(jìn)行整體性的信號(hào)采集、分析及處理后，可以獲得3條渠道垂直、水平、軸向時(shí)域的對比值。經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，缸1水平值為0.3869，缸2為0.2148，缸3為0.2410，軸向有效值分別為1.0916、0.3188和0.3770。而在垂直有效值方面3個(gè)缸的有效值表現(xiàn)為0.6620、0.2289和 0.1890。由此可見，缸1的三個(gè)方向最大幅度值均高于其他兩缸，因此，其可以作為3NB—1300C型鉆井泥漿泵的主要故障判斷路徑，但是由于其他兩缸的水平、軸向、垂直有效值的表現(xiàn)存在差異性，因此缸1的有效值并不能完全作為3NB—1300C型鉆井泥漿泵唯一的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

從參數(shù)點(diǎn)角度入手，在3NB—1300C型鉆井泥漿泵的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障模擬試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)建時(shí)，選擇單缸振動(dòng)作為路徑傳遞模型，則缸1上可以布置5個(gè)檢測點(diǎn)，分別與曲軸連桿軸瓦組件、應(yīng)近動(dòng)力端的部分、應(yīng)活塞缸套組件、近液力端、泵閥組件一一對應(yīng)，并進(jìn)行相應(yīng)的信息和信號(hào)的采集和處理。單缸振動(dòng)的路徑模型主要從柱塞缸套組件和泵閥組件之間、泵閥組件和曲軸連桿軸瓦組件之間進(jìn)行不斷的信息傳遞，從各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)有效值和震動(dòng)烈度參數(shù)的檢測和有效對比來看，曲軸連桿軸瓦組件、近動(dòng)力端部分、泵閥組件的最大峰值分別為15.0000G、10.0000G、4.0000G，其振動(dòng)的烈度分別為27.75、18.50、24.67，基本大于標(biāo)準(zhǔn)值，而檢測點(diǎn)3和4的值屬于不合格的狀態(tài)，由此可見，機(jī)組機(jī)械故障是絕對存在的。由于故障值及傳播能力主要從故障點(diǎn)向兩邊來逐漸遞減，那么檢測點(diǎn)1就有可能是故障點(diǎn)的所在。作為單缸診斷，缸1的5個(gè)檢測點(diǎn)均被控制在低頻階段，按照鉆井泥漿泵的故障機(jī)理理論來看，在0～60Hz內(nèi)主軸承振動(dòng)的情況比較明顯，由此可推斷3NB—1300C型鉆井泥漿泵存在內(nèi)外環(huán)或者滾珠方面故障，如磨損等。

3 注意事項(xiàng)

利用3NB—1300C型鉆井泥漿泵作為診斷模型進(jìn)行故障診斷時(shí)，必須有效區(qū)分旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障模擬試驗(yàn)臺(tái)和實(shí)際情況之間的差異性，并精準(zhǔn)選擇出檢測點(diǎn)。在振動(dòng)傳遞路徑分析法使用時(shí)，目前較為便捷的使用和評判方式主要是較為單一的檢測和診斷，對于兩條或者多條的故障診斷研究，就需要從更為復(fù)雜的角度深入分析。當(dāng)前所使用的振動(dòng)傳遞路徑分析法和旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障模擬試驗(yàn)臺(tái)的故障診斷方案，主要是對較為典型的故障進(jìn)行診斷和分析，但是尚未有一種方式可以完全覆蓋到鉆井泥漿泵所有故障的診斷和分析，因此，在實(shí)踐的過程中還需要進(jìn)一步地加大研究力度，嘗試將振動(dòng)傳遞路徑分析法和旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障模擬試驗(yàn)臺(tái)的故障診斷方案應(yīng)用到鉆井泥漿泵的故障診斷中來。

（欄目主持 焦曉梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.12.059