基于頻譜分析的離心泵故障診斷

王宇飛 張 勛 丁雪興

(1.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院;2.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系;3．蘭州石化設(shè)備維修公司)

離心泵在石油化工生產(chǎn)中起著重要的作用，石油化工生產(chǎn)具有連續(xù)性，要求生產(chǎn)設(shè)備可靠、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行，這就要求在設(shè)備生命周期內(nèi)不發(fā)生或盡量少發(fā)生故障[1]。因此，對(duì)離心泵進(jìn)行故障診斷有著重要意義。離心泵的常見(jiàn)故障有：轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對(duì)中、轉(zhuǎn)軸彎曲、轉(zhuǎn)子支撐部件聯(lián)接松動(dòng)、轉(zhuǎn)軸橫向裂紋、動(dòng)靜件摩擦以及軸承等主要零部件的故障。由此發(fā)現(xiàn)離心泵的故障多與轉(zhuǎn)子有關(guān)，轉(zhuǎn)子組件是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的核心部分，由轉(zhuǎn)軸和各類盤狀零件組成。離心泵發(fā)生故障的主要特征是機(jī)器伴有異常的振動(dòng)和噪聲，其振動(dòng)信號(hào)從時(shí)域、頻域反映了機(jī)器的故障信息，而主要的振動(dòng)形式為同步振動(dòng)和亞同步振動(dòng)，其中絕大多數(shù)情況為同步振動(dòng)。

振動(dòng)信號(hào)是最重要的信息來(lái)源，是機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的重要載體和運(yùn)行狀態(tài)的本質(zhì)反映[2]。這就要求診斷儀器能在設(shè)備運(yùn)行中或基本不拆卸的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量和分析。旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷的基本方法有時(shí)域分析和頻域分析方法，其中時(shí)域分析主要解決離心泵的運(yùn)行狀態(tài)問(wèn)題；而對(duì)設(shè)備故障類型、部位和原因的判斷需要選擇頻域分析，即頻譜分析是判斷離心泵故障相關(guān)內(nèi)容的重要方法[3]。

1 泵的基本參數(shù)

為了能準(zhǔn)確分析離心泵的故障情況，現(xiàn)選擇IS單級(jí)單吸清水離心泵為監(jiān)測(cè)對(duì)象，該泵吸送清水和物理化學(xué)性質(zhì)類似水(不含固體顆粒)的液體，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、體積小、重量輕、抗汽蝕性能好、電耗低及使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的給排水領(lǐng)域。診斷故障的離心泵基本參數(shù)如下：

型號(hào) IS50-32-200

介質(zhì) 水

入口壓力 10kPa

功率 750W

溫度 常溫

流量 6.3m3/h

揚(yáng)程 12.5m

轉(zhuǎn)速 1 450r/min

2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件包括加速度傳感器、VCM-20及服務(wù)器等，軟件為Condmaster Nova。軟件主要用于數(shù)據(jù)傳輸、分析和備份。首先在現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，同時(shí)在軟件上建立測(cè)點(diǎn)的相關(guān)信息，如測(cè)點(diǎn)編號(hào)及使用技術(shù)(振動(dòng)、HR/LR或dBm/dBc)等，然后建立測(cè)點(diǎn)信息的傳輸路徑，再傳給儀器，儀器將顯示軟件建立的測(cè)點(diǎn)信息如測(cè)量設(shè)備的編號(hào)和測(cè)點(diǎn)位置。根據(jù)儀器提示進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后將采集的數(shù)據(jù)上傳到軟件進(jìn)行分析，分析主要以振動(dòng)頻譜分析為主，其基本參數(shù)如下：

傳感器型號(hào) SLD144B

測(cè)量通道 4個(gè)

頻率范圍 0.5～40.0kHz

測(cè)量窗口 矩形窗、漢寧窗、加權(quán)平均

測(cè)量方法 ISO2372、帶征兆的FFT頻譜、EVAM智能診斷

計(jì)算方法 時(shí)間同步、FFT線性、FFT指數(shù)、FFT峰值保持

頻譜線數(shù) 400、800、1 600、3 200、6 400、12 800

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)清水泵進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其前軸承的水平方向測(cè)點(diǎn)的速度參數(shù)報(bào)警，記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，速度頻譜圖如圖1所示。

表1 清水泵水平方向測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖1 清水泵水平方向測(cè)點(diǎn)頻譜圖

4 故障分析

每一個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件都有各自的運(yùn)動(dòng)頻率，機(jī)器的故障也大多有自己的振動(dòng)頻率，對(duì)于離心泵故障類型的判斷，選擇主頻率分析方法是有效實(shí)用的，因?yàn)殡x心泵的不同故障類型都對(duì)應(yīng)有相應(yīng)的特征頻率。同時(shí)離心泵故障所引起的振動(dòng)多為強(qiáng)迫振動(dòng)，強(qiáng)迫振動(dòng)的振動(dòng)頻率和輸入頻率是相等的，這為故障類型的判斷提供了重要的理論基礎(chǔ)。

通過(guò)讀取清水泵前軸承水平方向的測(cè)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)在頻率為23.75、47.50、71.25 Hz處振幅較高，超過(guò)警告值。而在50.00Hz處振幅也比較高，分析發(fā)現(xiàn)，50.00Hz處為電源頻率的干擾信號(hào)，通過(guò)換算泵的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為23.75Hz，因此頻譜中基頻、二倍頻和三倍頻幅值較大，初步判斷故障是由轉(zhuǎn)子不對(duì)中引起的。

4.1理論分析

離心泵轉(zhuǎn)子不對(duì)中主要有軸承不對(duì)中和軸系不對(duì)中兩種情況，軸承不對(duì)中是軸頸在軸承中偏斜，本身不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，僅影響油膜性能和阻尼；一般轉(zhuǎn)子不對(duì)中都是指軸系不對(duì)中[4]。軸系不對(duì)中是各轉(zhuǎn)子間用聯(lián)軸器連接時(shí)不處在同一直線上，導(dǎo)致軸向、徑向產(chǎn)生交變力，振動(dòng)增加，聯(lián)軸器咬死，軸承碰撞或軸變形等。其故障特征為：

a. 時(shí)域波形在基頻正弦波上附加了二倍頻諧波；

b. 特征頻率主要表現(xiàn)為徑向基頻、二倍頻振動(dòng)成分，有角度不對(duì)中時(shí)，還伴隨以回轉(zhuǎn)頻率的軸向振動(dòng)[5]；

c. 軸心軌跡呈香蕉形或8字形；

d. 敏感參數(shù)有轉(zhuǎn)速和振動(dòng)負(fù)荷。

軸系不對(duì)中主要有平行不對(duì)中和角度不對(duì)中。平行不對(duì)中是不對(duì)中軸的中心線平行但不共線，在各個(gè)軸的聯(lián)結(jié)端產(chǎn)生剪切應(yīng)力和彎曲變形，聯(lián)軸器兩端的軸承會(huì)在徑向(垂直和水平方向)上產(chǎn)生高強(qiáng)度的2x振動(dòng)。角度不對(duì)中是兩個(gè)軸的中心線不平行并在某一點(diǎn)處相交，角度不對(duì)中使每個(gè)軸都產(chǎn)生彎曲力矩，從而在兩端軸承的軸向上產(chǎn)生很強(qiáng)的1x振動(dòng)和較弱的2x振動(dòng)。角度不對(duì)中同樣會(huì)在徑向上產(chǎn)生較強(qiáng)的1x和2x振動(dòng)，但這些分量都是同相的。通常情況下泵在運(yùn)行過(guò)程中角度不對(duì)中和平行不對(duì)中會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，主要特征頻率為基頻和二、三倍頻。

4.2檢查驗(yàn)證

某離心泵的振動(dòng)故障初步判斷為聯(lián)軸器不對(duì)中引起的，為了檢查驗(yàn)證判斷的正確性，選擇使用端面外圓雙表法，對(duì)聯(lián)軸器的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)情況如圖2所示,其中a表示徑向，s表示軸向。檢查發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器的軸向和徑向均有一定的不對(duì)中情況，與判斷故障類型吻合。

圖2 聯(lián)軸器狀態(tài)數(shù)據(jù)

通過(guò)分析振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，其振動(dòng)最大值為2.34mm/s，根據(jù)ISO2372振動(dòng)診斷標(biāo)準(zhǔn)，清水泵屬于小型機(jī)械，其振動(dòng)值超過(guò)1.80mm/s時(shí)設(shè)備即處于較差狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

離心泵轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障的原因主要有初始安裝對(duì)中超差、冷態(tài)對(duì)中時(shí)沒(méi)有正確估計(jì)各轉(zhuǎn)子中心線的熱態(tài)升高量，工作時(shí)出現(xiàn)主動(dòng)轉(zhuǎn)子與從動(dòng)轉(zhuǎn)子對(duì)中不良、管道力作用、基礎(chǔ)變形以及轉(zhuǎn)子彎曲等現(xiàn)象。經(jīng)分析驗(yàn)證此清水泵是由于冷態(tài)對(duì)中時(shí)沒(méi)有正確估計(jì)各個(gè)轉(zhuǎn)子中心線的熱態(tài)升高量造成的，應(yīng)對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行調(diào)整找正后繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，觀察其運(yùn)行狀態(tài)。

[1] 王迪，姜偉，朱紅波，等. 故障診斷技術(shù)在離心泵中的應(yīng)用分析[J].化工機(jī)械，2014，41(2)：262～264.

[2] 陳瓊.狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)在大型機(jī)組中的應(yīng)用[J]. 化工自動(dòng)化及儀表，2014，41(10)：1203～1205.

[3] 楊國(guó)安.機(jī)械設(shè)備故障診斷實(shí)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2007：88～117.

[4] 孔祥臣，劉震，胡玉榮，等.離心泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障處理[J].中國(guó)設(shè)備工程,2012,(10)：56～58.

[5] 張鍵.機(jī)械故障診斷技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：93～117.