雪增紅，白小榜，羅紹華，李文偉，包文瑞

（重慶水泵廠有限責(zé)任公司 國家企業(yè)技術(shù)中心，重慶 400033）

多級(jí)離心泵作為重要的能量轉(zhuǎn)化裝置和流體輸送設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電力、石化、供水、船艦、水利、航天等尖端技術(shù)領(lǐng)域和現(xiàn)代化大型工業(yè)流程中[1–3]，可以為人類帶來福祉，但也可能由于設(shè)備故障導(dǎo)致其部件損傷、生產(chǎn)中斷，甚至機(jī)毀人亡、爆炸污染等災(zāi)難，因此，其安全可靠運(yùn)行問題至關(guān)重要。

振動(dòng)信號(hào)是檢測(cè)離心泵組異常和故障的最敏感的參數(shù)，通過振動(dòng)動(dòng)態(tài)測(cè)試儀器可及時(shí)發(fā)現(xiàn)其故障隱患，并找到故障來源加以處理，從而降低事故的發(fā)生率，減少維修費(fèi)用和維修時(shí)間，提高設(shè)備生命周期。國內(nèi)外學(xué)者及專家們開展了大量的研究工作，提出了時(shí)頻分析、功率譜估計(jì)、全息譜等多種振動(dòng)分析方法，并研發(fā)出了許多故障診斷系統(tǒng)，如Bently Navada研發(fā)的DDM系統(tǒng)[4]、ADRE檢測(cè)診斷系統(tǒng)[5]、華中科技大學(xué)的“基于Internet的遠(yuǎn)程協(xié)作故障診斷系統(tǒng)”[6]、西安交通大學(xué)的“大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械計(jì)算機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)”[7]等等。同時(shí)，培養(yǎng)出了一大批具有專業(yè)實(shí)力的設(shè)備診斷專家并且取得了豐碩的成果。

多級(jí)離心泵機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響振動(dòng)因素較多，如裝配誤差、材料不均、加工誤差、水力脈沖、安裝邊界條件等，使之要順利完成故障診斷任務(wù)并取得實(shí)效并非易事，因此有必要開展泵組的故障診斷分析工作。本文針對(duì)某石化公司多級(jí)離心泵機(jī)組的振動(dòng)較大，不能運(yùn)行等問題進(jìn)行了振動(dòng)故障診斷分析，并采取相應(yīng)技術(shù)措施，較好地解決了振動(dòng)超標(biāo)問題，提高了泵組系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

其分析方法及解決措施對(duì)類似振動(dòng)故障問題具有一定參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 離心泵機(jī)組基本情況

該泵為節(jié)段式多級(jí)臥式離心泵，額定工作壓力為15 MPa，流量為420 m3/h，轉(zhuǎn)速為2 980 r/min，中心高為800 mm，葉輪的葉片數(shù)為7，導(dǎo)葉的葉片數(shù)為6，兩端均采用滑動(dòng)軸承徑向支撐，非驅(qū)動(dòng)端采用圓錐滾子軸承承受軸向推力并定位。該離心泵在某石化公司已服務(wù)工作5年，由于振動(dòng)幅值上升，超出國家泵振動(dòng)烈度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)GB/T29531-2013第四類泵C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)7.1 mm/s，需進(jìn)行降振處理，因此，返廠維修。解體后發(fā)現(xiàn)部分葉輪及導(dǎo)葉的流道腐蝕、結(jié)垢比較嚴(yán)重，甚至部分流道出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，進(jìn)行除銹除垢后，更換變形嚴(yán)重且影響水力性能的兩葉輪，嚴(yán)格按要求修復(fù)裝配完畢后，與公司試驗(yàn)電機(jī)連接，進(jìn)行常溫清水全速模擬試驗(yàn)和振動(dòng)故障精密檢測(cè)分析。

2 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)采集

使用北京京航公司研發(fā)的HG8908C數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)采集，設(shè)置分析頻率為500 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為2 048，采集數(shù)據(jù)形式為振動(dòng)速度有效值，傳感器分別布置于泵驅(qū)動(dòng)端、非驅(qū)動(dòng)端及電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承箱體處，具體布置情況如圖1所示。

圖1 振動(dòng)數(shù)據(jù)采集測(cè)點(diǎn)布置圖

3 離心泵機(jī)組振動(dòng)故障信號(hào)分析

3.1 振動(dòng)信號(hào)幅域RMS值分析

在實(shí)際工程應(yīng)用中的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，常由周期信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)混雜而成，因此，在進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)檢測(cè)和故障診斷分析時(shí)，合理選擇隨機(jī)信號(hào)參數(shù)是不可或缺的部分。有效值即均方根值（RMS）直接反映振動(dòng)信號(hào)的能量大小、穩(wěn)定性及重復(fù)性，是鑒別設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)是否正常的重要指標(biāo)[8]。該離心泵機(jī)組各測(cè)點(diǎn)在額定工況下振動(dòng)速度RMS值如圖2所示。

圖2 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度RMS值

由圖2發(fā)現(xiàn)該泵組在額定工況運(yùn)行條件下，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度RMS值都比較大，尤其是測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2兩位置處的振動(dòng)幅值嚴(yán)重超標(biāo)，其振動(dòng)速度有效值分別高達(dá)為19.934 mm/s和14.162 mm/s，說明該離心泵機(jī)組振動(dòng)品質(zhì)極差，不適合正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)，具體的故障診斷分析見下述時(shí)域、頻域分析。

3.2 振動(dòng)信號(hào)時(shí)域分析

時(shí)域波形是最簡(jiǎn)捷、最直觀、最易于理解的振動(dòng)信號(hào)表現(xiàn)形式，是最原始的振動(dòng)信息源，包含了豐富的信息。對(duì)于某些故障信號(hào)，時(shí)域波形具有明顯的特征，可直接觀察其周期信號(hào)、諧波信號(hào)、短脈沖等信號(hào)，就能對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)作出初步判斷[9]。諸如旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子嚴(yán)重不平衡時(shí)，時(shí)域波形中有明顯的以旋轉(zhuǎn)頻率為特征的周期成分；若波形中出現(xiàn)“削頂現(xiàn)象”，表示設(shè)備可能存在碰摩故障等。但對(duì)于某些復(fù)雜關(guān)聯(lián)故障型式，波形紊亂，周期性差，難以與故障特征信號(hào)建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，需將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化至頻域信號(hào)，對(duì)設(shè)備的故障進(jìn)行準(zhǔn)確定性分析。

3.2 振動(dòng)信號(hào)頻域分析

頻域分析是基于頻譜分析方法，把復(fù)雜的時(shí)域信號(hào)經(jīng)快速傅里葉變換（FFT）分解為若干單一的諧波分量疊加，同時(shí)體現(xiàn)出各頻率分量的幅值、相位、功率及能量與頻率的關(guān)系，能對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)作出評(píng)價(jià)并準(zhǔn)確而有效地診斷設(shè)備故障和對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位，是機(jī)械設(shè)備振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)與診斷中最常用和最適用的分析方法[10]。

圖3－圖6給出了該離心泵組振動(dòng)故障信號(hào)特征較明顯測(cè)點(diǎn)的細(xì)化時(shí)域波形、頻譜圖。其中1X表示工作頻率，理論值為50 Hz，2X表示工頻的2倍頻率，3X表示工頻的3倍頻率，以此類推。

由圖3、圖4可知測(cè)點(diǎn)1時(shí)域波形在基頻正弦波上附加了7倍頻諧波，測(cè)點(diǎn)2時(shí)域波形近似為正弦波，并且都存在明顯的“削頂現(xiàn)象”，頻率主要集中于7X、1X、3X及明顯的非線性低階、高階特征頻率，其中7X頻率所占比重最大，兩測(cè)點(diǎn)間的1X相位差為118.03°。

圖3 測(cè)點(diǎn)1時(shí)域波形及頻譜圖

圖4 測(cè)點(diǎn)2時(shí)域波形及頻譜圖

由圖5、圖6可知測(cè)點(diǎn)5時(shí)域波形周期性不強(qiáng)、波峰值不明顯，頻率主要集中于7X、3X、2X及明顯非線性特征頻率；測(cè)點(diǎn)6時(shí)域波形近似正弦波，頻率主要集中于1X、1.5X、3X及明顯的非線性特征頻率，兩測(cè)點(diǎn)間1X相位差為151.508°。

4 故障診斷分析結(jié)果及處理

4.1 振動(dòng)故障診斷分析結(jié)果

1）測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2時(shí)域波形中存在明顯“削頂現(xiàn)象”，頻譜圖中包含有高階及非線性特征頻率；測(cè)點(diǎn)5時(shí)域波形周期性不強(qiáng)，波峰值不明顯，且泵驅(qū)動(dòng)端與非驅(qū)動(dòng)端水平和豎直方向測(cè)點(diǎn)間的相位差不穩(wěn)定，說明泵轉(zhuǎn)子葉輪與導(dǎo)葉口環(huán)間可能存在碰摩故障。

圖5 測(cè)點(diǎn)5時(shí)域波形及頻譜圖

圖6 測(cè)點(diǎn)6時(shí)域波形及頻譜圖

2）由于該離心泵葉輪設(shè)計(jì)有7個(gè)葉片，其葉片通過頻率為7X，與測(cè)試結(jié)果相吻合。因此，將主要振動(dòng)故障定位于流體誘導(dǎo)振動(dòng)。

離心泵的流體誘導(dǎo)振動(dòng)主要是由非定常流動(dòng)下產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)引起，如動(dòng)靜干涉、二次流、氣蝕、堵塞、甚至轉(zhuǎn)子葉片與導(dǎo)葉葉片間的徑向間隙在圓周方向不均勻等容易產(chǎn)生流體動(dòng)力激振等[11]。通過排除法，最后將該泵組可能會(huì)引起流體誘導(dǎo)主要振動(dòng)因素定位于動(dòng)靜干涉和葉輪與導(dǎo)葉間的周向間隙不均勻。

4.2 振動(dòng)故障一次處理

整個(gè)泵組解體后發(fā)現(xiàn)其中部分葉輪與導(dǎo)葉口環(huán)間存在明顯的摩擦現(xiàn)象，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)處理后，重新裝配并嚴(yán)格控制葉輪與導(dǎo)葉間的周向間隙以及轉(zhuǎn)子中心，并對(duì)試驗(yàn)基礎(chǔ)進(jìn)行了改進(jìn)，更換為較大的二次底座，進(jìn)行加固處理后，開車試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值明顯有所減?。ㄒ姳?），但仍然沒達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)和出廠要求，通過頻譜分析發(fā)現(xiàn)，葉片通過頻率7X所占比重較大，說明該機(jī)組仍然存在流體誘導(dǎo)振動(dòng)。

表1 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)/(mm?s-1)

圖7 葉輪與導(dǎo)葉配合示意圖

4.2 振動(dòng)故障二次處理

再次解體后，調(diào)節(jié)如圖4所示泵葉輪出口與導(dǎo)葉進(jìn)口間的動(dòng)靜間隙δ。在保證其水力性能優(yōu)良的情況下，將導(dǎo)葉基圓直徑加工增大2 mm，同時(shí)對(duì)前期為保證水力性能指標(biāo)切割了葉輪葉片但未切割葉輪蓋板的葉輪，對(duì)其蓋板直徑加工減小2 mm，即整體增大了葉輪出口與導(dǎo)葉進(jìn)口間的動(dòng)靜間隙，減小水力干涉，進(jìn)一步減小流體動(dòng)力激振。重新裝配試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)泵組各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值再次明顯減小，略小于國家泵行業(yè)振動(dòng)烈度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)7.1 mm/s（見表1）。并再次通過頻譜分析發(fā)現(xiàn)其葉片通過頻率仍然占優(yōu)，可能是由于該離心泵長(zhǎng)期服務(wù)，流道沖刷腐蝕，導(dǎo)致介質(zhì)流動(dòng)不均勻，進(jìn)而激起流體誘導(dǎo)振動(dòng)，也有可能是由于初期水力設(shè)計(jì)不良引起。綜合評(píng)價(jià)，該離心泵經(jīng)過降振處理后振動(dòng)品質(zhì)良好，可繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)工作。

5 結(jié)語

本文基于頻譜分析方法對(duì)某石化公司離心泵機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)故障分析，通過多次測(cè)試、診斷以及故障處理，解決了其振動(dòng)較大問題，其中得到了：

（1）時(shí)域波形中出現(xiàn)明顯的“削頂現(xiàn)象”，不穩(wěn)定非周期信號(hào)，頻域中含有高階倍頻及非線性頻率時(shí)，泵轉(zhuǎn)子葉輪與導(dǎo)葉口環(huán)間發(fā)生碰摩故障的可能性較大；

（2）離心泵轉(zhuǎn)子葉輪與導(dǎo)葉間的周向間隙不均勻時(shí)會(huì)激起葉輪葉片通過頻率，引起流體誘導(dǎo)振動(dòng)。

（3）在保證離心泵水力性能優(yōu)良的情況下，適當(dāng)增大葉輪出口與導(dǎo)葉進(jìn)口間隙，可以有效減小流體誘導(dǎo)振動(dòng)。

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