尹江南， 袁壽其， 駱 寅， 孫 慧， 龔 波

(江蘇大學 國家水泵及系統(tǒng)工程技術研究中心， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

離心泵廣泛應用于國民經濟各個部門以及航空航天等尖端技術領域，是一種重要的能量轉換和流體輸送裝置[1]。離心泵在長期運行時會出現葉輪破損現象，破損葉輪輕則縮短離心泵運行時間、造成非必要的經濟損失，重則離心泵部件損壞或人身傷害事故而造成重大經濟損失。因此，研究離心泵葉輪振動特性有助于其運行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，從而提高其安全性和經濟效益。

離心泵在運轉過程中所產生的振動特性與故障的類型、部位和原因有著密切的關系，利用振動信號對離心泵故障監(jiān)測診斷是一種常用方法[2]。王天金等[3-4]利用振動信號分析軸承產生的故障并提取特征頻率，多個尺度對軸承信號進行分析，提高軸承故障診斷的準確率。張偉等[5]采用振動信號快速及時反映主軸密封工作故障特征提取和快速在線診斷。孫嗣瑩等[6]通過時域分析方法對振動信號進行分析，實現對往復式壓縮機填料密封的故障診斷。目前對于離心泵故障的研究主要集中在軸承、密封上，而葉輪的故障是離心泵常見故障，葉輪常見的故障包括汽蝕，磨蝕等，葉輪的汽蝕容易造成液體阻力的增大從而造成揚程不足、可靠性差、壽命短等問題[7-8]，磨蝕不僅使葉輪腐蝕磨損嚴重[9]而且使其高速運轉時產生振動、效率降低、機組安全帶來威脅。蔣剛等[10]對含沙水體的抽水泵葉輪產生磨損進行分析，采用模糊支持向量機對葉輪磨蝕特性進行預測。唐一科等[11]用狀態(tài)參數法對葉輪機械狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，周云龍等[12]通過出口壓力脈動信號進行處理與分析對離心泵早期氣蝕故障進行診斷，國外研究學者利用電阻應變測量、聲發(fā)射多普勒檢測方法、激光多普勒檢測方法、振動信號測量方法對葉輪機械葉片狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷[13-14]。現在針對故障葉輪的診斷主要集中在是否發(fā)生故障，對于已經發(fā)生故障葉輪的研究較少涉及。

本文主要研究葉輪在同種破壞方式下不同破壞程度對泵振動的影響，根據相關文章表明大多數情況下葉片頭部是最重要的磨損部位[15-16]，由于磨損試驗時間周期長，根據相關文章按照其規(guī)律人為破壞2，4，6個進口葉片葉輪進行試驗，在試驗的基礎之上表征葉輪進口在破壞下振動對離心泵產生什么樣變化，以及通過不同破損程度葉片總結出相應振動信號特征，為實現通過分析泵振動信號推測葉輪破壞程度情況提供參考。

1 試驗裝置和數據采集

試驗臺裝置如圖1所示，實驗裝置是由罐體、進出水管路、電動閥門、真空泵、電機、電磁流量計、壓力傳感器等部分組成。實驗數據(流量、進口壓力、出口壓力、振動加速度信號等)的采集，采用PCB壓電式振動加速度傳感器進行泵體振動信息的采集，該傳感器測量范圍5～60 Hz,靈敏度為1.017 mV(m2/s2),采集頻率10 kHz。利用采集板卡USB6343傳輸到計算機。試驗數據的處理和試驗系統(tǒng)的運行都由計算機控制完成。

(a) 試驗回路

(b) 試驗臺

(c) 葉輪

為研究破損葉片離心泵的振動規(guī)律，加工了Ns=88，IS-50-160-00標準離心泵，其基本設計參數如下：設計流量Q= 50 m3/h，設計揚程H= 34 m，額定轉速N= 2 900 r/min，效率η= 72.8%，葉片數Z= 6。葉輪的基本參數為：葉輪進口直徑Dj= 74 mm、葉輪外徑(出口直徑)D2= 174 mm、葉片出口寬度b2= 12。本文主要研究在人為破壞方式下損壞葉輪不同數量進口葉片對其進行故障分析，由于離心泵葉輪在工作狀態(tài)下大部分損壞是對稱葉片的損壞，所以制作四個葉輪，分別破壞其中三個葉輪對稱的進口邊，保留一個完好，分別在試驗臺中采集振動信號。在試驗過程中，通過調節(jié)出口端的閥門開度，獲得不同流量下的振動信號。分別對2、4、6個葉片破損情況下的離心泵進行試驗，并采集軸向、徑向、縱向和基座方向上的振動加速度信號。信號的顯示和采集基于虛擬儀器技術中進行，傳感器產生的信號由美國NI公司生產的動態(tài)信號采集模板來采集，再通過模板硬件轉換輸入到虛擬儀器驅動程序中，應用Labview中的DAQ Assistant 功能實現振動信號的顯示和采集。利用MATLAB進行編程進行時域和頻域分析，在如圖1(a)所示的試驗臺進行試驗，圖1(b)整體試驗，圖1(c)試驗選用的葉輪。

2 試驗結果與分析

2.1 4種葉輪外特性

根據泵揚程及效率的定義，試驗獲得了各流量下離心泵在正常葉輪、2進口葉片破損葉輪、4進口葉片破損葉輪、6進口葉片破損葉輪揚程和水力效率的數據，繪制成性能曲線如圖2所示。

(a) 揚程示意圖

(b) 效率示意圖

2.2 試驗不確定度的分析與計算

測量值與真值之差稱為不確定度,不確定度分為兩類：隨機不確定度和系統(tǒng)不確定度。

隨機不確定度的估算方法；將試驗泵調到試驗工況點，在試驗系統(tǒng)穩(wěn)定后，連續(xù)對流量、揚程、轉速、轉矩重復采樣，試驗采樣次數10 kHz;

(1) 確定讀數的平均值

(1)

(2) 計算標準偏差

標準偏差值為測量值和算術平均值之差的均方根

(2)

式中：xi為各次測量值。

(3) 相對不確定度

隨機不確定度用相對不確定度ER表示

(3)

式中：tn-1為置信系數，一般采用95%置信概率的置信系數。

(4) 隨機不確定度的合成

在設計工況下，流量的隨機不確定度為

±0.023%

(4)

揚程的隨機不確定度為

±0.006 3%

(5)

扭矩的隨機不確定度為

±0.004 4%

(6)

轉速的不確定度為

±0.003 4%

(7)

效率的隨機不確定度為

(8)

(5) 系統(tǒng)不確定度的合成

系統(tǒng)不確定度主要取決于測量儀表的不確定度。

本試驗所采用的渦輪流量計的系統(tǒng)不確定度

EQ,S=±0.2%

(9)

轉矩為儀器直接讀取量，取決于試驗用的測試儀器

EQ,S=±0.1%

(10)

轉速的不確定度：試驗時轉速的測量采用Labview板卡基準時鐘精度為50 ppm(5×10-5),經過計算由此方法引起誤差為1×10-7

±0.005%

(11)

揚程的不確定度：揚程的計算為進出口壓力傳感器的精度0.25級

Ep,S1=Ep,S2=±0.025%

(12)

兩個壓力表測的揚程的系統(tǒng)不確定度

(13)

效率的不確定度

±0.415 4%

(14)

(6) 綜合不確定度的合成

流量的綜合不確定為

0.2%

(15)

揚程的綜合不確定為

(16)

轉速的不確定度為

(17)

效率的綜合不確定度

(18)

以上不確定度的計算可以看出，該試驗數據的不確定度很小，各項參數的測量精度等級均優(yōu)于GB 3216(B級)標準，進一步說明試驗結果穩(wěn)定可靠。

2.3 試驗數據時域分析

2.3.1 試驗數據時域結果分析

時域處理主要是對振動信號的波形處理，濾波是處理信號的主要方式。利用MATLAB先進行數據線性平均，去除隨機信號的干擾，然后使用四種具有低通、高通、帶通和帶阻濾波功能的IIR數字濾波器。圖3在設計工況點處對軸向、徑向、基座和縱向的振動信號進行時域分析。發(fā)現在正常葉片、2破損進口葉片、4破損進口葉片和6破損進口葉片的振動信號有一定的變化關系。信號采樣頻率為10 kHz，為分析其規(guī)律，選取離心泵運行穩(wěn)定后其中0.02 s時域圖進行分析圖3表示軸向振動信號的時域特征。由于葉片破壞一定程度上可能會使該葉輪動平衡更穩(wěn)定，出現更好的振動周期比正常時葉輪運作時還要高效的偶然情況。由于徑向、基座和縱向的變化趨勢小，主要分析在軸向方向上振動特征。2進口葉片破損導致振動信號振幅出現極值，最大極值是正常葉片的約幾百倍，4進口葉片破損的離心泵運轉產生的振動信號幅值相對比較均勻。6進口葉片破損葉輪軸向方向振動高于正常葉片峰值高于約10倍。傳感器獲取的信號成分中含有大量的脈沖響應，即時域信號中會有極值的存在。而且葉輪旋轉時由于不同葉片的破損會產生非對稱的壓力場，也會造成轉子軸向力的不平衡和壓力脈動使振動增強。

(a) 正常葉片

(b) 2葉片破損

(c) 4葉片破損

(d) 6葉片破損

2.3.2 試驗數據統(tǒng)計分析

取振動加速度信號的均方根TRMS來表征振動信號的平均能量，則均方根的表達式

(19)

XK為振動信號的測量值，K=1,2,3,…，N。

圖4表示不同破壞葉片和正常葉片在全工況范圍的振動能量曲線圖。該圖中縱坐標表示振動加速度的均方根，橫坐標表示每個試驗所做的全流量。

該四幅圖整體趨勢都是隨著流量的增加振動能量呈先減少后增加的變化趨勢。從圖4可知，軸向方向振動強度最為劇烈，基座、徑向、縱向依次減弱，縱向振動強度最弱。軸向變化大受流動水沖擊的影響較大，由于破損葉片不平衡導致軸偏心、傳動軸與滑動軸承和口環(huán)之間摩擦使振動強度增加。進口葉片破損導致進口流動狀態(tài)發(fā)生變化，使其壓力分布不均勻，葉輪的各個進口壓力不一樣產生更強烈的振動。

(a) 徑向RMS

(b) 基座RMS

(c) 軸向RMS

(d) 縱向RMS

2.4 試驗數據頻譜分析

采用功率譜對振動信號的分析可以確定泵的最佳工作參數并發(fā)現泵內存在的故障及部位[17]，功率譜是在整個時間過程中單位時間、單位頻率間隔中的能流的平均值。先利用MATLAB對濾波后的振動信號進行自相關函數估計，然后再通過快速傅里葉變換最后利用功率譜函數求得振動信號的功率譜。離心泵主要存在軸頻、葉頻及其諧頻的振動。振動功率譜圖，如圖5所示。破壞葉片對葉輪振動頻譜分析影響較大，正常葉片，對稱的2，4，6破損進口葉片各個方向的功率譜幅值之間的數量級有差別，故把差別較大的單獨做出來進行分析。

由試驗結果分析可知，軸向和縱向方向功率譜變化規(guī)律性差別，在300～500 Hz頻帶內對稱2葉片破損振動信號的能量最大，依次是對稱4葉片破損、對稱6葉片破損、正常葉片。損壞2個進口葉片是振動能量最大，主要由于葉片的破損導致離心泵轉子不對中和軸系不對中產生特征頻率，使振動能量增加，角度不對中時還伴隨回轉頻率的軸向振動，出現大量的高倍頻?；蛷较蚍较驅ΨQ的2，4，6破損進口葉片比正常葉片振動劇烈，由于動平衡破壞導致這個系統(tǒng)振動加大，而且由于基座的剛性不好則干擾性差。在1 000～5 000 Hz泵的功率譜正常情況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，而對稱的2，4，6破損進口葉片導致轉子失衡致使整個機組出現振動能量的增加。

3 結 論

本文以離心泵為研究對象，采用Labview和MATLAB對試驗數據進行了采集和處理，對試驗中采集的振動加速度信號進行時域和頻譜分析。研究了離心泵在正常葉片、對稱破損2，4，6進口葉片葉輪離心泵在試驗中振動的影響因素和發(fā)生機理等，得出以下結論：

(1) 根據外特性曲線分析出葉輪進口邊破壞對離心泵揚程變化有較大影響，2個葉片破損對揚程影響最大，葉輪進口邊破壞對離心泵的效率影響較小。

(2) 時域分析可直觀表現出軸向振動最為強烈，流體進口壓力不平衡使振動信號產生高幅值特征。頻譜分析中得到頻率在300～500 Hz之間對稱2葉片破損,4葉片破損,6葉片破損和正常葉片功率譜依次增加。

(a) 軸向振動功率譜圖

(b) 基座方向功率譜

(c) 縱向方向功率譜

(d) 徑向方向功率譜

圖5 振動功率譜圖

Fig.5 Vibration power spectrum

(3) 在小流量時，軸頻、葉頻以及倍軸頻、倍葉頻是頻譜的主要頻率，隨著流量的增加，在1 000～5 000 Hz頻段內的破損進口葉片離心泵振動信號能量明顯增加，轉子失衡誘發(fā)了寬頻的振動。