設備振動在線監測分析在西江引水工程中的應用

李志梅 呂健群 胡兆熊

（1.廣東省自動化研究所 2.廣州自來水公司）

1 引言

水泵、電機是泵站的重要機電設備，是生產過程中維護的重點。在生產過程中，水泵、電機故障大多是緩慢漸進形成的，如何在早期發現問題，及時處理故障，一直是運行維護中的難點。由于機組振動影響其使用壽命和安全穩定運行等可靠性指標[1]。水泵和電機的振動不僅反映和體現設備的運行狀況，還可以顯示設備的性能、制造和安裝水平[2]。

西江引水工程是民生工程，對取水配水機組提出了很高的性能要求。為保證水泵機組設備處于最佳運行狀態，在設備出現故障隱患時及早發現并準確判斷故障原因，避免非計劃停機，為安全運行和科學檢修提供可靠依據[3]，西江引水工程建立了水泵機組在線振動監測與故障分析診斷系統。

西江引水工程分為下陳取水泵站和鴉崗配水兩個泵站，各有十二臺大型臥式水泵機組分別提供完整、獨立的在線振動監測與分析系統。本文以下陳取水泵站為例做說明。本系統采用新西蘭況得實儀器有限公司提供的振動監測模塊（VbOnline）以及振動分析軟件（Asscent）。

2 水行業泵組常見的典型故障及風險分析

常見的旋轉機械故障一般分為軸承故障、聯軸器不對中、轉子不平衡、機械松動等情況[4]。

2.1 軸承故障

滑動軸承是水利泵組旋轉機械中最常用部件之一，在運轉過程中由于制造缺陷、安裝不當、磨損等原因產生故障[3]。一般轉機都是在勻速狀態下運行，目前用故障特征頻率來識別滑動軸承的故障是簡單有效的方法。特別是泵組軸承，可以根據其結構計算出軸承故障特征頻率，以便在日后的運行監測中，掌握軸承特征頻率對應的振動量的變化，達到監測軸承故障發展情況的目的；對于電機軸承，則根據推力瓦塊數量計算推力瓦故障特征頻率，而電機軸承則符合一般滑動軸承特征。

滾動軸承也是泵組設備中最常用部件之一，亦容易產生故障[3]。滾動軸承在運轉過程中會由于各種原因引起損壞，如裝配不當、潤滑不良、水分和異物侵入、腐蝕和過載等。滾動軸承故障常見于軸承內圈、外圈、滾柱/珠以及保持架等部位，主要表現有：疲勞剝落、磨損、塑性變形、銹蝕、斷裂、膠合、保持架損壞等。通過識別不同部位的故障特征頻率可以有效識別滾動軸承的各種故障。

2.2 聯軸器不對中

對于泵組設備，兩個相連接的機器因裝配不當、調整不夠、基礎損壞、熱脹或聯軸節鎖死等引起的軸線不平行或不重合，一個或多個軸承安裝傾斜或偏心，即為不對中。不對中分為三種情況：平行不對中、角度不對中、平行和角度不對中。

2.3 轉子不平衡

不平衡是轉子質量分布不均勻造成的[3]。原因多為制造時幾何尺寸不同心或質量分布不均勻；安裝中斜鍵或軸頸不同心；軸水平安放過久或受熱不均勻，造成臨時或永久變形；離心機類機械工作時，物料填充不均勻；工作介質中的雜質在轉子表面沉積；零部件配合過松；動平衡方法不當（高轉速、低轉速）；原有平衡配重脫落等。不平衡的那部分質量在轉動中會產生離心力，離心力隨著不平衡質量的旋轉而引起振動。振動再傳到軸承上，使軸承上的各點每旋轉一周承受一次作用力。

2.4 機械松動

因螺栓斷裂或松動、基礎找平斜鐵脫落、鋼制框架焊口開裂、找正墊片脫落等引起設備固定地腳螺栓斷裂或松動，甚至支撐結構裂紋造成基礎支撐剛性下降。由此可能導致機組振動急劇加大，改變系統固有頻率并可能引發系統共振，造成機組結構性損傷[3]。

3 應用實施

3.1 單機振動監測

為保證振動數據采集全面和日后故障分析診斷的準確性和充分性，對于各監測點同時采集水平和垂直方向的振動數據，各轉子軸均配置一個軸向振動測量儀以監測軸系對中和軸向振動情況。因此每臺泵組將采集十個測點的振動數據（電機自由端軸承配置兩個測點（水平/垂直）、驅動端軸承配置三個測點（水平/垂直/軸向）、泵自由端軸承配置兩個測點（水平/垂直）、驅動端軸承配置三個測點（水平/垂直/軸向））和一個轉速信號。為實現基于條件的振動數據采集，加裝霍爾效應傳感器以測量轉速。所有振動加速度傳感器均引入 VbOnline模塊，通過模塊網絡接口，將振動數據上傳至中控室，進行在線分析。

3.2 泵站系統監測與分析

在線振動監測與分析系統由振動傳感器、在線振動監測模塊以及振動分析軟件三部分組成。如圖1所示，由十二臺水泵機組的振動監測構成網絡。每臺大型水泵機組都經由一個VbOnline進行監測，VbOnline振動監測儀安裝在泵組的LCU柜內。

在線振動監測儀的數據采集方式和采集定義可以根據需要由用戶在計算機上設置，并可通過RS232接口現場下載或通過以太網絡通訊接口遠程下載。模塊內部具有硬件積分功能，由加速度傳感器獲得振動加速度信號，并可通過硬件積分獲得需要的振動速度和振動位移量值。

圖1 取水泵站泵組振動狀態在線監測與分析系統結構示意圖

十二臺VbOnline通過集成的以太網接口，經工業以太網交換機與布置在中控室的在線振動分析軟件系統的客戶機和服務器連成網絡，采用TCP/IP工業以太網現場總線通訊方式，實現與自動控制系統的通訊，并為自動控制系統的人機界面軟件提供振動的狀態數據。

西江引水工程運行過程中，通過振動在線監測系統，進行機組振動狀態分析。

電機驅動端水平方向和正常的電機驅動端水平方向解調頻譜圖見圖2 、圖3 。107#泵組振動幅值處于允許范圍內，但電機驅動端軸承解調頻譜中外環故障特征頻率清晰可見，疑為電機驅動端軸承早期故障引起。解調頻譜對軸承超早期、早期故障靈敏，解調頻譜上出現軸承故障特征頻率，表明軸承內部有微小損傷，如拆檢，肉眼難以觀測到該損傷。因此，解調譜圖出現相關軸承故障特征頻率時，并不完全代表該軸承必須要更換，還應根據其它譜圖（如速度有效值譜圖），甚至包括傳統的聽診情況，綜合考慮是否需要更換。故針對此種情況，應注意觀察該軸承振動情況，特別應注意振動速度譜圖中是否出現該軸承特征頻率，且注意總體振動速度幅值是否明顯變化，以確定更換軸承的最佳時機。分析結果建議，加強軸承保養工作，并注意振動速度譜圖中是否出現軸承相關故障特征頻率，如果速度譜圖中發現其解調譜圖中的軸承故障頻率，應密切關注其發展趨勢，當振動速度有效值幅值明顯變化時，則應考慮更換機組軸承。

圖2 電機驅動端水平方向解調頻譜圖

4 結論

通過對設備進行狀態監測進而提高西江引水工程的設備整體管理水平，使設備的管理與備件管理、維修管理、生產調度、檢修計劃緊密地結合起來。但是目前分析軟件不能提供故障處理建議經驗庫，出現故障時，需要專業的振動分析師進行分析，這就需要操作人員擁有較高的專業素質，這也是振動在線監測需要進一步考慮的問題。

圖3 正常的電機驅動端水平方向解調頻譜圖

[1]佟晨光,鄭源.大型泵站主機組振動監測[J].水泵技術,2008(2):12-15.

[2]姚天.狀態監測系統在設備管理方面的應用[J].中國水運,2010,10(10):130-132.

[3]黃澄,朱雪明,肖澤.設備在線振動監測與故障分析診斷技術在大型水泵機組中的應用[J].給水排水,2010,36(5):53-57.

[4]楊潔.淺談振動狀態監測技術在工作中的應用[J].裝備維修技術,2008,127(1):13-18.