基于頻譜分析的離心泵故障診斷

王宇飛 張 勛 丁雪興

(1.蘭州理工大學石油化工學院;2.蘭州石化職業技術學院機械系;3．蘭州石化設備維修公司)

離心泵在石油化工生產中起著重要的作用，石油化工生產具有連續性，要求生產設備可靠、穩定、經濟、安全運行，這就要求在設備生命周期內不發生或盡量少發生故障[1]。因此，對離心泵進行故障診斷有著重要意義。離心泵的常見故障有：轉子不平衡、轉子不對中、轉軸彎曲、轉子支撐部件聯接松動、轉軸橫向裂紋、動靜件摩擦以及軸承等主要零部件的故障。由此發現離心泵的故障多與轉子有關，轉子組件是旋轉機械的核心部分，由轉軸和各類盤狀零件組成。離心泵發生故障的主要特征是機器伴有異常的振動和噪聲，其振動信號從時域、頻域反映了機器的故障信息，而主要的振動形式為同步振動和亞同步振動，其中絕大多數情況為同步振動。

振動信號是最重要的信息來源，是機械設備運行狀態的重要載體和運行狀態的本質反映[2]。這就要求診斷儀器能在設備運行中或基本不拆卸的狀態下進行測量和分析。旋轉機械故障診斷的基本方法有時域分析和頻域分析方法，其中時域分析主要解決離心泵的運行狀態問題；而對設備故障類型、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內容的重要方法[3]。

1 泵的基本參數

為了能準確分析離心泵的故障情況，現選擇IS單級單吸清水離心泵為監測對象，該泵吸送清水和物理化學性質類似水(不含固體顆粒)的液體，具有結構簡單、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點，廣泛應用于工農業生產的給排水領域。診斷故障的離心泵基本參數如下：

型號 IS50-32-200

介質 水

入口壓力 10kPa

功率 750W

溫度 常溫

流量 6.3m3/h

揚程 12.5m

轉速 1 450r/min

2 振動監測系統

振動監測系統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及服務器等，軟件為Condmaster Nova。軟件主要用于數據傳輸、分析和備份。首先在現場采集數據，同時在軟件上建立測點的相關信息，如測點編號及使用技術(振動、HR/LR或dBm/dBc)等，然后建立測點信息的傳輸路徑，再傳給儀器，儀器將顯示軟件建立的測點信息如測量設備的編號和測點位置。根據儀器提示進行數據采集，然后將采集的數據上傳到軟件進行分析，分析主要以振動頻譜分析為主，其基本參數如下：

傳感器型號 SLD144B

測量通道 4個

頻率范圍 0.5～40.0kHz

測量窗口 矩形窗、漢寧窗、加權平均

測量方法 ISO2372、帶征兆的FFT頻譜、EVAM智能診斷

計算方法 時間同步、FFT線性、FFT指數、FFT峰值保持

頻譜線數 400、800、1 600、3 200、6 400、12 800

3 監測數據

利用監測系統對清水泵進行數據采集，其前軸承的水平方向測點的速度參數報警，記錄數據見表1，速度頻譜圖如圖1所示。

表1 清水泵水平方向測點監測數據

圖1 清水泵水平方向測點頻譜圖

4 故障分析

每一個機械運動部件都有各自的運動頻率，機器的故障也大多有自己的振動頻率，對于離心泵故障類型的判斷，選擇主頻率分析方法是有效實用的，因為離心泵的不同故障類型都對應有相應的特征頻率。同時離心泵故障所引起的振動多為強迫振動，強迫振動的振動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。

通過讀取清水泵前軸承水平方向的測點，發現在頻率為23.75、47.50、71.25 Hz處振幅較高，超過警告值。而在50.00Hz處振幅也比較高，分析發現，50.00Hz處為電源頻率的干擾信號，通過換算泵的轉動頻率為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子不對中引起的。

4.1理論分析

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

a. 時域波形在基頻正弦波上附加了二倍頻諧波；

b. 特征頻率主要表現為徑向基頻、二倍頻振動成分，有角度不對中時，還伴隨以回轉頻率的軸向振動[5]；

c. 軸心軌跡呈香蕉形或8字形；

d. 敏感參數有轉速和振動負荷。

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

4.2檢查驗證

某離心泵的振動故障初步判斷為聯軸器不對中引起的，為了檢查驗證判斷的正確性，選擇使用端面外圓雙表法，對聯軸器的狀態進行測量，檢測情況如圖2所示,其中a表示徑向，s表示軸向。檢查發現聯軸器的軸向和徑向均有一定的不對中情況，與判斷故障類型吻合。

圖2 聯軸器狀態數據

通過分析振動監測數據發現，其振動最大值為2.34mm/s，根據ISO2372振動診斷標準，清水泵屬于小型機械，其振動值超過1.80mm/s時設備即處于較差狀態。

5 結束語

離心泵轉子不對中故障的原因主要有初始安裝對中超差、冷態對中時沒有正確估計各轉子中心線的熱態升高量，工作時出現主動轉子與從動轉子對中不良、管道力作用、基礎變形以及轉子彎曲等現象。經分析驗證此清水泵是由于冷態對中時沒有正確估計各個轉子中心線的熱態升高量造成的，應對聯軸器進行調整找正后繼續進行監測，觀察其運行狀態。

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

[2] 陳瓊.狀態監測與故障診斷技術在大型機組中的應用[J]. 化工自動化及儀表，2014，41(10)：1203～1205.

[3] 楊國安.機械設備故障診斷實用技術[M].北京：中國石化出版社，2007：88～117.

[4] 孔祥臣，劉震，胡玉榮，等.離心泵狀態監測與故障處理[J].中國設備工程,2012,(10)：56～58.

[5] 張鍵.機械故障診斷技術[M].北京：機械工業出版社，2008：93～117.