某型水泵故障診斷與分析*

田 波

(中國艦船研究設計中心 武漢 430064)

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某型水泵故障診斷與分析*

田 波

(中國艦船研究設計中心 武漢 430064)

水泵是應用較為廣泛的機械設備,對其開展故障診斷研究具有非常重要的現實意義。針對某水泵出現的異常振動噪聲問題,通過對振動噪聲線譜數據分析,尋找故障主要原因,對工程實踐中故障診斷進行指導。實驗中樣本水泵空氣噪聲指標和烈度指標均超過限定值,進行水泵故障診斷研究并整改,最終空氣噪聲和烈度值均降到合理的范圍內,對今后的水泵故障診斷研究具有一定的實際意義。

故障診斷; 水泵; 烈度; 噪聲

Class Number U672

1 引言

水泵是管路系統中常用的設備,在實現介質的輸送,壓力傳輸的同時也是產生振動和噪聲的來源[1～2]。對于一般的設備,振動的頻率主要有設備的軸頻和葉頻。按照相應的規范和標準,穩態條件下對設備的振動和空氣噪聲量級均要求在一定的限值范圍內[3～5]。

2013年,某設備廠實驗室對同型兩臺水泵進行振動噪聲檢測。試驗現場,水泵采用出口憋壓方式運行。水泵運行時空氣噪聲A聲級達到96dB,烈度達到7.6mm/s,高于設計值。設備安裝狀態、設備運行工況均與設備廠確認無誤。

2 測試系統和試驗設備

2.1 測試系統

本次試驗均采用B&K公司提供數據采集系統、加速度傳感器、空氣噪聲傳感器。設備振動信號與噪聲信號通過傳感器接入到數據采集系統中,并經過計算機軟件進行簡單的處理。圖1是測試系統連接示意圖。

圖1 測試系統連接框圖

2.2 試驗設備

水泵額定工況運行時功率為30kW,流量為100m3/h,轉速為2970轉/分。水泵機腳通過上層隔振器側掛安裝在筏架[6]上,筏架通過下層隔振器[7]彈性安裝在試驗基座上;管路采用撓性接管彈性安裝。

2.3 測點布置

振動測點說明:

圖2中下層基座上的測點3、4均測量下層隔振器安裝方向即y方向的振動;測點5、6分別位于機組對角處;測點3、4位于下基座上靠近隔振器部位。機組振動烈度測點7位于電機外殼上,測點8位于泵體上。測點3、4、5、6、7、8均測量x、y、z三個方向的振動,參與烈度的計算。測點1上下、2上下布置在機組的進出水口撓性接管處,測量軸向和徑向振動[8]。

參照GB/T 16291.1—2012的方法[8]，并根據實際情況做簡略處理。評價小組為實驗室中4名男生、5名女生。首先配制5種標準滋味溶液，分別為0.35%谷氨酸鈉溶液、1%蔗糖溶液、0.7%氯化鈉溶液、0.08%檸檬酸溶液、0.5% L-異亮氨酸溶液。評價員首先對5種標準溶液進行品嘗鑒定，然后分別對2種醬油進行滋味鑒定，0～10分制。定量分析結果以雷達圖顯示。

x、y、z三個方向的定義:與水泵機組安裝平面垂直方向用x標記;沿機組軸線方向用y標記;垂直于xy平面的方向用z標記。

圖2 水泵浮筏減振裝置振動測點布置圖

噪聲測點說明:

圖3中測點1～4為噪聲測點,離機組表面距離均為0.5m。其中1～3號測點離地面高為1.6m,4號測點布置在機組上方1m處。

圖3 水泵噪聲測點布置圖

3 試驗數據分析

表1 水泵運行空氣噪聲A聲級、總聲級(20Hz～10kHz) 單位:dB

表2 水泵運行振動烈度(10Hz～1kHz)對比 單位:mm/s

表3 水泵運行振動加速度級(10Hz～10kHz)對比 單位:dB

本次測量的數據與在同型設備相同工況數據的對比中發現空氣噪聲聲壓級差別達到10dB,運行的烈度數值異常,初步判斷設備運行異常。

3.1 空氣噪聲聲壓級分析

通過空氣噪聲聲壓級1/3oct數據以及對比曲線圖4上可以明顯看出在250Hz、315Hz中心頻帶,差值達到17dB、16dB,水泵在315Hz頻帶達到了103dB,對聲壓總級有明顯影響,20Hz頻帶聲壓級高出5dB,如表4所示。

表4 空氣噪聲總聲級1/3oct平均數據對比 單位:dB

圖4 空氣噪聲總聲級1/3oct平均數據對比 單位:dB

分析水泵四個測點的空氣噪聲聲壓級,測點1、2的噪聲數據較大,可以初步判定,空氣噪聲具有明顯的指向性,噪聲源位于泵體左側,可能是出口管路。

3.2 機腳振動分析

分析水泵出口管路振動測點線譜。主要線譜298Hz峰值最大值測點是出口端上軸向,峰值顯著大于管路出口端下軸向、進口端,甚至大于泵體上振動測點8的y方向,判斷噪聲源部位就在出口管路與泵體附近。出口管路振動是引起空氣噪聲較大的原因。

結合對比泵泵體出口管路與泵體的軸向振動線譜數,出口端測點298Hz振動峰值(圖6)大于樣本泵振動峰值(圖5),但是在空氣噪聲測點的315Hz頻帶值反而只有84dB。說明單頻298Hz是引起空氣噪聲在此頻段較高的原因,但并不是引起總聲級超標的最主要原因。

樣本水泵出口端測點120Hz～298Hz頻率存在譜包,而對比水泵并沒有(圖5)。這也符合樣本水泵空氣噪聲聲壓級在200Hz頻帶～315Hz頻帶數值普遍偏高的現象。

考慮到泵采用出口端憋壓來模擬壓差,并且管路在此處存在較大彎曲,推斷可能由于管路中空氣沒有排空。調整出口閥的開度,空氣噪聲線譜在200Hz、315Hz中心頻帶1/3oct值有所降低,但并沒有降低到合理的范圍內。

圖5 樣本泵兩個工況管路速度線譜

圖6 對比泵兩個工況管路速度線譜

3.3 振動烈度分析

振動烈度測點5、6、7、8的Z方向數值均大于其他方向數值。布置在泵體上的8號點,振動速度達到了9.03mm/s,對比泵只有3.49mm/s。對比振動速度線譜,主要頻率對應峰值為22Hz:4.59mm/s、50Hz:1.20mm/s、298Hz:1.22mm/s;0.5MPa時主要頻率對應峰值為:23Hz:1.69mm/s、49Hz:0.92mm/s、297Hz:0.74mm/s。

分析認為49Hz、50Hz是水泵的軸頻(電機轉速2970轉/分);297Hz、298Hz為水泵的葉頻。通過對比圖7可以看出,兩工況運行主要頻率一致,軸頻(50Hz)、二倍軸頻(100Hz)、葉頻(298Hz)處均有峰值。影響烈度的主要頻率為22Hz,而且此中心頻率空氣噪聲亦較大。

圖7 兩泵測點8z振動速度線譜

分析水泵基座測點3、4數據,主要峰值線譜出現在16Hz、22Hz、50Hz、297Hz,其中16Hz為背景數據,峰值大小與背景工況峰值相當;22Hz背景峰值遠小于泵體峰值見圖8?？梢耘卸?2Hz并不是由于背景或者基座傳遞產生。分析烈度測點Z方向與管路進出口撓性接管上下端22Hz線譜,測點8z振動幅值最大,進出口撓性接管下端最小(圖9),22Hz由管路遠端產生的可能性較小。分析同一型號的其他水泵,發現同一轉速,無明顯22Hz峰值?？梢哉J為22Hz不是泵體的安裝頻率[7]。

圖8 泵基座速度線譜圖

圖9 22Hz水泵各測點振動速度對比

22Hz頻率是由泵體自身旋轉產生。22Hz略低于半軸頻25Hz,電機與泵體連接部位設計有一軸承,并且在運行時溫度升高較快,故障可能與軸承有關。

經了解,軸承為滾珠軸承,排除軸承渦動故障[9]。滾珠軸承的故障頻率一般分為外圈頻率,內圈頻率,保持體頻率,滾珠頻率等。由于現場缺乏軸承的具體尺寸和安裝咬合角度,故只能根據經驗公式得到上述部件的頻率[10]。外圈的振動頻率一般為轉頻的0.4倍左右,大概為20Hz,與22Hz比較接近。判斷可能是軸承安裝或者外圈體有缺陷[11]。

經過現場重新調整軸承安裝狀態,運行時22Hz振動明顯減小,空氣噪聲線譜在200Hz、315Hz中心頻帶1/3oct值降低到合理的范圍內。

4 結語

故障設備在運行時,會出現一種或者幾種現象,通過簡單的數據比對和線譜分析能夠找到故障的來源。結合設備振動噪聲測試的經驗,設備運行需要關注:設備安裝狀態,機腳,基座的平整度,隔振器的安裝是否達到要求;管路走向,閥門開度,憋壓方式是否正常;設備的運行狀態,轉速,壓力,運行時間等。

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A Water Pump Fault Diagnosis and Analysis

TIAN Bo

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064)

Water pump is a widely used machine and the fault diagnosis research of water pump has great realistic significance. Aiming at the abnormal noise and vibration problems of water pumps, the vibration and noise spectral line data is analyzed, finding the main fault reason, and guiding for the engineering practice fault diagnosis. Experimental sample pump air noise indicators and intensity indicators are more than the limit value, conducting pump fault diagnosis and rectification, and finally air noise intensity values were reduced to a reasonable extent, which has a certain practical significance for the water pump fault diagnosis research.

fault diagnosis, water pump, vibration intensity, noise

2015年2月4日,

2015年3月17日

田波,男,碩士研究生,工程師,研究方向:振動噪聲控制。

U672

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.043