基于振動分析的注水泵共振故障診斷

李文生

（長慶油田分公司第三采油廠，陜西延安 717600）

0 引言

長慶油田采用上海華陽檢測儀器有限公司產品對部分污水泵、注水泵、清水泵裝置進行了連續狀態監測。監測過程中發現2臺注水泵電機振動超標，對振動根源進行分析。

1 柱塞泵結構概況

作為油田的重要設備，往復式柱塞泵運行狀態是設備管理的重點。5DSB系列柱塞泵裝置主要由驅動電機、皮帶輪、柱塞泵、基座組成，其中柱塞泵分為動力端與液力端2部分[3]。柱塞泵型號5DSB-41.9/20，輸送介質為含油污水，介質溫度≤75℃，理論排量 43.07 m3/h，進口壓力（0.1～1）MPa，出口壓力 20 MPa，柱塞直徑75 mm，往復次數260次/min，裝置驅動電機轉速1480 r/min，電機功率280 kW皮帶輪減速比5.7，裝置總重量710 kg。振動傳感器安裝位置：電機驅動端軸承垂直方向2V-v；泵前軸承垂直方向3V-v；泵后軸承垂直方向：4V-v。

2 電機振動異常分析

2.1 1#注水泵振動分析

1#注水泵 3 個振動測點（2V-v，3V-v，4V-v） 的振動速度分別為 10.447 mm/s，3.4 mm/s，2.5 mm/s。泵前軸承和后軸承測點按ISO 10816-3—2009標準評定為A區，屬于振動良好，可長期安全運行。電機輸出端軸承座徑向振動通頻幅值達10.447 mm/s，按ISO 10816-3—2009標準評定為C區[5]，屬于振動報警區。對比其他電機，該測點溫度偏高，應盡快安排維修。

從電機驅動端異常振動的波形和頻譜中，16.25 Hz峰值非常突出，該頻率對應電機轉速。圖1為該泵振動烈度的趨勢圖。從2018年4月4日至2018年4月26日，振動波動很大，反復在6 mm/s以下和8 mm/s之間跳動，無明顯規律。

圖2為正常狀態時振動信號的頻譜圖，與異常時頻譜中只有轉頻不同，電機振速正常時信號主要表現為低于16.25 Hz的2個峰值頻率。

圖3為異常時泵前軸承的振動頻譜圖。其中能明顯發現16.25 Hz的頻率分量，但強度顯著低于電機驅動端，說明該頻率應該是從電機驅動端傳過來的。

2.2 2#注水泵振動分析

2#注水泵的電機端振動更為劇烈，但泵前、泵后軸承振動均較低。各測點振動強度見表1。

圖4為電機端振動信號的時域波形及頻譜。振動速度超標原因主要在于1×轉頻18.75 Hz幅值過大。可以看出，信號還經過幅值調制，以中心頻率18.77 Hz，邊帶16.27/21.27 Hz為表現形式，并且在2×頻處復現[6]。

觀察測點振動趨勢圖如圖5所示。該泵電機端振動仍然是在劇烈異常振動和正常狀態間反復變化。正常時其頻譜中主要是3個峰值16.25 Hz，18.75 Hz，21.25 Hz，強度相似（圖6）。

圖7是異常時泵前軸承的振動頻譜圖。其中幅度最高的也是18.75 Hz的頻率分量，但強度明顯低于電機驅動端。

可以看出，該測點的振動信號形態和1#注水泵基本類似，但峰值振動頻率從16.25 Hz上升到18.75 Hz。這可能是2個泵結構（皮帶張緊力、電機軟腳程度等）差異所致。故障原因和1#注水泵類似。

圖1 1#注水泵電機測點振動趨勢

圖2 1#注水泵電機測點正常信號頻譜圖

圖3 1#注水泵泵前軸承振動信號頻譜圖

圖4 2#注水泵電機驅動端異常振動波形和頻譜

圖5 2#注水泵電機驅動端振動趨勢

圖6 2#注水泵電機驅動端正常振動頻譜

圖7 2#注水泵泵前軸承異常振動速度頻譜

表1 2#注水泵各測點振動值

2.3 診斷結論

2.3.1 電機振動速度信號的3個特征。

（1）振動烈度時高時低，故障狀態并非一直持續，而是反復在正常/異常之間變化，說明不是零部件的永久性損傷。

（2）正常時轉頻附近有間隔很小的頻率峰值，而異常頻譜中只有1個突出的頻率峰值。即2個頻率合成了1個頻率，并產生了更大的振動。

（3）泵前軸承也受到該峰值頻率的影響，但振動強度較弱。

2.3.2 故障誘因可能是共振所致

（1）皮帶在特定轉速下發生共振的主要原因是皮帶張緊力與轉速不匹配。皮帶為彈性結構，共振頻率很低，容易與某些轉速發生共振，共振時皮帶對2個帶輪的作用力顯著上升。電機端皮帶輪小，同樣的張力下會產生更劇烈的振動。

（2）電機共振的根源主要是其地腳連接偏軟，形成彈性支撐，在特定轉速下易造成共振。建議先檢查地腳狀況，如果問題不能解決再檢查皮帶、調整皮帶松緊程度。

根據上述診斷，檢查電機地腳連接狀況，發現電機通過螺栓固定于方形鋼管底座，而鋼管壁薄、支撐剛度不足。在方管和基座之間楔入墊片，提高支撐剛性，2個測點的振動大幅降低（圖8）。

圖8 2#注水泵電機底座

3 結論

在注水泵上開展狀態監測工作，發現振動異常現象。分析2臺注水泵電機驅動端振動信號，診斷其為共振故障。通過提高電機支撐剛度，降低了振動，解決了問題，保證注水泵的可靠運行。這一方法故障原因分析準確，方案處置簡單、有效，可及時發現設備早期故障隱患，對類似故障診斷及處理有一定參考價值。