羅茨真空泵狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用

王 浩，王福維，謝 星

（中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 62100）

0 引言

真空系統(tǒng)是動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分，主要功能是提供真空環(huán)境，其主要設(shè)備是羅茨真空泵。受工作環(huán)境影響及設(shè)備自身運(yùn)行損耗，羅茨真空泵時(shí)常出現(xiàn)超溫、異響、卡死等情況，設(shè)備故障率較高，影響保障效率。同時(shí)，羅茨真空泵維修工作采用故障后維修及計(jì)劃維修的模式，會(huì)產(chǎn)生維修不足以及維修過度的情況，因此，結(jié)合羅茨真空泵裝備特點(diǎn)，應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，能節(jié)省維修經(jīng)費(fèi)，提高維修效能，保障設(shè)備安全。

1 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

羅茨真空泵是一種無內(nèi)壓縮的旋轉(zhuǎn)變?nèi)菔秸婵毡谩Ｕ婵障到y(tǒng)選用的羅茨真空泵均為臥式結(jié)構(gòu)，泵的進(jìn)氣口在上，排氣口在下，其中JZJQ3750-321A 型氣冷式羅茨真空泵機(jī)組在側(cè)面有返冷氣口。羅茨泵在2 個(gè)半圓形的泵腔內(nèi)有2 個(gè)形狀對稱的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子形狀有兩葉（ZJQ3750、ZJQ1200）和三葉（ZJQ600、ZJQ400）的。2 個(gè)轉(zhuǎn)子平行地安裝在一對軸上，由一對傳動(dòng)比為1 的同步齒輪帶動(dòng)作等速同步反向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子與泵殼之間均保持一定的間隙而互不接觸，其間有0.15～1.0 mm 的間隙，泵腔靠間隙密封，因而運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦損失很小，摩擦消耗功率極低。

由于羅茨泵泵腔內(nèi)無摩擦，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，一般為1500～3000 r/min，而且轉(zhuǎn)子不必用油潤滑，可實(shí)現(xiàn)無油清潔的抽氣過程。泵的潤滑部位僅限于軸承、齒輪、以及動(dòng)密封處。泵沒有往復(fù)運(yùn)動(dòng)，平穩(wěn)、轉(zhuǎn)速高、尺寸小，可獲得大的抽速，故泵的抽速很高，而且結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)。

現(xiàn)階段羅茨真空泵的主要故障原因：一是上游試驗(yàn)段排放的雜質(zhì)隨試驗(yàn)氣流進(jìn)入到泵腔及密封件內(nèi)，造成泵體卡死、軸承故障等；二是機(jī)械本身的運(yùn)行損耗，導(dǎo)致軸承、密封環(huán)等器件達(dá)到運(yùn)行壽命損壞以及隨著運(yùn)行振動(dòng)造成地腳螺栓松動(dòng)、轉(zhuǎn)子不對中等故障。

2 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)簡介

在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)，對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析診斷，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)保護(hù)與預(yù)知維修的目的，達(dá)到提高設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)周期和減少停機(jī)維修時(shí)間和成本的效果。

系統(tǒng)主要包括設(shè)備監(jiān)測所需要的振動(dòng)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)應(yīng)用管理器、遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)軟件，能夠在線實(shí)時(shí)分析診斷設(shè)備運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的機(jī)械類故障（包括軸承故障、不平衡、不對中、磨損、結(jié)構(gòu)松動(dòng)、結(jié)構(gòu)共振等故障）、氣蝕類故障，為設(shè)備安全運(yùn)行及科學(xué)維修提供決策支持，幫助優(yōu)化設(shè)備的運(yùn)行。

系統(tǒng)在真空系統(tǒng)的羅茨真空泵兩端支撐軸承垂直方向上分別安裝一只振動(dòng)傳感器，驅(qū)動(dòng)端軸向安裝一只振動(dòng)傳感器，并接入振動(dòng)數(shù)據(jù)采集器，如圖1 所示。在同一個(gè)振動(dòng)測點(diǎn)，監(jiān)測系統(tǒng)顯示兩種信號，分別為加速度信號A 和速度信號V。

故障診斷專家系統(tǒng)主要包括故障特征自動(dòng)獲取模塊、故障推理模塊、人機(jī)交互模塊、案例庫模塊，系統(tǒng)構(gòu)架如圖2 所示。

（1）故障特征自動(dòng)獲取模塊以遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得機(jī)組實(shí)時(shí)與歷史運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用信號處理與征兆獲取手段提取機(jī)組故障特征。

（2）故障推理模塊包含知識庫（規(guī)則表、事實(shí)表、故障表）和規(guī)則推理引擎。知識庫是專家系統(tǒng)的核心，以機(jī)組診斷經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，將專家經(jīng)驗(yàn)形象化，建立常見故障表、故障特征事實(shí)表和故障推理規(guī)則表，并結(jié)合現(xiàn)場不斷更新的故障案例，豐富完善已有的知識庫。規(guī)則推理引擎是故障診斷專家系統(tǒng)的關(guān)鍵，規(guī)則推理過程通過模式匹配完成，由已獲得的故障特征匹配事實(shí)表中的相應(yīng)事實(shí)屬性，最終推出基于該事實(shí)的結(jié)論。

（3）人機(jī)交互模塊是建立人與專家系統(tǒng)聯(lián)系的平臺，包含兩方面的功能，一方面完善專家系統(tǒng)故障特征獲取，通過人機(jī)對話獲得故障特征自動(dòng)獲取模塊無法獲得的機(jī)組結(jié)構(gòu)、工藝量變化等信息；另一方面，可將專家系統(tǒng)診斷的故障反饋給使用者，及時(shí)采取必要的檢維修手段。

（4）案例庫模塊實(shí)現(xiàn)了案例學(xué)習(xí)與轉(zhuǎn)化為規(guī)則的功能。現(xiàn)場案例的積累與學(xué)習(xí)是專家系統(tǒng)知識積累的重要手段，也是專家系統(tǒng)具備自學(xué)習(xí)功能的重要體現(xiàn)。

真空系統(tǒng)羅茨真空泵采用離心泵故障診斷方法。離心泵的主要診斷故障包括：泵軸支撐處軸承的磨損、軸承跑套、軸不對中、軸不平衡、流體激振和汽蝕等故障。

2.2 應(yīng)用實(shí)例

某日真空廠房保障過程中，羅茨真空泵狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)于10:49 發(fā)現(xiàn)異常并發(fā)出報(bào)警，10:52 現(xiàn)場運(yùn)行人員緊急關(guān)機(jī)過程中發(fā)現(xiàn)ZJQ3750 羅茨真空泵發(fā)出異聲并伴隨濃烈白煙。

圖1 傳感器安裝位置

圖2 專家診斷系統(tǒng)構(gòu)架

通過故障診斷專家系統(tǒng)分析速度及加速度頻譜發(fā)現(xiàn)，泵驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端速度值、加速度值在10:49 開始同時(shí)迅速升高，在10:53 停機(jī)前，速度最大值達(dá)34 mm/s，加速度最大值達(dá)到336 m/s2。振動(dòng)高時(shí)，速度譜、加速度包絡(luò)譜均顯示為轉(zhuǎn)頻及其諧頻，特別是速度譜中X2、X4 倍頻明顯，說明轉(zhuǎn)子已經(jīng)發(fā)生實(shí)際嚙合，發(fā)生了較嚴(yán)重的碰磨。系統(tǒng)診斷羅茨泵軸承發(fā)生突發(fā)性故障，使間隙增大，并導(dǎo)致同步齒輪或轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨故障，加劇了振動(dòng)程度。故障診斷專家系統(tǒng)建議檢查羅茨泵軸承狀態(tài)及同步齒輪、轉(zhuǎn)子磨損狀態(tài)。將機(jī)組ZJQ3750 羅茨真空泵拆解后發(fā)現(xiàn)機(jī)泵轉(zhuǎn)子已經(jīng)打碎，軸承磨損嚴(yán)重，如圖3 所示，與故障專家診斷系統(tǒng)結(jié)論相符。

圖3 拆解的故障羅茨真空泵

3 結(jié)束語

羅茨真空泵狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用，對羅茨真空泵的維修保養(yǎng)工作具有重要指導(dǎo)意義，能夠?qū)崿F(xiàn)故障預(yù)判以及狀態(tài)檢測，極大地節(jié)省人力及物力成本，但目前還存在一些制約。一方面是現(xiàn)有的專家?guī)旒肮收显\斷是基于離心泵特點(diǎn)的整體判斷，使用中需要注重收集數(shù)據(jù)和案例，建成基于羅茨真空泵本身特性的專家?guī)煸\斷系統(tǒng)；另一方面是現(xiàn)有人員對設(shè)備的振動(dòng)數(shù)據(jù)不敏感，對故障分析的機(jī)理不清晰，不能充分利用好羅茨真空泵狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，工作中要繼續(xù)加強(qiáng)該系統(tǒng)的培訓(xùn)，增強(qiáng)人員的理解及使用。