長距離有壓輸水系統中水泵故障診斷研究綜述

李柏慶

（華北水利水電大學電力學院，河南 鄭州450045；浙江水力水電學院水力與海洋工程研究所，浙江 杭州310018）

水泵作為長距離調水中的主要設備，水泵性能的好壞很大程度上影響了整套調水系統的效率。水泵為一種典型的旋轉機械，楊志尹等[1]總結了旋轉機械常見的故障，包括轉子不平衡，轉子不對中、轉軸裂紋、碰磨、流體的渦流激振等。額田啟三[2]列舉了發生故障的三個要素，分別是載荷、故障機制和故障模式，其中載荷指使設備發生故障的外部因素；故障機制指當載荷對設備產生影響后，使設備發生故障的過程；故障模式指受故障機制影響后，設備所表現出來的故障現象。

設備生產企業都十分重視機械故障診斷，對旋轉機械故障的診斷更為重要，因為旋轉機械使用廣泛且位于設備工作部位，其性能的好壞對設備的影響更加明顯，張宏樂[3]簡易診斷旋轉機械時，分別從檢測信號的測定和簡易診斷方法原理這兩個角度進行分析，并在某一大型合成氣壓縮機的故障實例中實踐此方法，取得較好的診斷效果。為了盡可能減少故障所帶來的損失，需及時診斷故障類型和位置。徐馳[4]對于狀態監測技術的發展現狀和在水電機組、泵站機組等方面的應用現狀進行了分析。

1 旋轉機械故障診斷的現狀

為快速實時診斷水電機組軸系運行中的常見故障，周葉等[5]提出了一種基于支持向量機的故障診斷及預測方法。提取機組振動信號的頻譜能量作為學習樣本，通過訓練建立基于水電機組軸系運行常見故障的分類模型，并進行故障類型識別。柳煬[6]在不同的診斷方法和模型算法的基礎上，新穎地提出了水泵水輪機故障診斷模型，將概率神經網絡模型和故障樹最小割集劃分結合使用，全面地對水泵水輪機的實時狀態進行故障診斷，并計算該故障的發生概率。使用傳統方法精確檢測水輪發電機組的非平穩振動信號較為困難，并且精度也不高，黨建等[7]利用排列熵算法對其進行檢測與分析，引入多維度排列熵算法提取出非平穩振動信號的特征，從而構造故障樣本的數據。

2 水泵故障診斷的現狀

離心式水泵在工業生產中被大量使用，因此保證離心泵安全穩定地運行尤為重要，某電廠高壓多級離心泵在首次啟動運轉時，李文偉等[8]實時監測泵進出口壓力、軸承溫度、振動信號等工藝量參數，并使用頻譜分析技術對其振動信號進行時、頻域分析，診斷出給出水泵轉子與軸承系統可能存在局部碰摩現象。對于離心泵，趙鵬[9]重點采用隱Markov模型的故障診斷方法，對離心泵這種短時平穩的非平穩信號進行了更加直觀的描述。張立強等[10]通過試驗發現，在變工況的試驗條件下把振動時域、頻域分析相結合是找出高速泵振動超標的有效途徑，可為尋找工程現場中的振動源頭提供科學依據。張勝國等[11]對一個工作時振動值長期偏高的離心泵進行了診斷，分別測量了該故障泵的驅動端和流體端垂直及水平方向的振動數值，初步斷定是聯軸器平行偏角嚴重不對中而導致，更換雙膜片聯軸器使該泵的振動幅值回歸正常。潘國慶等[12]從研究振動信號出發，主要針對注水泵站的故障診斷系統，根據其特點建立了相應的知識庫，為提高診斷故障的準確率選用了正反向混合推理機制。佟延文[13]利用水泵振動試驗臺，對于離心泵的一些典型故障進行模擬，如轉子不對中、不平衡等，并根據收集到的振動信號進行頻譜分析，提取出表征離心泵故障的特征信息并對此進行分析診斷，可以查找出故障原因。

在生產中小水泵被頻繁使用，在運行過程中不可避免地會發生一些故障，而故障會影響小水泵的運行效果和運行安全性，需要采取科學的方法解決這些故障。因此，翟險峰[14]總結分析了小水泵運行過程中常見的故障，并對其進行診斷，而后通過合理的方法進行維修，確保小水泵能夠正常運行，保證運行的安全性。

某船海水泵在運行過程中振動較大，聲響異常，存在明顯的故障征兆，楊振等[15]為查明異常狀態原因，采用Vibexpert振動數據采集器采集了該泵電機和泵體軸承座不同方向上的振動信號，并對其進行時頻域分析，得出水泵發生故障的原因。李春琦[16]介紹了工業生產實踐中旋轉機構常見的故障現象，重點分析了齒輪故障出現的主要形式及其產生機理，由于故障聲信號常混雜其他聲信號，會對獲取目標信號造成干擾，因此首先利用多層非負矩陣分解方法分離出故障聲信號，對故障聲信號進行預加重、加窗、分幀等預處理，提取故障聲信號的梅爾頻率倒譜系數。邢丹君[17]結合實際工程中的泵站機組，研究其運行狀態，使用層次分析法和熵權法計算電機中定子、主軸、上下及架等結構的權重，運用Matlab仿真驗證了水泵機組的可拓綜合評價方法。王芳[18]以景電工程為研究對象，發現水泵出現了各種病害，由于水泵在水力提灌工程中發揮著至關重要的作用，任何危害都可能對整個工程造成極大的損失，他們分析了水泵在運行過程中產生振動的主要原因，并提出了避免和減輕水泵振動的處理措施，以期促進水泵安全、穩定運行。牟輝軍[19]討論了旋轉設備在長期運行中很容易發生故障及產生各種問題而影響設備運行，為了減少設備故障率，使設備可以較長時間運行，故障發生初期必須及時診斷和處理設備，保證機電設備以及整個泵站安全運行。顧卿[20]建立了關于機泵健康診斷與評估的系統，是一個采用狀態監測與故障診斷技術對機泵狀態進行監測評估的系統，可提供預警、報警和故障分級評價等有效信息，能確定設備早期出現的故障現象。根據系統給出的綜合評價，合理安排機泵的維修及部件更換，最大限度地減少設備維護成本，確保設備安全可靠運行。

3 結語

作為長距離有壓輸水中決定系統整體效率的設備，水泵是否能安全高效工作十分重要，因此需及時確定并找到水泵機組的故障與發生原因。診斷水泵等旋轉機械的故障方法主要為：處理振動信號及頻譜分析，再對其進行特征提取，找尋特征信號中異常的部分，確定故障類型。