設(shè)備振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)分析在西江引水工程中的應(yīng)用

李志梅 呂健群 胡兆熊

（1.廣東省自動(dòng)化研究所 2.廣州自來(lái)水公司）

1 引言

水泵、電機(jī)是泵站的重要機(jī)電設(shè)備，是生產(chǎn)過(guò)程中維護(hù)的重點(diǎn)。在生產(chǎn)過(guò)程中，水泵、電機(jī)故障大多是緩慢漸進(jìn)形成的，如何在早期發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)處理故障，一直是運(yùn)行維護(hù)中的難點(diǎn)。由于機(jī)組振動(dòng)影響其使用壽命和安全穩(wěn)定運(yùn)行等可靠性指標(biāo)[1]。水泵和電機(jī)的振動(dòng)不僅反映和體現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行狀況，還可以顯示設(shè)備的性能、制造和安裝水平[2]。

西江引水工程是民生工程，對(duì)取水配水機(jī)組提出了很高的性能要求。為保證水泵機(jī)組設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，在設(shè)備出現(xiàn)故障隱患時(shí)及早發(fā)現(xiàn)并準(zhǔn)確判斷故障原因，避免非計(jì)劃停機(jī)，為安全運(yùn)行和科學(xué)檢修提供可靠依據(jù)[3]，西江引水工程建立了水泵機(jī)組在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障分析診斷系統(tǒng)。

西江引水工程分為下陳取水泵站和鴉崗配水兩個(gè)泵站，各有十二臺(tái)大型臥式水泵機(jī)組分別提供完整、獨(dú)立的在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)。本文以下陳取水泵站為例做說(shuō)明。本系統(tǒng)采用新西蘭況得實(shí)儀器有限公司提供的振動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊（VbOnline）以及振動(dòng)分析軟件（Asscent）。

2 水行業(yè)泵組常見(jiàn)的典型故障及風(fēng)險(xiǎn)分析

常見(jiàn)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障一般分為軸承故障、聯(lián)軸器不對(duì)中、轉(zhuǎn)子不平衡、機(jī)械松動(dòng)等情況[4]。

2.1 軸承故障

滑動(dòng)軸承是水利泵組旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最常用部件之一，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于制造缺陷、安裝不當(dāng)、磨損等原因產(chǎn)生故障[3]。一般轉(zhuǎn)機(jī)都是在勻速狀態(tài)下運(yùn)行，目前用故障特征頻率來(lái)識(shí)別滑動(dòng)軸承的故障是簡(jiǎn)單有效的方法。特別是泵組軸承，可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)計(jì)算出軸承故障特征頻率，以便在日后的運(yùn)行監(jiān)測(cè)中，掌握軸承特征頻率對(duì)應(yīng)的振動(dòng)量的變化，達(dá)到監(jiān)測(cè)軸承故障發(fā)展情況的目的；對(duì)于電機(jī)軸承，則根據(jù)推力瓦塊數(shù)量計(jì)算推力瓦故障特征頻率，而電機(jī)軸承則符合一般滑動(dòng)軸承特征。

滾動(dòng)軸承也是泵組設(shè)備中最常用部件之一，亦容易產(chǎn)生故障[3]。滾動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)由于各種原因引起損壞，如裝配不當(dāng)、潤(rùn)滑不良、水分和異物侵入、腐蝕和過(guò)載等。滾動(dòng)軸承故障常見(jiàn)于軸承內(nèi)圈、外圈、滾柱/珠以及保持架等部位，主要表現(xiàn)有：疲勞剝落、磨損、塑性變形、銹蝕、斷裂、膠合、保持架損壞等。通過(guò)識(shí)別不同部位的故障特征頻率可以有效識(shí)別滾動(dòng)軸承的各種故障。

2.2 聯(lián)軸器不對(duì)中

對(duì)于泵組設(shè)備，兩個(gè)相連接的機(jī)器因裝配不當(dāng)、調(diào)整不夠、基礎(chǔ)損壞、熱脹或聯(lián)軸節(jié)鎖死等引起的軸線不平行或不重合，一個(gè)或多個(gè)軸承安裝傾斜或偏心，即為不對(duì)中。不對(duì)中分為三種情況：平行不對(duì)中、角度不對(duì)中、平行和角度不對(duì)中。

2.3 轉(zhuǎn)子不平衡

不平衡是轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均勻造成的[3]。原因多為制造時(shí)幾何尺寸不同心或質(zhì)量分布不均勻；安裝中斜鍵或軸頸不同心；軸水平安放過(guò)久或受熱不均勻，造成臨時(shí)或永久變形；離心機(jī)類(lèi)機(jī)械工作時(shí)，物料填充不均勻；工作介質(zhì)中的雜質(zhì)在轉(zhuǎn)子表面沉積；零部件配合過(guò)松；動(dòng)平衡方法不當(dāng)（高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速）；原有平衡配重脫落等。不平衡的那部分質(zhì)量在轉(zhuǎn)動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生離心力，離心力隨著不平衡質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)而引起振動(dòng)。振動(dòng)再傳到軸承上，使軸承上的各點(diǎn)每旋轉(zhuǎn)一周承受一次作用力。

2.4 機(jī)械松動(dòng)

因螺栓斷裂或松動(dòng)、基礎(chǔ)找平斜鐵脫落、鋼制框架焊口開(kāi)裂、找正墊片脫落等引起設(shè)備固定地腳螺栓斷裂或松動(dòng)，甚至支撐結(jié)構(gòu)裂紋造成基礎(chǔ)支撐剛性下降。由此可能導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)急劇加大，改變系統(tǒng)固有頻率并可能引發(fā)系統(tǒng)共振，造成機(jī)組結(jié)構(gòu)性損傷[3]。

3 應(yīng)用實(shí)施

3.1 單機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)

為保證振動(dòng)數(shù)據(jù)采集全面和日后故障分析診斷的準(zhǔn)確性和充分性，對(duì)于各監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)采集水平和垂直方向的振動(dòng)數(shù)據(jù)，各轉(zhuǎn)子軸均配置一個(gè)軸向振動(dòng)測(cè)量?jī)x以監(jiān)測(cè)軸系對(duì)中和軸向振動(dòng)情況。因此每臺(tái)泵組將采集十個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)（電機(jī)自由端軸承配置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)（水平/垂直）、驅(qū)動(dòng)端軸承配置三個(gè)測(cè)點(diǎn)（水平/垂直/軸向）、泵自由端軸承配置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)（水平/垂直）、驅(qū)動(dòng)端軸承配置三個(gè)測(cè)點(diǎn)（水平/垂直/軸向））和一個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)基于條件的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集，加裝霍爾效應(yīng)傳感器以測(cè)量轉(zhuǎn)速。所有振動(dòng)加速度傳感器均引入 VbOnline模塊，通過(guò)模塊網(wǎng)絡(luò)接口，將振動(dòng)數(shù)據(jù)上傳至中控室，進(jìn)行在線分析。

3.2 泵站系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與分析

在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)由振動(dòng)傳感器、在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊以及振動(dòng)分析軟件三部分組成。如圖1所示，由十二臺(tái)水泵機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)測(cè)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。每臺(tái)大型水泵機(jī)組都經(jīng)由一個(gè)VbOnline進(jìn)行監(jiān)測(cè)，VbOnline振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀安裝在泵組的LCU柜內(nèi)。

在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的數(shù)據(jù)采集方式和采集定義可以根據(jù)需要由用戶在計(jì)算機(jī)上設(shè)置，并可通過(guò)RS232接口現(xiàn)場(chǎng)下載或通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)通訊接口遠(yuǎn)程下載。模塊內(nèi)部具有硬件積分功能，由加速度傳感器獲得振動(dòng)加速度信號(hào)，并可通過(guò)硬件積分獲得需要的振動(dòng)速度和振動(dòng)位移量值。

圖1 取水泵站泵組振動(dòng)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

十二臺(tái)VbOnline通過(guò)集成的以太網(wǎng)接口，經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與布置在中控室的在線振動(dòng)分析軟件系統(tǒng)的客戶機(jī)和服務(wù)器連成網(wǎng)絡(luò)，采用TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線通訊方式，實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)控制系統(tǒng)的通訊，并為自動(dòng)控制系統(tǒng)的人機(jī)界面軟件提供振動(dòng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

西江引水工程運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)分析。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)端水平方向和正常的電機(jī)驅(qū)動(dòng)端水平方向解調(diào)頻譜圖見(jiàn)圖2 、圖3 。107#泵組振動(dòng)幅值處于允許范圍內(nèi)，但電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承解調(diào)頻譜中外環(huán)故障特征頻率清晰可見(jiàn)，疑為電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承早期故障引起。解調(diào)頻譜對(duì)軸承超早期、早期故障靈敏，解調(diào)頻譜上出現(xiàn)軸承故障特征頻率，表明軸承內(nèi)部有微小損傷，如拆檢，肉眼難以觀測(cè)到該損傷。因此，解調(diào)譜圖出現(xiàn)相關(guān)軸承故障特征頻率時(shí)，并不完全代表該軸承必須要更換，還應(yīng)根據(jù)其它譜圖（如速度有效值譜圖），甚至包括傳統(tǒng)的聽(tīng)診情況，綜合考慮是否需要更換。故針對(duì)此種情況，應(yīng)注意觀察該軸承振動(dòng)情況，特別應(yīng)注意振動(dòng)速度譜圖中是否出現(xiàn)該軸承特征頻率，且注意總體振動(dòng)速度幅值是否明顯變化，以確定更換軸承的最佳時(shí)機(jī)。分析結(jié)果建議，加強(qiáng)軸承保養(yǎng)工作，并注意振動(dòng)速度譜圖中是否出現(xiàn)軸承相關(guān)故障特征頻率，如果速度譜圖中發(fā)現(xiàn)其解調(diào)譜圖中的軸承故障頻率，應(yīng)密切關(guān)注其發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)振動(dòng)速度有效值幅值明顯變化時(shí)，則應(yīng)考慮更換機(jī)組軸承。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)端水平方向解調(diào)頻譜圖

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)進(jìn)而提高西江引水工程的設(shè)備整體管理水平，使設(shè)備的管理與備件管理、維修管理、生產(chǎn)調(diào)度、檢修計(jì)劃緊密地結(jié)合起來(lái)。但是目前分析軟件不能提供故障處理建議經(jīng)驗(yàn)庫(kù)，出現(xiàn)故障時(shí)，需要專業(yè)的振動(dòng)分析師進(jìn)行分析，這就需要操作人員擁有較高的專業(yè)素質(zhì)，這也是振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)需要進(jìn)一步考慮的問(wèn)題。

圖3 正常的電機(jī)驅(qū)動(dòng)端水平方向解調(diào)頻譜圖

[1]佟晨光,鄭源.大型泵站主機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)[J].水泵技術(shù),2008(2):12-15.

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[3]黃澄,朱雪明,肖澤.設(shè)備在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障分析診斷技術(shù)在大型水泵機(jī)組中的應(yīng)用[J].給水排水,2010,36(5):53-57.

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