故障診斷技術(shù)在離心泵中的應(yīng)用分析

王 迪 姜 偉 朱紅波 李 凡

(1.克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.獨(dú)山子石化公司乙烯廠)

機(jī)械裝置不斷向自動(dòng)化和連續(xù)化方向發(fā)展，早期憑經(jīng)驗(yàn)式的診斷方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，故障診斷技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)形成了一門綜合學(xué)科，橫跨了設(shè)備修理、信號(hào)分析、通信傳輸、數(shù)學(xué)原理以及故障診斷等多門學(xué)科[1]。

1 常見的故障診斷方式

1.1 溫度檢測(cè)技術(shù)

機(jī)器設(shè)備的溫度變化可以反映出機(jī)械的運(yùn)行狀況，當(dāng)機(jī)體溫度波幅較大或超過一定幅值時(shí)，必然會(huì)反映其內(nèi)部某些故障。溫度過高可能會(huì)影響到材料的機(jī)械性能，使其疲勞性能降低，更嚴(yán)重可以燒壞零件，如高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備中常因溫度過高而燒壞軸承，口環(huán)間隙比較小的位置常因?yàn)闇囟冗^高材料膨脹而發(fā)生卡澀。

溫度檢測(cè)根據(jù)測(cè)量時(shí)傳感器是否與設(shè)備接觸，分為接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫。接觸式現(xiàn)在應(yīng)用較少，而非接觸測(cè)溫因?yàn)椴恍枰獌x器和測(cè)試設(shè)備直接接觸，不會(huì)破壞原有測(cè)試對(duì)象的溫度場(chǎng)被廣泛的采用。以紅外測(cè)溫儀為代表，它通過吸收物體自身發(fā)出的不可見的紅外能量而工作，在石油化學(xué)、汽車、食品以及電氣工業(yè)等領(lǐng)域都有很多的應(yīng)用[2]。

1.2 油樣分析技術(shù)

由于設(shè)備零部件之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以必然存在著摩擦，其中磨損摩擦占據(jù)失效故障的80%左右，同時(shí)磨損還消耗大量的能量，占總能源的30%左右。人們?yōu)榱藴p少摩擦，降低磨損往往在機(jī)械運(yùn)動(dòng)副中加入潤滑油，通過采集油液進(jìn)行分析，根據(jù)其磨損磨粒的形狀、大小、顏色和元素組成，推算出該機(jī)械設(shè)備各摩擦副的基本情況如；磨損機(jī)理、磨損部位及磨損程度等方面的信息[3]。

1.3 無損檢測(cè)技術(shù)

無損檢測(cè)技術(shù)是在不破壞被檢測(cè)對(duì)象的前提下，利用某一物理特性能引起內(nèi)部存在缺陷或異常的物體發(fā)生一定反映，根據(jù)缺陷的類型來判斷各種零部件的結(jié)構(gòu)和材料的內(nèi)部和表面狀況。包括磁粉檢測(cè)(MT，Magnetism Testing)，射線檢測(cè)(RT，Radiography)、滲透檢測(cè)(PT，Penetrate Testing)、渦流檢測(cè)(ET，Eddy Testing)和超聲檢測(cè)(UT，Ultrasonic Testing)5種常規(guī)的檢測(cè)[4]。

1.4 性能參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)

機(jī)械系統(tǒng)在運(yùn)行過程中存在著流量、壓力、電壓及電流等一系列參數(shù)，這些數(shù)據(jù)在不同程度上反映了機(jī)械系統(tǒng)的整體運(yùn)行程度的好壞，操作人員通過這些參數(shù)的變化來判斷機(jī)械系統(tǒng)故障的方法稱為性能參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)。最常用的機(jī)械系統(tǒng)性能參數(shù)值為壓力、流量和能耗，對(duì)于每一部位都有一個(gè)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)。當(dāng)測(cè)試到機(jī)械設(shè)備輸送介質(zhì)的性能參數(shù)值與正常工況不符，就可判斷機(jī)械系統(tǒng)整體性能或者零部件某方面存在故障[5]。

1.5 振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

振動(dòng)信號(hào)是最重要的信息來源，是機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的重要載體，是機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)好壞的本質(zhì)反映，沒有任何一種信號(hào)能夠蘊(yùn)含如此多的重要信息。不管多么精密的機(jī)械系統(tǒng)和配合部件在正常運(yùn)行過程中，都存在著不同的振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)幅值達(dá)到一定時(shí)，必然導(dǎo)致系統(tǒng)存在某些故障。特別是現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用如傅里葉變換、短時(shí)傅里葉變換、倒頻譜分析技術(shù)、小波變換、第二代小波變換、多小波變換分析技術(shù)和包絡(luò)譜技術(shù)都能很好地提取故障特征，目前利用振動(dòng)信號(hào)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行故障判斷是國內(nèi)外使用的最有效的方法之一[6]。某化工廠根據(jù)故障的分析方式和現(xiàn)場(chǎng)高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備實(shí)際情況，選擇振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)作為該廠的故障診斷方式。

2 診斷案例

2.1 設(shè)備概況

某石油化工企業(yè)有5臺(tái)DB34型多級(jí)離心式給水泵，該泵的結(jié)構(gòu)為水平剖分式11級(jí)多級(jí)離心泵，徑向由軸瓦支撐,軸向由推力瓦定位，并且都為該廠的重要設(shè)備。每臺(tái)泵的最大出口壓力15MPa，額定轉(zhuǎn)速4 800r/min。2009年底其中一臺(tái)泵出現(xiàn)了較大的振動(dòng)，介質(zhì)有泄漏，且有逐漸上升的趨勢(shì)，更換前后機(jī)械密封后發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封已經(jīng)損壞。到目前為止已經(jīng)連續(xù)發(fā)生多次機(jī)械密封損壞、油封燒壞、滑動(dòng)軸承磨損等事故(圖1)。由于該廠的維修方式采用的是事后維修制度和定期維修制度，設(shè)備部件的頻繁損壞已嚴(yán)重影響到生產(chǎn)和安全的需要，為了解決以上非正常停機(jī)情況，筆者選擇基于振動(dòng)信號(hào)分析的故障診斷技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)知設(shè)備故障，并能夠通過后期數(shù)據(jù)波形分析發(fā)現(xiàn)故障的原因和趨勢(shì)，提早維修并減少非計(jì)劃停機(jī)造成的經(jīng)濟(jì)損失。

a.損壞的油封

b.損壞的軸瓦

2.2 故障波形分析

該廠選用博華公司生產(chǎn)的BH550便攜式測(cè)振儀對(duì)該多級(jí)離心泵進(jìn)行跟蹤式狀態(tài)監(jiān)測(cè)，檢測(cè)周期為一周一次，機(jī)組結(jié)構(gòu)簡圖及檢測(cè)位置如圖2所示，其中根據(jù)ISO2372標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置該泵的黃色警告上限振動(dòng)烈度為7.10mm/s；設(shè)置紅色禁止上限振動(dòng)烈度為11.20mm/s。通過圖2看到在非驅(qū)動(dòng)端的水平振動(dòng)烈度值已經(jīng)超過了黃色警告達(dá)到了7.97 mm/s。

圖2 機(jī)組測(cè)點(diǎn)及簡圖

圖3為測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4從2013年4月2日到2013年5月14日水平方向和垂直方向的振動(dòng)趨勢(shì)圖，可以看出來從4月2日到4月16日3H、3V、4H方向的振動(dòng)烈度都處于上升的趨勢(shì)，并且4H超過了黃色報(bào)警區(qū)間。4月16日測(cè)點(diǎn)4的水平方向波形如圖4所示，根據(jù)振動(dòng)波形圖可以發(fā)現(xiàn)波形是趨向于正弦波形，是時(shí)域波形中典型的平衡故障圖。測(cè)點(diǎn)4的水平方向頻譜如圖5所示，由于多級(jí)離心給水泵額定轉(zhuǎn)速為4 800r/min即基頻為80.00Hz,通過頻譜圖可以看出是81.40Hz頻率引起的較大幅值，由頻譜圖的最小分辨率是6.25 Hz即測(cè)點(diǎn)4的水平振動(dòng)能量主要來自于1倍頻及其諧波，即比較典型的轉(zhuǎn)子平衡故障。圖6～8分別為測(cè)點(diǎn)3H、3V、4V的頻譜，可以看出主要頻率也是1倍頻及其諧波，也印證了該泵主要故障是轉(zhuǎn)子平衡問題，現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)在非聯(lián)軸器端的水平振動(dòng)過大，且超過了黃色警告。

圖3 測(cè)點(diǎn)3、4振動(dòng)趨勢(shì)圖

圖4 測(cè)點(diǎn)4水平方向波形圖

圖5 測(cè)點(diǎn)4水平方向頻譜圖

圖6 測(cè)點(diǎn)3水平方向頻譜圖

圖7 測(cè)點(diǎn)3垂直方向頻譜圖

圖8 測(cè)點(diǎn)4垂直方向頻譜圖

2.3 故障解決

該多級(jí)離心給水泵在以前也出現(xiàn)過類似狀況，在動(dòng)平衡機(jī)上找平衡后排除故障。但是如果拆下來在動(dòng)平衡機(jī)上找平衡從拆卸、運(yùn)輸、調(diào)試到安裝工期長、效率低，其中修理費(fèi)及停機(jī)造成的損失達(dá)五十余萬。同時(shí)進(jìn)口設(shè)備經(jīng)常拆卸還會(huì)影響到裝配精度。所以筆者決定利用SB770現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡儀對(duì)該多級(jí)泵進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡。4月20日，加重完成后試車，振動(dòng)趨勢(shì)圖如圖3所示，從4月23日到5月14日振動(dòng)烈度趨勢(shì)圖有所下降，非驅(qū)動(dòng)端水平處振動(dòng)烈度從現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡之前的8.45mm/s降到6.81mm/s，并平穩(wěn)運(yùn)行至今。

3 結(jié)束語

故障診斷的方式很多，對(duì)于一個(gè)工廠來說選擇好合適的故障診斷方式不僅可以增加企業(yè)的生產(chǎn)效益，而且有利于減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，選擇基于振動(dòng)的故障診斷方式并結(jié)合正確使用一些檢測(cè)設(shè)備對(duì)于存在旋轉(zhuǎn)設(shè)備的化工廠來說具有一定的參考價(jià)值。

[1] 黑開偉.小波分析在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用研究[D].武漢：武漢科技大學(xué).2010.

[2] 江朝元,曹曉莉.基于CAN總線的分布式溫度巡檢系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26(z1)：508～509.

[3] 陳學(xué)峰,梁培鈞.油液分析技術(shù)在齒輪箱故障診斷中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011，(1)：120～121．

[4] 夏智富，李秀偉，丁貴濤.高速離心泵振動(dòng)故障診斷與分析[J]．煉油與化工,2010，21(5)：30～32,69.

[5] 姚良,成曙,張振仁，等.基于無損檢測(cè)的柴油機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2007，36(4)：91～94.

[6] 莫琦,陳立定,馮太合.小波包在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障振動(dòng)信號(hào)處理中的應(yīng)用[J].計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，2005，24(2)：63～65.