某船日用海水壓力柜水泵振動異常問題分析

吳善躍，張振中，陳 昕

(92957部隊, 浙江 舟山 316000)

某船日用海水壓力柜水泵振動異常問題分析

吳善躍，張振中，陳 昕

(92957部隊, 浙江 舟山 316000)

針對船員反映的水泵噪聲異常問題，開展了振動監(jiān)測，經(jīng)數(shù)據(jù)處理和故障特征分析判別了故障部位和原因。為了驗證故障分析結(jié)論，對泵組拆檢維修情況進(jìn)行了跟蹤，并開展了修后振動監(jiān)測?；跍y試數(shù)據(jù)和故障拆檢結(jié)果，對Peakvue技術(shù)和常規(guī)時頻分析技術(shù)提取軸承故障特征問題進(jìn)行了比較，結(jié)果表明Peakvue技術(shù)能對故障軸承部位做出更為準(zhǔn)確的判斷。

監(jiān)測診斷；振動；水泵

隨著振動監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用日益廣泛和深入，如何進(jìn)一步提高振動故障分析水平，更好服務(wù)于船舶設(shè)備管理，已成為監(jiān)測部門需要努力解決的現(xiàn)實問題之一。而在這其中，通過現(xiàn)實案例積累實踐經(jīng)驗是提高故障分析能力不可或缺的重要環(huán)節(jié)。為了積累實踐經(jīng)驗，更好指導(dǎo)船舶設(shè)備振動監(jiān)測技術(shù)工作開展，本文結(jié)合工作實際對某船日用海水壓力柜水泵振動異常問題進(jìn)行了系統(tǒng)分析。通過理論數(shù)據(jù)分析和故障拆檢結(jié)果之間的對應(yīng)分析，對軸承故障監(jiān)測有了進(jìn)一步認(rèn)識，從而也為今后此類故障問題分析積累了參考經(jīng)驗。

1 泵組基本情況

1.1 泵組簡介

該水泵為50CWZ-5型臥式水泵，擔(dān)負(fù)著全船日用海水供給任務(wù)，由江蘇振華泵業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)，主要技術(shù)參數(shù)如下：功率為5.5 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 980 r/min，流量為20 m3/h，揚(yáng)程為40 m。電動機(jī)轉(zhuǎn)子與水泵轉(zhuǎn)子之間采用聯(lián)軸器相聯(lián)，電動機(jī)和水泵安裝在同一個基座上，具體參見圖1。整個泵組有4個軸承，其中電動機(jī)自由端和輸出端分別安裝有同型號的滾動軸承，水泵輸入端部位安裝有2個同型號滾動軸承。在通常情況下，該水泵采用間隙運(yùn)轉(zhuǎn)模式，由壓力繼電器控制其通電運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 臥式水泵

1.2 運(yùn)行情況

據(jù)管理該泵的船員介紹，水泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會出現(xiàn)令人難以忍受的高頻噪聲，并且噪聲日趨增加。即使是在泵組電動機(jī)和水泵軸承部位增加潤滑脂后，噪聲問題也未見明顯改善。

2 振動數(shù)據(jù)采集及故障特征分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

針對船員反映的問題，技術(shù)人員對泵組進(jìn)行了振動測試。測試儀器采用艾默生CSI2130振動分析儀。具體測點參見圖1，其中：電動機(jī)自由端測量水平徑向(M1H)、垂直徑向(M1V)振動，電動機(jī)輸出端測量水平徑向(M2H)、垂直徑向(M2V)、軸向(M2A)振動，水泵端測量圖1中所示測點水平徑向和垂直徑向振動(分別為P1H、P1V，P2H、P2V)。在進(jìn)行上述測點數(shù)據(jù)采集時，其分析頻率范圍為1～1 800 Hz。除了在測點M1H、M2H、P1H、P2H進(jìn)行常規(guī)數(shù)據(jù)采集外，還進(jìn)行Peakvue數(shù)據(jù)采集，分別為M1P、M2P、P1P、P2P。

參見圖2，對水泵先后進(jìn)行了5次振動監(jiān)測和2次拆檢，其中：①7月3日監(jiān)測未聽到刺耳噪聲；②7月30日監(jiān)測是在發(fā)現(xiàn)噪聲異常后進(jìn)行的第1次振動監(jiān)測，8月2日監(jiān)測是后期跟蹤監(jiān)測；③8月21日進(jìn)行了第1次拆檢，檢查后軸承維持使用，并于10月2日進(jìn)行了修后振動監(jiān)測；④11月1日因水泵組出現(xiàn)故障停機(jī)而進(jìn)行了第2次拆檢和維修，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水泵輸入端P2處軸承已完全損壞，修復(fù)后于11月10日進(jìn)行了修后振動監(jiān)測。

圖2 水泵監(jiān)測及拆檢情況說明

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)處理分常規(guī)時頻處理和Peakvue數(shù)據(jù)處理2種方法。常規(guī)時頻處理主要是對所采集頻率在1～1 800 Hz范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行時域、頻域分析。其中，時域分析除了分析波形圖外，還進(jìn)行振動速度有效值、峰值統(tǒng)計分析。振動速度有效值反映了振動能量大小，是振動狀態(tài)監(jiān)測基本判別參數(shù)；峰值反映的是某時刻振幅的最大值，適用于瞬變沖擊振動的分析。頻域分析是在對時域數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換后，對各振動特征分量幅值進(jìn)行的分析。

與常規(guī)時頻處理不同，Peakvue數(shù)據(jù)處理主要是針對沖擊信號。它通過100 000 Hz以上高頻采集原始數(shù)據(jù)，并使用高通濾波器從振動時域波形中分離出應(yīng)力波的脈沖信號，再經(jīng)過二次采樣處理此應(yīng)力波，保留真實的脈沖幅值，得到Peakvue時域波形，最后通過FFT(快速傅里葉變換)計算得到Peakvue頻譜[1]。Peakvue數(shù)據(jù)處理適用于軸承早期損傷類故障分析。[2-3]

2.3 故障特征提取與分析

2.3.1 噪聲異常初期振動分析

為了分析噪聲產(chǎn)生的原因，有必要將故障數(shù)據(jù)和歷史正常數(shù)據(jù)進(jìn)行比較?；谶@一點，將7月30日、8月2日振動數(shù)據(jù)與7月3日數(shù)據(jù)作對比。表1為歷次監(jiān)測中各測點振動速度有效值數(shù)據(jù)，由表1可知：①相比較7月3日數(shù)據(jù)，7月30日絕大多數(shù)測點振動速度有效值均有不同程度增加(除測點M2H外)，其中水泵端測點絕對值較大，且絕對值增加量最大；②8月2日各測點振動速度有效值相比7月30日又有了增加，其中最大值點在水泵輸入端P2處 。由此判斷，P2處軸承可能存在異常。

進(jìn)一步分析P2處垂向測點P2V在7月30日和7月3日加速度時域波形，比較圖3、圖4可知：7月30日加速度時域波形峰值和有效值相對7月3日有了較大增長，分別為11.8倍和11.9倍。

表1 各測點振動速度有效值 mm/s

(注：表中“—”表示無有效數(shù)據(jù)。)

圖3 7月30日測點P2V的時域波形

圖4 7月3日測點P2V的時域波形

圖5、圖6、圖7分別是測點P2V在3次監(jiān)測中的常規(guī)頻譜，對它們進(jìn)行比較分析可知：在發(fā)現(xiàn)噪聲異常后，中高頻區(qū)域出現(xiàn)多族諧波成分，其中213 Hz及其5倍頻率分量較為明顯。

圖5 7月3日測點P2V的常規(guī)頻譜

圖6 7月30日測點P2V的常規(guī)頻譜

圖7 8月2日測點P2V的常規(guī)頻譜

圖8～圖10是P2P測點在3次監(jiān)測中的Peakvue頻譜，對它們進(jìn)行比較分析可知：①7月3日Peakvue頻譜未發(fā)現(xiàn)明顯的213 Hz振動分量；②在發(fā)現(xiàn)噪聲異常后，Peakvue頻譜中出現(xiàn)了較為明顯的213 Hz振動分量，表明水泵端P2處存在頻率為213 Hz沖擊信號。根據(jù)這一點，初步判斷水泵端軸承出現(xiàn)早期沖擊損傷征兆，并且P2位置軸承出現(xiàn)問題的可能性較大。

圖8 7月3日測點P2P 的Peakvue頻譜

圖9 7月30日測點P2P的 Peakvue頻譜

圖10 8月2日測點P2P的Peakvue頻譜

水泵端軸承為SKF的6305型滾動軸承，其軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：軸承節(jié)徑D為43.5 mm，滾動體直徑d為11.5 mm，滾動體個數(shù)n為7個，接觸角α為0。假設(shè)內(nèi)圈相對外圈轉(zhuǎn)速為r，滾動軸承故障特征頻率計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

cos2α]。

(4)

采用轉(zhuǎn)速表可測量泵組的實際轉(zhuǎn)速(即軸承內(nèi)圈相對外圈轉(zhuǎn)速)為2 930 r/min。將軸承結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速參數(shù)代入公式(1)～公式(4)，可推算對應(yīng)的軸承故障特征頻率如下：保持架故障頻率為18.0 Hz，滾動體單故障頻率為85.8 Hz，外圈故障頻率為125.7 Hz，內(nèi)圈故障頻率為216.1 Hz。對照軸承故障特征頻率和前文分析數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步確認(rèn)P2位置軸承內(nèi)滾道出現(xiàn)損傷點。

2.3.2 第1次拆檢及后續(xù)監(jiān)測分析

8月21日，修理人員拆檢了水泵。在外觀上未發(fā)現(xiàn)滾動軸承存在故障痕跡。然而，在轉(zhuǎn)動P2處軸承過程中，能輕微感受到存在類似機(jī)械表“滴答”聲。由于修理期間缺少備品，P2處軸承未被更換，而是繼持使用，并加強(qiáng)使用管理。

第1次拆檢后，于10月2日對泵組再次監(jiān)測，結(jié)果如下：①電動機(jī)端測點振動速度有效值與前次監(jiān)測結(jié)果基本保持一致，而水泵端測點振動數(shù)值卻明顯增加，最大增加了50%(參見表1)；②加速度時域波形峰值和均方根值持續(xù)增大，而波形波峰系數(shù)基本保持不變(參見圖11)；③P2處Peakvue頻譜中213 Hz振動分量幅值是前次監(jiān)測結(jié)果的2倍(比較圖12和圖10)。

圖11 10月2日測點P2V的時域波形

圖12 10月2日測點P2p的Peakvue頻譜

2.3.3 第2次拆檢及后續(xù)監(jiān)測分析

11月1日，該泵組在使用中出現(xiàn)電動機(jī)過載保護(hù)停機(jī)，整個泵組轉(zhuǎn)子咬死，無法順利地進(jìn)行人工盤車。再次拆檢水泵，發(fā)現(xiàn)P2處軸承已完全損毀，泵軸固定軸承內(nèi)圈處外觀呈高溫?zé)g特征。

在故障當(dāng)天，修理人員就對該水泵進(jìn)行了修理，更換了新軸承。11月10日，對泵組進(jìn)行了修后振動測試，結(jié)果如下：①各測點振動速度有效值相比10月2日監(jiān)測數(shù)據(jù)有了極大下降(見表1)；②測點P2H頻譜圖和測點P2PPeakvue頻譜中已無213 Hz振動分量(參見圖13和圖14)。

圖13 11月10日測點P2H的常規(guī)頻譜

圖14 11月10日測點P2P的 Peakvue頻譜

2.3.4 故障特征分量分析

213 Hz是歷次監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)水泵軸承故障的特征頻率點，表2所列為各測點歷次監(jiān)測常規(guī)頻譜中213 Hz振動分量幅值，表3所列為歷次監(jiān)測相關(guān)測點Peakvue頻譜中213 Hz振動分量幅值。綜合分析表2和表3，可發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：①泵組故障雖發(fā)生在水泵端軸承處，但在進(jìn)行常規(guī)頻譜分析時電動機(jī)端測點也能檢測到水泵端軸承213 Hz特征分量，而在Peakvue頻譜分析中電動機(jī)端測點卻不能檢測到這一分量；②P2處常規(guī)頻譜分析(即測點P2V頻譜)213 Hz振動分量幅值先增加后減少，而Peakvue頻譜中213 Hz振動分量幅值卻是一直增加。

表2 各測點常規(guī)頻譜中213 Hz振動分量幅值mm/s

(注：表中“—”表示無有效數(shù)據(jù)。)

表3 Peakvue頻譜213 Hz振動分量幅值 m/s2

為什么電動機(jī)輸入端測點Peakvue頻譜分析不能檢測到水泵端軸承213 Hz特征分量，根據(jù)Peakvue數(shù)據(jù)采集和分析原理可知，Peakvue分析主要是通過提取和處理應(yīng)力波振動信號來獲取軸承故障信息，而應(yīng)力波傳遞在實質(zhì)上屬于高頻振動傳遞。相對低頻振動而言，高頻振動在傳遞過程中具有快速衰減特性。由于結(jié)構(gòu)和材料方面的因素，水泵和電動機(jī)中間的聯(lián)軸器成為應(yīng)力波傳遞的“阻隔點”，水泵端故障軸承沖擊應(yīng)力波在傳遞過程遇到該“阻隔點”將會出現(xiàn)巨大衰減，從而造成電動機(jī)輸入端測點無法檢測到泵端軸承應(yīng)力波信號。

3 結(jié)束語

綜合本故障實例分析，可得到如下結(jié)論和經(jīng)驗。

1)海水壓力柜泵組在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的刺耳高頻噪聲來源于泵端軸承內(nèi)圈滾道疲勞損傷故障。該疲勞損傷點雖小，但運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生明顯噪聲。通過本例表明，“耳聽”仍是船員在設(shè)備巡檢中必不可少的重要手段，通過直觀分析泵組噪聲變化可發(fā)現(xiàn)部分滾動軸承早期故障。

2)滾動軸承從早期發(fā)現(xiàn)故障征兆到整個軸承毀壞，仍具有相對較長的使用時間。在特殊情況下持續(xù)使用具有早期故障征兆的滾動軸承，應(yīng)積極采用振動定量分析手段并結(jié)合基于歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計的故障閾值進(jìn)行軸承狀態(tài)監(jiān)控，從而在延長軸承使用時間的同時確保機(jī)組安全運(yùn)行。

3)常規(guī)的時域、頻域數(shù)據(jù)采集及處理方法能夠分析滾動軸承故障，但在分析過程中要注意其它點振動傳遞影響。例如在本案例常規(guī)頻譜分析中，在電動機(jī)輸出端能檢測到水泵端軸承故障特征分量。若不結(jié)合振動速度有效值等參數(shù)分析，就有可能產(chǎn)生誤判，誤認(rèn)為電動機(jī)輸出端軸承存在故障。

4)由于應(yīng)力波在傳遞過程具有明顯的衰減特性，Peakvue頻譜分析受其它點振動傳遞影響干擾較少，相對常規(guī)頻譜分析而言能對故障軸承部位做出更為準(zhǔn)確的判斷。

[1] 史嘯曦，景東華. Peakvue測振新技術(shù)的應(yīng)用及評價[J]. 中國設(shè)備工程, 2013(8)：7-9.

[2] 高景俊，孔勝軍，張寶海，等. Peakvue高級專利數(shù)據(jù)技術(shù)在軸承故障診斷中的應(yīng)用[J]. 中國設(shè)備工程, 2007(11)：53-54.

[3] 徐英博，韓東方，朱善安. 基于Peakvue技術(shù)的軸承故障檢測[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2010(7)：115-117.

安全生產(chǎn) 警鐘長鳴

The vibration of a water pump is measured for its harsh noise.After data processing and failure characteristic analysis,the fault position and failure cause are judged.To validate the conclusion,the repairing information of the pump is collected and the vibration monitoring is performed.Based on the test data and the overhaul of the pump,the Peakvue technology is compared with the conventional time-domain and frequency-domain analysis on detecting the fault signature of bearings.The result shows that more accurate diagnosis can be made on the bearing fault position by using the Peakvue technology.

condition monitoring and diagnosis;vibration;water pump

吳善躍(1976-)，男，浙江慶元人，高級工程師，博士，主要從事船舶設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和振動噪聲控制研究工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.02.006

2015-11-13