XGB型旋渦氣泵異常發(fā)熱分析及解決方案

姬素云　張宏　閆曉亮

摘 要：對XGB型旋渦氣泵異常發(fā)熱問題進行研究，利用熱成像技術和紅外測溫技術對發(fā)生故障的旋渦氣泵的運行狀態(tài)進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，綜合采集數(shù)據(jù)進行故障分析，提出故障泵的可行性解決方案，并取得了一定的效果。

關鍵詞：旋渦氣泵；異常發(fā)熱；故障診斷

中圖分類號：TS737+.2

文獻標識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254.508X.2018.06.009

Abstract：In this paper， the abnormal getting hot problem of XGB type vortex gas pump was studied， the operation state of vortex gas pump was monitored by thermal imaging and infrared temperature measurement， and the fault analysis was implemented by collecting the data.

Key words：vortex air pump； abnormal heat； fault diagnosis

旋渦氣泵工作時，葉輪在電機的帶動下旋轉(zhuǎn)，葉輪葉片中的氣體在離心力的作用下被壓縮并甩到葉輪外緣和泵體之間的環(huán)形空腔內(nèi)，且以同樣的方式進行循環(huán)。由于葉輪葉片與泵體中間的環(huán)形空腔內(nèi)氣體離心力不同，因此在空腔中會產(chǎn)生強烈的環(huán)流，氣體環(huán)流通過葉片后都將獲得新能量。這種環(huán)流和葉輪的旋轉(zhuǎn)合成在一起，從而使得氣體均勻加速，以螺旋線形式經(jīng)過多級壓縮獲得很高的能量，而后離開氣泵，同樣，在入口也可以產(chǎn)生很大的真空度[1.2]。

1 設備的常見故障及檢測方法

機械設備在運行中由于某些原因，會出現(xiàn)故障。機械方面的故障包括掃膛、振動、軸承過熱、損壞等；電氣方面的故障包括定子繞組缺相運行、定子繞組首尾反接、三相電流不平衡、繞組短路和接地、繞組過熱和轉(zhuǎn)子斷條、斷路等。

對產(chǎn)生的振動應先區(qū)分其來源，如電機本身引起、傳動裝置不良造成或機械負載端傳遞過來的等，應針對具體情況進行排除。

電機過熱的原因包含：電機自身內(nèi)在質(zhì)量問題、長期處于超負荷工作運行狀態(tài)（機械傳動機構故障引起電動機負荷大）、電機散熱問題和電機繞組局部短路燒毀等情況。

常用的檢測方法包括振動檢測方法、聲學檢測方法、振聲檢測方法、溫度檢測方法、電參數(shù)檢測方法和性能趨向檢測方法。故障檢測實際上是類似醫(yī)學診斷的行為，對象是機器，也需要經(jīng)過“望聞問切”，通過對獲得的數(shù)據(jù)進行科學分析，從而確定故障類型，進而提出解決方案。首先要了解自己的檢測對象，再確定檢測方案，進行相關的測試、實驗、分析，得出結(jié)論。

2 故障泵簡述及分析

2.1 故障泵信息與性能測試

本課題分析的故障泵是一臺“天翼”牌XGB.4型旋渦氣泵，無錫寶華儀表設備有限公司制造，泵的最大流量330 m3/h，額定功率4 kW，最大真空度26 kPa。泵的電機是無錫卓力電機有限公司生產(chǎn)的YX3 112M.2型三相異步電機，接線使用三角形接法。電機的額定電流為7.9 A，額定頻率為50 Hz，功率因數(shù)為0.88，電機轉(zhuǎn)速2910 r/min。

使用彈簧管壓力表、彈簧管真空表、萬用鉗表等設備測得該故障泵的實際最大壓力為32.7 kPa，實際最大真空度為25.5 kPa，與額定值相差不多。

2.2 熱成像及紅外測溫

圖1所示為采用熱像儀對故障泵的正面成像圖。

由圖1可以看出，故障泵的入口溫度和出口溫度相差達到80℃，溫度最高處可達到132℃，高溫區(qū)域集中在出風口的半扇，離開氣泵的氣體溫度也達到70～80℃。

對故障泵進風口、機殼進風口半扇（進口半扇）、機殼出風口半扇（出口半扇）、出風口、電機靠葉輪部分（電機內(nèi)側(cè)）、電機外側(cè)6個部位的溫度使用紅外線測溫儀進行了測定，測定結(jié)果見表1，故障泵葉輪側(cè)至電機側(cè)溫度分布結(jié)果見圖2，故障泵溫升與室溫關系見圖3。

XGB.4型旋渦氣泵的工作溫度，在夏天最高不允許超過80℃。但由圖2可見，故障泵的測量數(shù)據(jù)已經(jīng)比最高溫度超過了將近40℃，屬于嚴重的超溫，溫度最高處在機殼內(nèi)部，靠近出風口的半扇區(qū)，并且機殼上的溫度從葉輪方向到電機方向逐漸降低，這說明發(fā)熱源就在葉輪出口半扇的部位。

從圖3中發(fā)熱部位溫度變化的規(guī)律上看，故障泵的溫升與室溫并沒有太大關聯(lián)，而是各自呈現(xiàn)一個漲落的變化規(guī)律，這與下級主吸附風機的入口過濾網(wǎng)沒有清理、吸氣量不穩(wěn)定有關。

2.3 電機線電流測量

在故障泵工作狀態(tài)下，使用電流鉗表對故障泵電機的三相電流進行了測量，測得的電流小于額定電流，說明電機并沒有超負荷運轉(zhuǎn)，因此可以排除電機因為長期過流、過負荷燒毀的可能性。

2.4 故障原因分析

通過以上測量和分析，電機燒毀的原因可能就是電機軸承保養(yǎng)不到位，軸承缺乏潤滑，造成軸承游隙加大，從而導致電機掃膛（磁隙短路），電機嚴重發(fā)熱，長期高溫使得內(nèi)部線圈繞組絕緣老化，從而燒毀電機。

這種情況的發(fā)生關鍵點在于軸承，也就回到了傳統(tǒng)的振動故障診斷的范疇。接下來對軸承進行故障診斷，測量其振動，分析軸承的狀態(tài)，從而檢驗這一假設是否正確。

3 氣泵振動故障診斷

對旋轉(zhuǎn)機械而言，絕大多數(shù)故障都是與機械運動或振動密切相關聯(lián)，要尋找氣泵發(fā)熱的原因，就必須進行振動故障診斷。

診斷對象是運行中的機械設備，因此采用了振動診斷法，就是對正在運行的機械設備進行振動測量，對得到的各種數(shù)據(jù)進行分析，將得到的分析數(shù)據(jù)與事先制定的標準進行比較，然后判斷系統(tǒng)內(nèi)部存在的結(jié)構破壞、開焊、磨損、裂紋、老化和松脫等影響系統(tǒng)正常運行的故障。

使用S911H型軸承故障診斷儀，隨機在泵的頂端選擇一測量點，對軸承進行一系列振動故障診斷和實驗，測量了50組泵運行時的振動數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2，并分別畫出加速度峰值、速度有效值、位移峰值、包絡有效值變化各參數(shù)的折線圖，結(jié)果分別見圖4、圖5、圖6和圖7。

測量頻率范圍為10～20 kHz，實際頻率范圍與傳感器有關，一般小于20 kHz。

分析測量的振動狀態(tài)可知，泵的加速度峰值小于1.5 m/s2，速度有效值小于2.5 m/s，位移峰值在25 μm內(nèi)，包絡有效值不高于0.02 unit。

所有的特征參數(shù)都處在合理的區(qū)間內(nèi)，也就說明這些泵的振動正常，因此振動不是引起發(fā)熱的原因，結(jié)合上述分析，推測異常發(fā)熱的原因可能就是葉輪工作部分溫度過高造成的。

4 故障原因綜合分析及初步解決方案

4.1 軸承壽命

在對XGB.4型旋渦氣泵進行了一系列振動故障診斷和實驗后，初步認定故障泵的軸承產(chǎn)生了磨損，旋渦氣泵只有2個摩擦接觸點就在2個軸承處。要延長泵的使用壽命，就要從延長軸承的壽命和定期更換軸承入手。旋渦氣泵的軸承本來就是耗材，但該泵的軸承磨損速度過快。分析認為葉輪工作部分溫度過高，導致相鄰的軸承部位溫度升高，致使老化速度加快、軸承壽命縮短。

XGB.4型旋渦氣泵電機軸承設計使用的是ZGN.1號鈣鈉基潤滑脂，安裝時一次性灌注，不需要維護加注，這種潤滑脂適用于工作在85℃以下的滾動軸承。因此，在故障泵長期高溫使用時，發(fā)生潤滑失效。研究認為，需更換為耐高溫的潤滑脂，如二硫化鉬鋰基潤滑脂，有助于延長軸承的使用壽命。

4.2 故障泵異常發(fā)熱的原因

根據(jù)旋渦氣泵說明書中對正常發(fā)熱現(xiàn)象的介紹表明，在旋渦氣泵的出口附近，泄漏導致氣體摩擦，會使該區(qū)域氣體溫度明顯上升。

詢問并查閱了這臺泵與相連設備的維修與保養(yǎng)記錄，發(fā)現(xiàn)該泵連接在一根主吸附風管上，主吸附風管的下一級是主吸附風機，每月的例行維護都要清理進出口過濾網(wǎng)，并且該風機是負責吸附棉絨等填充物并將其輸送至除塵器進行收集。由此判斷當主吸附風機流量減小后，該泵輸送的氣體部分回流，與出口氣體摩擦，引起嚴重的發(fā)熱[3]。

4.3 初步解決方案

針對該故障泵提出了解決方案：①將軸承潤滑更改為2L.1型鋰基潤滑脂，該潤滑脂可以耐受145℃的溫度，有效地減慢異常發(fā)熱造成高溫影響的速度，從而保護軸承，延緩軸承的磨損；②及時清理下級主吸附風機的過濾網(wǎng)；③監(jiān)測更換故障泵的軸承[4.6]。

5 初步解決方案的實施與反饋

首先是將定期更換軸承納入了設備定期維修保養(yǎng)的日程，繼續(xù)以人工巡檢方式進行測溫。

措施實施15天后，檢查泵的溫度，發(fā)現(xiàn)發(fā)熱狀況得到改善。根本原因在于更換了軸承，而更換軸承之后，葉輪回到了正常位置，間隙變小了，氣體泄漏的狀況得到了改善，發(fā)熱量隨之減小。

定期更換軸承，電機和泵體上的積垢都能夠及時得到清除，周圍的通風散熱環(huán)境良好，下級風機的過濾網(wǎng)也清理的更加頻繁，這些因素在一定程度上也減小了發(fā)熱量[7.8]。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，制作柱形圖觀察溫度變化，見圖8。

由圖8可以看到，這些解決措施實施后，泵的發(fā)熱有了改善，而且在清理過了下級風機的濾網(wǎng)之后，溫度變化趨于平穩(wěn)。證明確實是由于下級風機進氣量的變化導致了發(fā)熱[9.10]。

6 結(jié) 論

本課題利用熱像儀、紅外線測溫儀、電流鉗表、軸承故障診斷儀等對發(fā)生故障的XGB.4型旋渦氣泵運行狀態(tài)進行監(jiān)測，采集了大量的溫度數(shù)據(jù)和振動參數(shù)，結(jié)合各參數(shù)的變動情況綜合分析故障泵、電機和軸承的運行情況，從而得到故障泵的相關信息，并提出初步解決方案，取得一定的效果。

6.1 通過熱成像技術和紅外測溫技術對故障泵進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)主要的發(fā)熱部位在風機出口處的半扇，受發(fā)熱部位傳熱的影響，電機的溫度比通常運行狀態(tài)高40℃左右。

6.2 通過測量電機線電流和三相電流平衡，電機線電流為5.5～5.7A，沒有超過額定電流7.9A，三相電流平衡良好，差值在±0.1A以內(nèi)，排除了故障泵電機因電氣故障燒毀的可能。

6.3 通過對泵和軸承的振動進行實驗和監(jiān)測，振動值指標在合理范圍內(nèi)，包絡有效值小于0.02 unit，位移峰值小于25μm，判斷出振動不是引起泵發(fā)熱的原因。

6.4 通過現(xiàn)場查閱故障泵運行記錄，60%的故障是軸承損壞造成的，另外40%是線圈燒毀等電機故障造成的。引起這些故障的主要原因是出風口氣體泄漏摩擦發(fā)熱，有關設備在長期高溫運行的狀態(tài)下壽命縮短，提出定期清理過濾網(wǎng)等措施，經(jīng)過反饋，設備發(fā)熱狀況有所改善。

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（責任編輯：馬 忻）