機(jī)泵監(jiān)測系統(tǒng)功能有效性淺析

董淼　王建濤　郭森

摘要：在流程化生產(chǎn)企業(yè)中，電動機(jī)驅(qū)動的泵類（機(jī)泵）在工藝流程中起著極其關(guān)鍵的作用，其狀態(tài)、性能、部件壽命是影響其工藝性能的主要因素，故各種面對機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測需求的系統(tǒng)得以在企業(yè)應(yīng)用。然而，在現(xiàn)有機(jī)泵監(jiān)測系統(tǒng)中，產(chǎn)品供應(yīng)商的焦點(diǎn)多聚集于系統(tǒng)同的構(gòu)建技術(shù)以及某些功能的“智能性”實(shí)現(xiàn)，對于系統(tǒng)功能的有效性卻鮮有建樹，或多或少影響了此類產(chǎn)品的接受度和推廣價(jià)值。

本文就機(jī)泵監(jiān)測系統(tǒng)功能有效性進(jìn)行簡單分析并提出相應(yīng)的解決思路。

1.機(jī)泵監(jiān)測體系的局限性分析

目前市場上流通的機(jī)泵監(jiān)測體系大致有如下幾類：

⑴ 基于振動檢測的無線方式

隨著無線傳感器和無線組網(wǎng)技術(shù)的日益完善，由無線振動傳感器和網(wǎng)關(guān)即可構(gòu)建對系統(tǒng)功能性要求不高的低價(jià)位機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測體系。

無線傳感器的綜合性能受到諸多環(huán)節(jié)影響，其一是振動傳感器的核心，決定了其頻率響應(yīng)范圍和線性度指標(biāo);其二是采集處理單元，其處理深度決定了數(shù)據(jù)的完整性;其三是無線通訊（組網(wǎng)）模式，決定了數(shù)據(jù)通訊的帶寬，同時(shí)也決定了電池的使用壽命。

此類系統(tǒng)采用的無線振動傳感器多用Zigbee通訊模式，主要是看重其低功耗特性，但低帶寬也是其致命弱點(diǎn)，當(dāng)對動態(tài)數(shù)據(jù)傳送實(shí)時(shí)性有較高要求時(shí)，Zigbee模式就無法滿足其要求了。

為了讓電池具有較長的壽命，只能降低數(shù)據(jù)采集和傳送數(shù)據(jù)的頻度。

⑵ 基于振動、溫度的無線方式

這是與⑴模式相似的系統(tǒng)，只不過將傳感器核心換成了振動、溫度同時(shí)檢測的內(nèi)核，其余外委單元均與⑴模式相同。

⑶ 基于振動、溫度的有線、無線混合方式

為了解決電池壽命與數(shù)據(jù)傳輸帶寬的需求，有些技術(shù)供應(yīng)商對機(jī)泵監(jiān)測體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改良。這些改良包括：

①采用通用型振動（或振動溫度一體）傳感器，以滿足不同機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測所需要的頻率響應(yīng)和線性度指標(biāo)，可根據(jù)測點(diǎn)需求進(jìn)行靈活的選型和更換;

②將信號適調(diào)、預(yù)處理、采集、邊緣計(jì)算和數(shù)據(jù)通訊集成在一個(gè)單體中，與傳感器有線連接，與網(wǎng)管采用無線通訊，以組成高性能和高實(shí)時(shí)性的柔性在線監(jiān)測系統(tǒng);

③可采用雙電源供電（交流供電與內(nèi)裝可充電電池組），理論上不存在電池壽命問題，可達(dá)到在線監(jiān)測系統(tǒng)的高標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)性能。

⑷ 基于振動、溫度、特定指標(biāo)的有線、無線混合模式

在⑶模式的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化邊緣計(jì)算APP，深化數(shù)據(jù)處理能力，使之滿足行業(yè)設(shè)備完整性評價(jià)的需求。

對于數(shù)據(jù)的處理深化，主要包括：

①振動信號的二次積分及輸出;

②滾動軸承狀態(tài)L值的計(jì)算及輸出;

③FFT計(jì)算;

④包絡(luò)加速度計(jì)算;

⑤溫度測量;

⑥柔性通訊模式。

在上述4種模式中，前2種具有較大的功能局限性，后2種基本可兼顧性能與實(shí)用性需求，尤其是模式⑷可完全滿足行業(yè)設(shè)備完整性監(jiān)測的需求，并具有很好的靈活性。

2.機(jī)泵監(jiān)測體系數(shù)據(jù)完整性分析

在很多人的認(rèn)知中，機(jī)泵監(jiān)測系統(tǒng)屬于一種“簡單”的監(jiān)測體系，對技術(shù)性能要求不高，甚至為了降低系統(tǒng)造價(jià)，無原則地刪減系統(tǒng)輸入傳感器數(shù)量，最終導(dǎo)致系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不完整，無法滿足機(jī)泵狀態(tài)評價(jià)及故障診斷的需求，更無法進(jìn)一步對滾動軸承剩余壽命預(yù)測的數(shù)據(jù)需求。

對于機(jī)泵系統(tǒng)來說，用戶關(guān)注的問題為：

⑴ 機(jī)械故障

不平衡故障、不對中故障、機(jī)械松動、滾動軸承故障等。

機(jī)械振動對機(jī)械故障具有較好的敏感性。

⑵ 性能故障

因介質(zhì)特性而形成的流體故障，如氣蝕;因設(shè)計(jì)不合理造成的出力不足。

機(jī)械振動和出口壓力波動對此類故障叫敏感。

⑶ 支撐軸承剩余壽命

支撐滾動軸承剩余壽命過短，具有事故隱患。

這是一個(gè)綜合性課題，涉及的影響因素多，但有很好的使用價(jià)值。

⑷ 環(huán)境影響

基礎(chǔ)剛度不足及外部官網(wǎng)預(yù)負(fù)荷影響而使機(jī)械振動變大;因潤滑或冷卻不良造成支撐軸承溫度過高，從而降低軸承剩余壽命;因電動機(jī)供電質(zhì)量不合格而導(dǎo)致機(jī)泵運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定。

3.機(jī)泵監(jiān)測體系功能有效性分析

⑴ 源信號有效性

在源信號的檢測中，傳感器是一個(gè)極其重要的節(jié)點(diǎn)，后續(xù)的分析計(jì)算，無一不是以“原信息準(zhǔn)確”和“源信息完整”為前提，離開其中一項(xiàng)，系統(tǒng)的輸出結(jié)果都將是錯(cuò)誤的或者是存在極大誤差的。

當(dāng)傳感器處于故障狀態(tài)時(shí)，其檢測信號與實(shí)際信號完全不符，若利用錯(cuò)誤的信號進(jìn)行分析，得出的結(jié)果必然也是錯(cuò)誤的。因此，傳感器狀態(tài)正常是判斷檢測數(shù)據(jù)是否可用的首要條件，若傳感器失效，則數(shù)據(jù)不可用。

即使傳感器正常，也需要按正確的采樣參數(shù)進(jìn)行采樣，采樣頻率及采樣長度與被監(jiān)測部件的故障最高頻率和分析分辨率有關(guān)，若采樣過程不準(zhǔn)確，就有可能造成誤診或漏診。

⑵ 信號分析有效性

絕大多數(shù)機(jī)泵監(jiān)測系統(tǒng)的信號分析功能簡單、有效性差，無法滿足機(jī)泵的狀態(tài)評價(jià)和故障診斷。

對于機(jī)泵的機(jī)械振動信號，簡單的頻譜分析尚不足以分析故障，單一的幅度計(jì)量也不能完整地表征機(jī)泵狀態(tài)，因此信號應(yīng)是一個(gè)“集合”，而非簡單地對某一點(diǎn)某一參數(shù)某一種計(jì)量方式進(jìn)行檢測、計(jì)算和分析，應(yīng)該按狀態(tài)評價(jià)和故障診斷的需求對信號進(jìn)行“細(xì)分”，并逐項(xiàng)進(jìn)行計(jì)量和分析。

進(jìn)行加速度包絡(luò)分析時(shí)，必須根據(jù)軸承尺寸和機(jī)器轉(zhuǎn)速確定濾波器截至頻率，否則就會出現(xiàn)分析誤差甚至錯(cuò)誤。

軸承狀態(tài)L值是一種與負(fù)荷無關(guān)的檢測方法，對于非穩(wěn)定運(yùn)行的機(jī)器和滾動軸承狀態(tài)監(jiān)測是一種理想的監(jiān)測參量。

某一點(diǎn)某一時(shí)刻的信號承載的信息量是有限的，必須用“瞻前顧后”的思維方式對信號的“來龍去脈”進(jìn)行梳理，弄清楚影響因素，才能保證信號分析結(jié)果的有效性，才能用于可靠的狀態(tài)評價(jià)和故障分析。

⑶ 信息的融合及集成

多數(shù)機(jī)泵監(jiān)測系統(tǒng)涉及的信號處理工具是基于“點(diǎn)”的，即某一時(shí)刻某一測點(diǎn)的信號特征。該點(diǎn)的信號特征受傳遞、耦合、負(fù)荷、環(huán)境等影響，并不能完整地表征機(jī)泵的狀態(tài)，必須與其它點(diǎn)的信息融合分析，找出關(guān)聯(lián)關(guān)系和狀態(tài)發(fā)展的時(shí)序，才能將整臺機(jī)泵的狀態(tài)描述清楚。

涉及的診斷邏輯也應(yīng)基于“全信息”，基于“點(diǎn)”信息的診斷邏輯已被證明其準(zhǔn)確性較差，甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤。

4.工程實(shí)例解析

實(shí)例1

故障類型：不平衡故障—葉輪磨損

信號概述∶泵端測點(diǎn)出現(xiàn)快速上升趨勢，速度頻譜中以1倍轉(zhuǎn)頻能量上升為主，振動方向?yàn)閺较颉?/p>

診斷結(jié)論∶泵端速度的上升，關(guān)注基礎(chǔ)松動及葉輪平衡類故障。

檢修建議∶檢查泵端振動大小與工藝情況，檢查螺栓松動情況與葉輪磨損情況。

檢修反饋∶現(xiàn)場拆檢發(fā)現(xiàn)葉輪葉片及口環(huán)出現(xiàn)較大磨損。

信號譜圖：

實(shí)例2

故障類型：軸承故障

信號概述：泵端加速度上升，波形中有外圈間隔沖擊，頻譜包絡(luò)解調(diào)以外圈成分為主。

診斷結(jié)論：3、4位置軸承中期損傷，主要為外圈磨損、剝落。

檢修建議：建議更換損傷軸承，短期運(yùn)行關(guān)注潤滑、異響及溫度。

檢修反饋：近電機(jī)側(cè)軸承外圈滾道有長條狀剝落。另一盤軸承外圈磨損，存在一處圓形剝落。

特征譜圖：

5.結(jié)論與建議

⑴市場上流通的機(jī)泵監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品性能差異明顯，存在一定程度的過度宣傳，對實(shí)用性和目的性的考量不足;

⑵無線模式并不能代表更先進(jìn)的技術(shù)，許多實(shí)用性問題如傳感器電池壽命、數(shù)據(jù)傳輸帶寬和實(shí)時(shí)性等方面尚未得到解決;

⑶有線傳感器加無線采集變送器結(jié)構(gòu)是目前比較符合應(yīng)用需求的系統(tǒng)結(jié)構(gòu);

⑷對源信號完整性和有效性方面尚有大量工作可做。

為此，建議：

⑴ 重視機(jī)泵監(jiān)測體系的信息完整性和有效性，確保信息可覆蓋用戶關(guān)注問題范圍并具有較強(qiáng)的針對性;

⑵ 重視支撐軸承剩余壽命預(yù)測技術(shù)研究，綜合考慮軸承的初始（設(shè)計(jì)）壽命、機(jī)泵運(yùn)行時(shí)長、工況對軸承壽命的影響以及其它故障對軸承壽命的影響等因素，能夠比較客觀地評價(jià)軸承狀態(tài)和剩余壽命計(jì)算;

⑶基本監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建模式必須首先滿足目的性需求，其次考慮構(gòu)建、計(jì)算技術(shù)或模式。前者是剛需，后者是為實(shí)現(xiàn)需求而進(jìn)行的優(yōu)化。

作者簡介：董淼，1980.4，男，漢族，河南南陽人，碩士研究生，高級工程師，油氣田開發(fā)工程、安全環(huán)保技術(shù)研究。