基于頻譜分析的軸流泵振動故障診斷與處理措施

李 穎

（中國石油大慶煉化公司，黑龍江大慶 163400）

0 引言

基于頻譜分析理論的軸流泵振動故障診斷是近幾年來比較熱門的研究方向之一。對于轉(zhuǎn)子動力學(xué)模型而言，當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)對水流產(chǎn)生提升力時，其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動受到周期性激勵作用時，轉(zhuǎn)速會隨著推力和轉(zhuǎn)子動平衡力的作用而發(fā)生變化；在這種情況下，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子中心線之間會出現(xiàn)一條頻率曲線。該曲線可用來表征轉(zhuǎn)子受力產(chǎn)生的周期性脈動頻率響應(yīng)情況，通過對其的分析，還可以獲得軸流泵在不同工況下工作時產(chǎn)生的各種振動信號及其特征參數(shù)信息[1]。

1 預(yù)聚合軸流泵振動高經(jīng)過

預(yù)聚合軸流泵2-P210 為Lawrence 制造的軸流泵，功率18.5 kW，額定轉(zhuǎn)速2940 r/min，軸承型號為7311×2/6210×1，預(yù)聚合軸流泵2-P210，是某煉化企業(yè)關(guān)鍵設(shè)備且無備用泵（為獨(dú)生子設(shè)備），主要作用是為反應(yīng)器R210 提供循環(huán)。

2020 年10 月12 日23：27，預(yù)聚合軸流泵2-P210 安全密封罐2-Z212 液位2LI2103 液位下降，安全密封罐壓力2PI2103升至0.141 MPa，外操到現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)機(jī)封泄漏。安全密封罐現(xiàn)場補(bǔ)油，機(jī)泵振動、聲音、軸功率及機(jī)封PLAN53C 方案增壓活塞標(biāo)尺等無異常變化，通過對安全密封罐壓力調(diào)整，機(jī)封恢復(fù)密封狀態(tài)，監(jiān)護(hù)運(yùn)行。

2020 年10 月13 日，2-Z212 液位以約每小時5%的速度下降，對2-P210 泵加密巡檢監(jiān)護(hù)，液位低及時補(bǔ)油，保證2-Z212 液位控制在60%～80%。此時機(jī)泵振動、聲音等無異常變化。

2020 年10 月23 日，DCS 上振動值上漲，機(jī)泵現(xiàn)場振動有所上升，現(xiàn)場有異響。

2020 年10 月28 日，DCS 上的振動值迅速上漲、達(dá)到20 mm/s，機(jī)泵現(xiàn)場離線監(jiān)測振動值為6 mm/s。

2020 年11 月2 日，裝置按計劃停工，11 月3 日，2-P210 泵開始檢修。

2 滾動軸承振動故障監(jiān)測與診斷

2.1 滾動軸承的失效形式

滾動軸承由內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾動體、保持架等4 個主要部件組成，按其破壞模式可劃分為4 類。

（1）疲勞剝落。由于交變載荷的作用，軋輥與軋輥接觸面接觸表面的金屬層逐漸剝落并逐漸擴(kuò)大，因此產(chǎn)生了凹陷。如果不停地旋轉(zhuǎn)，則會造成大面積剝落。

（2）磨耗。如果滾動軸承的密封不到位，使灰塵、細(xì)小顆粒等進(jìn)入，或潤滑不到位，就會引起與軸承的接觸面的摩擦或磨擦，增大軸承的振動和噪聲

（3）裂紋或斷裂。由于材料有缺陷或熱處理不當(dāng)，配合過盈過大，軸承表面有凹陷，從而引起應(yīng)力集中，造成軸頸開裂。

（4）凹陷。當(dāng)外來細(xì)顆粒物質(zhì)入侵球體和滾道時，球體表面上會出現(xiàn)凹陷。此外，過大的沖擊載荷使接觸表面發(fā)生局部塑性變形，使接觸表面產(chǎn)生凹陷。當(dāng)?shù)鬃潭ú粍拥臅r候，外部的沖擊就會在軌道上造成均勻的凹坑，即使負(fù)載不大，也會在周圍環(huán)境的振動下形成凹坑[2]。

2.2 滾動軸承的振動機(jī)理

（1）滾動軸承故障的基本頻率。內(nèi)圈滾道回轉(zhuǎn)頻率為fi=N/60，外圈滾道回轉(zhuǎn)頻率為f0、一般為0。

（2）滾動軸承故障的通過頻率。通過頻率是指，滾動軸承元件出現(xiàn)局部損傷時，設(shè)備在運(yùn)行中就會產(chǎn)生相應(yīng)的振動頻率，稱為故障特征頻率，又稱軸承通過頻率[3]。軸承的通過頻率及計算公式見表1，其中，軸承節(jié)徑D 是滾動軸承體中心所在的圓的直徑，d 為滾動體的平均直徑；接觸角α 是滾動體受力方向與內(nèi)外垂直線的夾角；z 為滾動體或滾動體的數(shù)目。

表1 軸承的通過頻率及計算公式

2.3 滾動軸承的信號特征

（1）軸承內(nèi)圈損傷。如果在不存在徑向空隙的情況下，出現(xiàn)剝落、裂紋和點(diǎn)蝕等破壞時，將產(chǎn)生脈沖振動。一般情況下，由于點(diǎn)蝕部位與滾子碰撞的部位和碰撞的部位，其振幅值會出現(xiàn)周期改變，也就是幅度的調(diào)整。

（2）軸承外圈損傷。當(dāng)滾動體在運(yùn)動中通過時，在其運(yùn)動的影響下，其表面會發(fā)生剝落、開裂、點(diǎn)蝕等損傷，進(jìn)而產(chǎn)生碰撞和振動。由于點(diǎn)蝕位置與載荷方向之間的相對位置不變，在這一時刻不發(fā)生振幅調(diào)整。

（3）軸承滾動體損傷。在滾動軸承中，如果出現(xiàn)了剝落、裂紋和點(diǎn)蝕等破壞，且這些破壞的部位穿過了滾動軸承的內(nèi)外圈，則會引起滾動軸承的沖擊振動。在不存在徑向間隙的情況下，將發(fā)生一次沖擊振動。由于滾動軸承一般都具有徑向間隙，所以，與內(nèi)環(huán)出現(xiàn)點(diǎn)蝕的情形類似，也會出現(xiàn)幅度調(diào)制，這取決于點(diǎn)蝕與內(nèi)外環(huán)碰撞接觸的位置，但幅度調(diào)制是按照滾珠體的旋轉(zhuǎn)頻率來實(shí)現(xiàn)的。

（4）軸流泵2-P210 軸承特征頻率。根據(jù)表1，可以得出泵中軸承的基本頻率及特征頻率（表2）[4]。

表2 軸承特征頻率 Hz

2.4 機(jī)泵無線系統(tǒng)分析

機(jī)泵采用北京佳訊飛鴻電氣股份有限公司研發(fā)的無線監(jiān)測系統(tǒng)，從圖1 可以看出泵殼體振動烈度頻繁波動，振動值不穩(wěn)定。分析機(jī)泵驅(qū)動側(cè)軸承受交變載荷影響，其滾動體與保持架產(chǎn)生不良沖擊，波形頻譜整體體現(xiàn)中期磨損特征。

圖1 泵驅(qū)動端速度有效值趨勢圖

從圖2 可以看出，機(jī)泵驅(qū)動側(cè)軸承包絡(luò)頻譜以軸承型號為7311 的滾動體諧波頻率主導(dǎo)，包絡(luò)波形底部的寬帶噪聲逐漸升高。

圖2 泵驅(qū)動端包絡(luò)頻譜圖

2020 年10 月28 日機(jī)泵驅(qū)動端加速度峰值及包絡(luò)峰值由頻繁波動轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)穩(wěn)定升高，且包絡(luò)波形頻譜底部的寬帶噪聲持續(xù)升高，且滾動體故障頻率信號越來越明顯（圖3、圖4）。判斷軸承滾動體已經(jīng)磨損，建議立即檢修，檢修時應(yīng)重點(diǎn)檢查軸承滾動體，保持架及機(jī)封的磨損情況。

圖3 泵驅(qū)動端加速度峰值趨勢圖

圖4 泵驅(qū)動端包絡(luò)峰值趨勢圖

2.5 離線監(jiān)測分析

離線監(jiān)測采用的是北京博華信智科技發(fā)展有限公司制造的BH550 綜合分析診斷儀。10 月23 日至10 月30 日，振動值變化情況如表3。

表3 振動值變化情況

由于此次軸流泵振動升高主要是由于機(jī)封泄漏導(dǎo)致，振動主要體現(xiàn)在機(jī)泵端，因此選取機(jī)泵驅(qū)動端水平方向振動3H、機(jī)泵驅(qū)動端垂直方向振動3V、機(jī)泵非驅(qū)動端水平方向振動4H、機(jī)泵非驅(qū)動端垂直方向振動4V 振動數(shù)值形成振動值變化圖表（圖5）。從圖5 可以看出，10 月28 日機(jī)泵驅(qū)動端振動數(shù)值大幅上漲。本次機(jī)泵振動升高主要體現(xiàn)在機(jī)泵驅(qū)動端，而機(jī)泵驅(qū)動端各個方向測點(diǎn)中又以水平方向最為典型，因此本文選取10 月27 日—10 月29 日機(jī)泵驅(qū)動端水平振動進(jìn)行頻譜分析。

圖5 振動值變化曲線

從泵驅(qū)動端水平方向頻譜圖可以看出，頻譜主要體現(xiàn)在50 Hz，即1 倍頻，表現(xiàn)出機(jī)泵不平衡問題（圖6）?？紤]為由于機(jī)泵機(jī)封泄漏、沖洗丙烯進(jìn)入密封腔內(nèi)，造成密封腔壓力升高，引起機(jī)泵不平衡問題。同時可以看出，底部的寬帶噪聲逐漸升高，機(jī)泵逐漸劣化。但是離線監(jiān)測頻譜中并未發(fā)現(xiàn)軸承故障頻率，原因可能是由于驅(qū)動端測點(diǎn)位置是白鋼材料、測振儀探頭不能直接吸附，測振儀采集精度受到影響。

圖6 泵驅(qū)動端水平方向頻譜圖

3 軸流泵拆解驗(yàn)證

11 月3 日，對2-P210 集裝機(jī)封解體后發(fā)現(xiàn)，機(jī)封內(nèi)PLAN53C軸套內(nèi)2 個O 形圈全部斷裂（圖7），機(jī)封端面完好，可判斷PLAN53C軸套O 形圈失效造成沖洗丙烯從PLAN53C 軸套與軸間泄漏至PLAN52 腔內(nèi)，造成密封腔壓力升高，與停工前判斷一致。

圖7 取出破損的O 形圈

由于PLAN52 安全密封罐內(nèi)串入丙烯，導(dǎo)致密封油稀釋和缺失，造成密封腔內(nèi)軸承潤滑不良，致使軸承滾動體嚴(yán)重磨損（圖8）。

圖8 磨損的軸承

通過機(jī)泵無線監(jiān)測系統(tǒng)對預(yù)聚合軸流泵進(jìn)行監(jiān)測能夠更早的發(fā)現(xiàn)軸承故障，更清楚機(jī)泵運(yùn)行狀態(tài)，為檢修提出合理建議。離線監(jiān)測預(yù)聚合軸流泵能夠看出劣化趨勢，但在軸承故障診斷方面還有所欠缺。

4 檢修后運(yùn)行狀態(tài)

更換了機(jī)封、軸承后，重新啟動2-P210 泵，泵驅(qū)動端速度有效值維持在1.3 mm/s 左右，運(yùn)行趨勢穩(wěn)定（圖9）；驅(qū)動端加速度峰值維持在15 m/s2左右，趨勢穩(wěn)定（圖10）；驅(qū)動端包絡(luò)峰值維持在15 m/s2左右，趨勢穩(wěn)定（圖11）。因此，2-P210 泵的本次檢修效果很好，整體運(yùn)行平穩(wěn)。

圖10 檢修后泵驅(qū)動端加速度峰值趨勢圖

圖11 檢修后泵驅(qū)動端包絡(luò)峰值趨勢圖

5 結(jié)束語

通過對某煉化企業(yè)軸流泵振動數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過在線監(jiān)測系統(tǒng)與離線監(jiān)測采集的速度有效值、加速度峰值及包絡(luò)峰值進(jìn)行分析比對，并結(jié)合設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中表現(xiàn)出的故障特征，綜合診斷機(jī)泵驅(qū)動端加速度峰值及包絡(luò)峰值由頻繁波動轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)穩(wěn)定升高，且包絡(luò)波形頻譜底部的寬帶噪聲持續(xù)升高，且滾動體故障頻率信號越來越明顯，判斷軸承滾動體已經(jīng)磨損。軸流泵的拆解情況也驗(yàn)證了頻譜分析的結(jié)果，并在檢修后成功消除了軸流泵故障，對軸流泵未來的運(yùn)行有一定借鑒作用。

將振動頻譜分析應(yīng)用到日常工作中，要保證數(shù)據(jù)的采集的準(zhǔn)確性，即振動的測點(diǎn)選擇要正確，能完全體現(xiàn)出故障的最合適位置。另一方面，測點(diǎn)的材料也要考慮。本文在線監(jiān)測的探頭耦合在測點(diǎn)位置，故障頻譜就被很好地保存下來，而離線監(jiān)測時測振儀無法吸附在白鋼材料上面，需要用手來保持?jǐn)?shù)據(jù)的采集，就沒有采集到軸承故障頻率，這樣在線監(jiān)測與離線監(jiān)測相結(jié)合，可以大大提高故障診斷的準(zhǔn)確性。