毕业论文-热油泵运行故障分析与状态监测系统设计.doc

1 热油泵运行故障分析与状态监测系统设计热油泵运行故障分析与状态监测系统设计 摘摘 要要 热油泵是炼油化工生产中不可缺少的流体输送机械。由于热油泵的传输 介质均为温度较高的导热油，或与导热油物理性质相似的石油产品，其最高 传输介质的温度可高达 370，加之连续运行时间长，因此经常会出现各类 故障，这些故障会对热油泵和装置的正常运行造成不同程度地影响，甚至会 造成停车、高温高压等严重事故。建立一套在线自动监测系统，及时发现异 常故障，并进行针对性的分析维修，保证泵具有长周期运行的可靠性、高效 性、低能耗等性能，对确保装置长期平稳运行有重要意义。 本文以大型离心式热油泵为例，首先简要介绍离心油泵的结构、工作原 理，并对热油泵运行过程中出现的典型故障如泵异常振动、汽蚀、不排液或 排液中断、轴承发热、流量不足、泵严重泄漏等，加以分析总结；然后根据 热油泵的实际运行状况，介绍了七种工程实际常用的传感器；之后重点阐释 了振动信号常用的分析诊断方法；最后通过比较嵌入式系统、DCS、虚拟仪器、 PLC 加工控机、工控机加板卡五种计算机测试控制系统，选择基于 PLC 和工 控机组合形式，设计热油泵状态监测系统。 关键词 热油泵,典型故障,传感器,状态监测,PLC 2 Abstract Hot oil pump is one of fluid conveying machinery which is indispensable in the production of oil refining and chemical products. Since the transmission medium of hot oil pump is heat conduction oil of high temperature, or similar to heat conduction oil in physical properties, and the maximum transmission medium temperature can be as high as 370 ; besides, the continuous running time is long, therefore, many kinds of fault occur frequently, which will affect the normal operation of the heat pumps and units in different degrees, and even cause serious accidents such as parking, high temperature and high pressure, etc. In order to find minor failures timely and make targeted analysis maintenance, it is necessary to establish a set of on-line automatic condition monitoring system. Taking large centrifugal heat pumps as example, firstly this paper gives a brief introduction of centrifugal pump structure, working principle, and typical faults such as abnormal vibration, cavitation, failure to drain or drainage interrupt, bearing heating, insufficient flow, pump serious leaks, in the process of hot oil pump operation; Next according to the practical operation of hot oil pump conditions, describes seven kinds of commonly used sensors in engineering; Especially explains several diagnosis methods of vibration signal analysis. Finally by comparing five computer control system, like the embedded system, DCS, virtual instrument, PLC and industrial computer, industrial control board , based on the combination of PLC and industrial personal computer , hot oil pump condition monitoring system is designed. Key words: Hot oil pump, Typical failure, Sensors, Condition monitoring, PLC 3 目 录 1 概论1 1.1 目的、意义及重要地位 1 1.2 应用和发展方向 2 2 热油泵典型故障与特征表现3 2.1 热油泵的典型结构工作原理 4 2.2 热油泵异常振动的类型及原因 6 2.3 热油泵异常振动机理和特征 .9 2.3.1 不平衡 .10 2.3.2 不对中 .12 2.4 热油泵其他常见典型故障 12 2.4.1 汽蚀13 2.4.2 轴承发热14 2.4.3 泵严重泄漏14 2.4.4 流量不足16 2.4.5 泵不排液或排液中断17 2.5 常用传感器 17 2.5.1 压电式加速度传感器 .18 2.5.2 电涡流式位移传感器 .19 2.5.3 热电偶温度传感器 .20 2.5.4 磁平衡霍尔式传感器 .21 2.5.5 光电式转速传感器 .22 2.5.6 压力传感器 .23 2.5.7 涡轮流量计24 3 热油泵典型振动信号分析及诊断方法.25 3.1 振动信号的时域分析 26 4 3.1.1 波形分析 .27 3.1.2 示性指标 .28 3.2 振动信号的频域分析 30 3.2.1 离散傅里叶变换 .31 3.2.2 快速傅里叶变换 .33 3.3 振动信号的幅值域分析 33 3.3.1 均方根诊断 .34 3.3.2 概率密度函数诊断 .35 4 热油泵状态监测系统设计.36 4.1 常用计算机控制系统 36 4.1.1 基于 plc 和工控机的控制系统 .38 4.1.2 基于 PC 总线的板卡和工控机的控制系统.40 4.1.3 分布式控制系统（DCS） 42 4.1.4 嵌入式系统44 4.1.5 虚拟仪器47 4.2 基于 plc 和工控机的热油泵状态监测系统设计.47 4.2.1 系统硬件部分48 4.2.2 系统软件部分52 5 5 结论结论5555 谢谢 辞辞 5656 参考文献参考文献 5757 1 1 概论 1.1 目的、意义及 自 20 世纪 60 年代以来，随着科技的不断进步和发展，尤其是计算机技 术、网络技术和信息技术的迅速发展和普及，工况监测与故障诊断技术已在 工业界得到推广与应用，并逐步形成一门较为完整的新兴的边缘性综合工程 学科。该学科以设备的管理、状态监测和故障诊断为内容，以建立新的维修 体制为目标，在世界范围内以不同形式获得推广，成为国际上一大热门学科。 任何一个机械设备，工作中由于疲劳损伤、磨损、腐蚀以及操作不当均 会产生故障。这些故障会使机械不能正常工作，造成严重的经济损失。以石 油炼化企业为例，机械设备日趋大型化、连续化、机电一体化和自动化，其 性能与复杂程度不断提高。一旦形成故障，不仅会造成巨大的经济损失，而 且会带来严重的社会危害。机械设备故障诊断技术的重要意义就在于它为机 械设备传统维修制度的改革奠定了基础，可使合理的预知维修制度代替传统 的定时维修制度，从而减少事故的发生率，降低维修费用，确保机械设备安 全运行。在各工程领域中应用这一技术，必将产生巨大的社会效益。 1.2 应用和发展方向 目前，各种以计算机为主题的自动化诊断系统问世并投入了使用，反应 当前故障诊断技术发展主要有这样几个方向：诊断装置系统化、智能化专家 系统、机电液一体化的故障诊断技术、多元信息融合技术。 诊断装置系统化。为实现真诊断自动化，把分散的故障诊断装置系统化， 与电子计算机相结合，实现状态信号采集、特征提取、状态识别自动化，能 2 以显示、打印绘图等各种方式自动输出机器故障的诊断报告。目前，虚拟仪 器技术的开发为诊断装置的系统化提供了非常有利的条件。 智能化专家系统。机械设备故障诊断的专家系统是一种拥有人工智能的 计算机系统，他不但具有系统诊断的全部功能，而且还将许多专家的经验智 慧和思想方法同计算机巨大的存储、运算和分析能力相结合，组成共享的知 识库。利用人工神经网络、遗传算法及专家系统组成的智能化专家系统是故 障专断专家系统的高级形式，是故障诊断发展的必然趋势。 机电液一体化的故障诊断技术。在科技高度发展的今天，先进机械不再 是一个简单的机械物理运动的载体，而是一个集机械、电子、计算机、液压 等于一体的大型复杂机械。由于现代化大型复杂机械高昂的研制代价以及发 生故障后灾难性的后果，其可靠行的要求非常严格，但严重事故仍然时常发 生。因此，集机电液一体化的故障诊断技术受到了机械领域科研人员的高度 重视，并得到了迅速发展。 多元信息融合技术。近年来迅速发展起来的多元信息融合技术，是研究 对多源不确定性信息进行综合处理及利用的理论方法。信息融合技术的发展 和应用，使基于多传感器或多方法综合的故障诊断技术具备了系统化的理论 基础和智能化的实现手段。以传感器技术和现代信号处理技术为基础，以信 息融合技术为核心的智能诊断技术代表了当今故障诊断技术的发展方向。 2 热油泵的典型故障与特征表现 3 热油泵作为一种理想的热载体循环设备，在我国载热体加热系统中得到 了广泛的应用，已经进入石油、化工、橡胶、塑料、制药、纺织、印染、筑 路、食品等各个工业领域。由于热油泵的传输介质均为温度较高的导热油， 或与导热油物理性质相似的石油产品，其最高传输介质的温度可高达 370， 加之连续运行时间长，因此经常会出现各类故障而影响正常使用。 热油泵是炼油化工生产中不可缺少的流体输送机械。在运行过程中出现 各种故障，如泵不能启动、不排液或排液中断，异常振动、噪音过大，轴承 发热，流量不足，泵严重泄漏、电机变频导致的流量波动等。及时发现微小 故障，分析故障产生原因、部位，并进行针对性的维修，保证泵具有长周期 运行的可靠性、高效性、低能耗等性能，对确保装置长期平稳运行有重要意 义。本章以大型 150Y 150 离心式油泵为例，介绍了离心泵的结构、工作原理， 并对热油泵运行过程中出现的典型故障如振动、汽蚀、轴承过热、不排液或 排液中断、气缚、流量不足以及泵联轴器电机组成的系统故障进行分析，加 以归类总结。 2.1 离心泵的典型结构及工作原理 离心泵的主要部件有吸入室、叶轮、蜗壳、轴、轴向推力平衡装置和密 封装置等。结构图见图 2-1。 4 1-吸入室，2-叶轮，3-泵体，4-取压阀，5-放气阀，6-机械密封，7-泵盖， 8-泵轴，9-挡水圈，10-Y 系列电动机 图 2-1 离心泵结构图 2.1.1 泵壳 泵壳是离心泵的主要部件之一，泵壳内腔呈螺旋型液道 ，用于收集从叶 轮中甩出的液体，成为液体的流通通道，随着蜗壳通道逐渐扩大，也作为能 量转换装置 2.1.2 叶轮 图 2-2 离心泵叶轮类型 泵通过叶轮对液体做功。叶轮型式有闭式、半开式、开式三种，分别如 图 2-2 所示。闭式叶轮适合输送洁净液体，效率较高。半闭式叶轮可用于输 送浆液或含网体悬浮物的液体，效率较低。开式叶轮适合输送含有网体颗粒 的液体悬浮物，效率最低。 2.1.3 轴和轴封装置 轴是传递转矩的主要部件。中小型泵多采用水平轴，叶轮间距离用轴套 定位。大型泵则采用阶梯轴，不等孔径的叶轮用热套法装在轴上，并利用剪 开线花键代替过去的断键。轴封装置一方面防止高压液体从泵壳内沿轴的四 5 周而泄露，另一方面防止外界空气漏入泵壳内 2.1.4 离心泵的工作原理 离心泵运转前，泵内先灌满液体，原动机带动泵轴和叶轮旋转。液体随 叶轮作圆周运动在离心力的作用下自叶轮中心向外周抛出，液体从叶轮获 得压力能和动能。液体进入泵壳之后，由于蜗形泵壳中的流道不断扩大，流 速逐渐降低， 一部分动能转变为静压能，于是液体以较大压力抛出。同时， 叶轮中心处形成真空，贮槽液面上方压强比叶轮中心处高，吸入管处的液体 在压差作用下进入泵内。填补被排出液体的位置于是液体不断地被吸入， 并以一定的压力排出。只要叶轮不停止转动。液体就连续不断地吸入或排出。 离心泵如果在启动前为充满液体，则泵壳内存在空气。此时，在吸入口 出形成的真空不足以将液体吸入泵内，虽启动离心泵，但不能输送液体，造 成气缚，为便于使泵内充满液体，在吸入管底部安装带吸滤网的敌法，底阀 为止逆阀，滤网是为了防止固体物质进入泵内而损坏叶轮的叶片或妨碍泵的 正常操作。 2.2 热油泵系统异常振动的类型及原因 热油泵转子系统在正常运转过程中所发生的磨损、腐蚀、变形或者负荷 过大等，都属于一次性故障类型，这类一次性故障一般都是二次性故障的原 因。当热油泵系统处于二次性故障产生之前的状态时，一次性故障通常是伴 随着振动的变化而出现的，而且这种状态下的振动，是一种不平衡、不对中、 扭矩传递以及轴承特性有关的振动，而引起振动的这些原因的发生往往又是 6 由于材料。结构、加工、装配或运转操作不当等原因而造成的。因此可以认 为，热油泵系统的故障与异常振动密切相关。 2.2.1 热油泵异常振动的类型 热油泵系统的故障大多是以各种形式的异常振动表现出来的，表 2-1 是 热油泵系统具有代表性的异常振动类型及振动现象的特征。 如果把热油泵系统的异常振动按其产生的形态来分，则一般可分为两类， 一类是强制振动与共振现象，而另一类是自激振动与不稳定现象。 在振动系统中当受到外部周期变化的强制外力时，由该外力引起的异常 振动，称为强制振动。如果当强制振动的频率和振动系统的固有振动频率一 致时，则所产生的相当激烈的振动现象叫做共振。此类振动是由于不平衡产 生的离心力，作为一种外力作用于旋转体上而引起的。 所谓自激振动是指因振动系统的固有频率所引起的明显振动现象。这类 振动的频率数与旋转速度和外力时无关的，与强制振动相比较，其发生的次 数并不多，主要发生在长跨度的高速旋转体上。一般来说，这种异常振动的 再现性差，每次都会由不同的数据，其振动波形也不像强制振动那样正规， 这就是常说的不稳定现象。油膜振荡、高频振动以及干性摩擦振动等是自激 振动的典型例子。 为了便于分析热油泵系统振动机理，现将强制振动和自激振动的特征归 纳于表 2-2。 表 2-1 热油泵系统的异常振动类型及其特征 主要异常振 动原因 异常振动的特征 7 表 2-2 强迫振动和自激振动的特征 不平衡 由于旋转体轴心周围的质量分布不均，振动频率一般与旋转频 率相同 不对中 当两根旋转轴用联轴节联接有偏移时，振动频率一般为旋转频 率或高频 轴弯曲 因旋转轴自身的弯曲变形而引起的振动，一般发生旋转频率的 高次成分 松动 因基础螺栓松动或轴承磨损而引起的振动，一般发生旋转频率 的高次成分 压力脉动 发生在水泵风机的压力发生机构和叶轮中，每当流体通过涡轮 旋壳体时发生压力变动，如压力发生机构产生异常时，则压力脉 动发生变化 空穴作用 在流体机械中，由于局部压力下降而产生气泡，到达高压部分 时气泡破裂，通常会发生随机的高频振动和噪声 流体振动 在流体机械中，由于压力发生机构和密封件的异常而发生的一 种涡流，也会产生随机的高频振动和噪声 比较项 目 强迫振动自激振动 典型例 子 不平衡、不同轴、非线性振 动和周期变化的强制力引起的 振动 润滑油起泡、干性摩擦振动、 中空轴内进入流体、高频振动、 蠕动以及随机振动 定性的 特征 振动和曲线的再现性好；振 动的连续性好；为了抑制振动， 需要较大的力；抑振动便立即 恢复正常振动的过渡状态期短 振动的再现性差，每次数据不 同；状态不正常，振动缓慢的增 减；加上微小的力即可抑制振动； 在相当快的转速范围内，保持振 幅不变的振动 8 2.2.2 热油泵系统异常振动原因 由于同轴度偏差大、对中不良、地脚螺栓松动，各零件间隙不当导致发 生摩擦/管道附加应力作用、操作工艺波动、抽空等因素，使离心泵振动和噪 音。离心泵的振动原因较多，常见的有热油泵不平衡、不对中，轴承缺陷、 结构共振，汽蚀、转速失稳及轴瓦破碎，轴承损坏及机组共振，其中由转子 不平衡不对中引起的故障约占 80%。 转子不平衡是由于转子部件质量偏心或热油泵部件出现缺损引起的故障。 不平衡包括单一的力不平衡、单一的力偶不平衡和动不平衡。最常见的是单 一的力不平衡，其频率特征是基频占主导，相位稳定，基频幅值大于等于幅 值的 80%，且与转速平方成正比增大，通常水平方向的幅值大于竖直方向的 幅值，一般不会超出 2 倍。轴承不对中的频谱特征是会产生基频 2 倍频且振 频率与 转速的 关系 振动频率与旋转频率相同或 为其 n 倍、1/n 倍 （n=1、2、3） 频率与转速无关，基本固定 振幅与 转速的 关系 在某一固定转速下振幅出现 峰值，多以危险速度及其 n 倍 来表示 在某转速下振幅突然增大，随 后即使增大或减小转速，振幅也 不减小 振幅与 异常程 度的关 系 振幅的大小随异常的程度而 变，异常大则振幅增大，异常 小则振幅变小 振幅值一定，振幅的大小与异 常程度无关 发生的 频率 为旋转频率货为其 n 倍、 1/n 倍，或为自然振动频率 为旋转轴的自然振动频率 减振器 的效果 加减振器可使峰值减小，对 于出现峰值的转速无影响 加减振器可使造成振幅剧增的 转速提高，加大后振幅值不变 防止振 动的方 法 使运行转速在危险速度的范 围以外；如必须在危险转速范 围内运转时，则可利用减振器 减小危险速度下的振幅；尽可 能地减小强制外力 将运行转速限制在发生自激振 动的转速以下；或利用减振器使 发生自激振动的转速提高；尽可 能地减小不稳定的主要因素 9 动以轴向为主，因此对离心泵进行频谱分析时，要结合典型故障及特征频率， 从中识别出各种故障。 2.3 热油泵异常振动机理和特征 一般来说，热油泵的异常振动多数是在低频范围内产生的振动现象，也 可见到少数高频振动的异常现象。所以，引起异常振动的主要原因是：不平 衡、不对中、松动等。下面逐一叙述各种原因。 2.3.1 不平衡 经验表明，最简单而又最主要的振动起因就是不平衡。有关统计资料表 明，不平衡所造成的振动，约占热油泵系统振动原因的 30%。 转子不平衡故障包括：转子质量不平衡、转子初始弯曲、转子热态不平 衡、转子部件脱落、转子部件结垢、联轴器不平衡等，不同原因引起的热不 平衡故障规律相近，但也各有特点。 由转子质量中心和旋转中心之间的物理差异所引起的不平衡一般可分为 以下三种形式： （1）静不平衡 指不平衡力作用在一个方向上的不平衡，其“重点”只存在于一个平面 内。存在静不平衡的热油泵旋转时，产生一个周期作用的离心力，使其形成 一阶的振动。当轴的转速为时，其振动频率为：n/ minr() r fHz /60 r fn 不平衡位于热油泵的中部，在这种情况下，只要在不平衡沿径向的反方 向上加上一个配重就可以消除不平衡。注意静不平衡的主惯性轴平行于旋转 轴。 10 （2）偶不平衡 指不平衡力作用在转子相对的两侧面上的不平衡，其“重点”存在于两个 平面内。当热油泵转动时，由每一侧的不平衡中粮产生相反的离心力，将使 热油泵产生振动。 （3）动不平衡 转子部分既有静不平衡又有偶不平衡，是属于多个平面内有不平衡情况， 也是最常见的衡平衡形式。偶不平衡与动不平衡的每个平面的不平衡随机发 的横向振动与静不平衡是一样的，知识在各个平面上产生的振动相位和幅值 大小有差异，而其频率都等于轴频。 r f 2.3.2 不对中 转子系统的另一个重要振源是不对中。所谓转轴不对中，是指用联轴节 链接起来的两根轴的中心线存在偏差，如产生轴线平行偏移，轴线成角度偏 移或者是两者的组合偏差。转子不对中可分为联轴器不对中和轴承不对中， 联轴器不对中又可分为平行不对中，偏角不对中和平行偏角不对中三种情况。 对中性包括静止状态下的冷对中和运转状态下的热对中。因此，影响对 中性的因素有：联接到机组的管道系统；支座与基础；机架；应对中的各轴 之间的热关系等。 不对中的作用就像转子上有一个不定向的预载，容易引起轴向振动。当 不对中性不严重时，其振动的频率成份为旋转基本频率；如不对中性严重 r f 时，则产生旋转基本频率的高次成分，如。2,3 rr ff 有关研究指出如果在二阶运转频率上的振幅是运转频率上振幅的 3075% 11 时，此不对中可被联轴节承受相当长的时间；当二阶频率上的振幅是运转频 率振幅的 75150%时，则某一联轴节可能会发生故障，应加强其状态监测； 当二阶运转频率振幅超过运转频率振幅 150%时，不对中会对联轴节产生严 重作用，联轴节可能已产生加速磨损和极限故障。 引起转子不对中故障的原因有： （1）初始安装对中超差； （2）冷态对中时没有正确估计各个转子中心线的热态升高量，工作时出 现主动转子与从动转子动态对中不良； （3）轴承架热膨胀不均匀； （4）管道力作用； （5） 机壳变形或移位； （6）地基不均匀下沉； （7）基础变形； （8）转子弯曲，同时产生不平衡和不对中故障。 当转子存在不对中故障时，不仅机器振动加大，还会发生轴承偏磨，联 轴节过渡发热，齿式联轴节齿面磨损，与半联轴节配合的轴端键槽产生裂纹， 膜片联轴节疲劳损坏。 2.4 热油泵其他常见典型故障 离心泵故障按其产生原因可分为泵本身的机械故障、泵和管道系统组成 的工艺系统存在的缺陷导致泵出现振动、噪音等故障。后者故障原因较隐蔽， 不易查明。 运行过程中机械故障包括电机变速引起的振动，泵轴不对中、密封破坏、 12 轴向推力过大、轴承温度太高等。轴承温度太高会引起轴承滚道严重点蚀、 磨损加快，轴承间隙不断增大又反过来引起泵剧烈振动，形成恶性循环，直 至泵出现严重故障。轴承温度异常升高的主要原因有润滑不良、冷却不够。 其次，泵应在额定流量下或接近额定流量下运行，但在实际生产工艺中， 由于种种原困，经常有部分机泵在低于最高效率的小流量下运行，若时间短， 则不会产生大问题，但是如果长时间小流量运行，就会引起噪音、振动、轴 弯曲，泵内输送的液体温度上升和喘振等一系列的问题。 此外，热油泵及管线系统的缺陷会导致泵发生汽蚀。常见原的因有安装 高度不合理、吸入管路的阻力损失太大、泵选型不当、工作点不合理等。但 在复杂系统中，工艺参数的极端变化也会导致泵的汽蚀，如输送液体温度过 高、吸入压力变化引起的汽蚀。 2.4.1 泵的汽蚀 常见的引起泵汽蚀的因素主要有泵的安装高度不合理、吸人管路的阻力 损失太大或泵选型不适当、工作点不合理等。但在复杂的工艺系统中，一台 原本选型正确、工作稳定的离心泵也会因为工艺参数的极端变化发生汽蚀。 2.4.1.1 吸入压力变化引发汽蚀 从泵的吸人液面到叶轮流道低压区列伯努利方程，可以看到当吸人液面 上的压力减小时，叶轮人口的压力就降低，反之则上升。也就是说泵的抗汽 蚀能力随液面压力增大而提高，随液面压力减小而降低。 2.4.1.2 液体温度变化引发汽蚀 在泵送液体温度升高时，液体的饱和蒸汽压随之上升，从而越接近泵叶 轮人口处的实际压力，汽蚀也就越易发生。 13 总之，在离心泵的检修工作中，除了对泵可能存在的机械故障进行检查 外，应把泵放在整个工艺系统中通过分析整个工艺系统的变化(尤其开停车过 程等)来查找导致设备故障的原因。 2.4.2 轴承发热 热油泵作为转子系统，长时间高速运作，不可避免造成轴承发热，工程 实际运行表明，轴承发热的主要原因为轴承本身精度很差，轴承工作面配合 精度很差，轴承环境温度所致。 滚动轴承发热的原因及其排除方法如下： （1）原因:轴承精度低；方法:选用规定精度等级的轴承。 （2）原因:主轴弯曲或箱体孔不同心；方法:修复主轴或箱体。 （3）原因:皮带过紧；方法:调整皮带使松紧适当。 （4）原因:润滑不良；方法:选用规定牌号的润滑材料并适当清洁。 （5）原因:装配质量低；方法:提高装配质量。 （6）原因:轴承内外壳跑圈；方法：更换轴承及相关磨损部件。 （7）原因：轴向力太大；方法：清洗、调正密封口环间隙要求 0.20.3mm 之间,更正叶轮平衡孔直径及校验静平衡值。 （8）原因：轴承损坏；方法：更换轴承。 2.4.3 泵严重泄漏 2.4.3.1 机械密封 机械密封是一种要求较高的精密部件，对设计、机械加工、装配质量都 有很高的要求，所以在密封要求较高的泵生产中得到了广泛应用。工程实际 表明机械密封是离心泵油泵泄漏的主要原因，机械密封结构如图 2-3 所示， 14 泄漏原因如下： （1）轴套与轴间的密封不良造成泄露； （2）动环与轴套间的密封不良造成泄露； （3）动、静环间密封不良造成泄露； （4）静环与静环座间的密封不良造成泄露； （5）密封端盖与泵体间的密封不良造成泄露； 图 2-3 机械密封的结构示意图 2.4.3.2 正常运转中突然泄漏 离心泵在运转中突然泄漏少数是因正常磨损或已达到使用寿命，而大多数 是由于工况变化较大或操作、维护不当引起的。具体原因如下： （1）抽空、气蚀或较长时间憋压，导致密封破坏； （2）对泵实际输出量偏小，大量介质泵内循环，热量积聚，引起介质气 化，导致密封失效； （3）回流量偏大，导致吸人管侧容器（塔、釜、罐等）底部沉渣泛起， 损坏密封； 15 （4）对较长时间停运，重新起动时没有手动盘车，摩擦副因粘连而扯坏 密封面； （5）介质中腐蚀性、聚合性、结胶性物质增多； （6）环境温度急剧变化； （7）工况频繁变化或调整； （8）突然停电或故障停机等。 2.4.4 流量不足 应在额定流量下或接近额定流量下运行，但在实际生产工艺中，由于系 统静扬程增加、壳体和叶轮耐磨环磨损、泵叶轮堵塞、腐蚀、其它部位漏液 等原困，经常有部分机泵在低于最高效率的小流量下运行，若时间短，则不 会产生大问题，但是如果长时间小流量运行，就会引起噪音、振动、轴弯曲， 泵内输送的液体温度上升和喘振等一系列的问题。 2.4.4.1 泵的温度上升 泵所消耗的功率及其所发出的水力功率之间的差值，就是损失功率。这 部分损失除机械摩擦损耗很少量外，其它都转变为热能，并传递给泵输送的 介质，引起泵的温度上升。泵在封闭运转时的损失功率，就等于封闭轴功率， 而且由于完全没有介质流过泵，所以全部功率都转变为热能，并给泵壳内的 少量流体进行加热，泵的温度随之迅速上升，吸入的部分液体的蒸汽压将增 高，导致汽蚀的发生。 2.4.4.2 径向推力 单蜗壳泵在最高效率点运转时，作用在叶轮周围的压力几乎相等，但在 其它流量下则并非均等，径向具有反作用合力。长期在极小的流量下连续运 16 行轴弯曲挠度过大，轴套很快磨损，甚至闲疲劳而导致轴折断。轴的断裂 主要发生在远离原动机一侧的叶轮边缘，也即油泵轴头断裂、轴套经常磨损 的主要原因。 可以采取以下方法解决上述问题： （1）进行叶轮切割，如果泵的流量长期不增大时可采用该方法。 （2）使用变频技术。 2.4.5 泵不排液或排液中断 2.4.5.1 泵不排液 泵不排液原因及处理方法如下： （1）灌泵不足（或泵内气体未排完） 。处理方法是重新灌泵。 （2）泵转向不对。处理方法是检查旋转方向。 （3）泵转速太低。处理方法是检查转速，提高转速。 （4）滤网堵塞，底阀不灵。处理方法是检查滤网，消除杂物。 （5）吸上高度太高，或吸液槽出现真空。处理方法是减低吸上高度；检 查吸 液槽压力。 2.4.5.2 泵排液中断 泵排液原因及处理方法如下： （1）吸入管路漏气。处理方法是检查吸入侧管道连接处及填料函密封情 况。 （2）灌泵时吸入侧气体未排完。处理方法是要求重新灌泵。 （3）吸入侧突然被异物堵住。处理方法是停泵处理异物。 17 （4）吸入大量气体。处理方法是检查吸入口有否旋涡，淹没深度是否太 浅。 2.52.5 常用传感器常用传感器 2.5.1 压电式加速度传感器 2.5.1.1 工作原理 压电式加速度传感器是基于压电效应的惯性式传感器，它的敏感元件 由压电材料制成，压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测 量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电原理、加 速度传感器结构模型分别见图 2-4，2-5. 图 2-4 压电原理图 图 2-5 加速度传感器结构模型 某些晶体，当沿着一定的方向受到外力的作用的时候，其内部的晶格 会发生变化，产生极化现象，同时在晶体的两个表面上便产生了符号相反的 电荷；当外力去掉以后，就又恢复到原来的不带电状态；当作用力方向改变 时，所产生的电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大 小成正比，而力的大小与物体的运动加速度大小成正比：，上述现象Fma 称为正压电效应。反之，如对晶体施加一个交变电场，晶体本身将产生机械 变形，这称为逆压电效应，亦称电致伸缩效应。 2.5.1.2 特点 18 优点：频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、重量轻等。 缺点：某些压电材料需要防潮措施，而且输出的电流响应差，需要采用 高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。因此，许多压电加速度传感 器将电荷放大器做在统一壳体中，传感器输出电压信号，同时用重力加速度 作为加速度单位，故灵敏度单位为，通常为。g/mv g10 1000/mv g 2.5.2 电涡流式位移传感器 2.5.2.1 工作原理 电涡流式传感器是基于电磁学中的涡流效应工作的，主要用于动态非 接触测量。结构图见图 2-6。 图 2-6 电涡流传感器结构图 图 2-7 电涡流传感器原理图 如图 2-7 所示，由前置放大器的高频振荡器向传感器的头部线圈供给一 个高频电流，线圈所产生的交变磁场在具有铁磁性能的被测物体的表面就会 产生电涡流，由该电涡流所产生的磁场在方向上与传感器的磁场相反，因而 对传感器具有阻抗。当传感器与被测物体的表面间隙较小的时候，电涡流也 较强，阻抗较大，传感器最终的输出电压变小；当传感器与被测物体的表面 间隙变大的时候，电涡流会变弱，阻抗变小，传感器最终的输出电压变大。 19 涡流的强弱与间隙的大小成正比，因而，传感器的输出与振动位移成正比。 2.5.2.2 特点 优点：结构简单、安装方便，灵敏度较高、抗干扰能力较强，不受油污 等介质的影响。涡流式传感器对原始间隔要求不严格，因而调整方便。 2.5.2.3 应用 涡流传感器主要用于动态非接触式测量，测量范围随传感器的结构尺寸、 线圈匝数、激励电源频率等因素而异，测量范围约为，其中测量2.5 250mm 线性范围为，非线性小于 3%，用于动态非接触式测量，分辨率科达1.5mm 。1pm 2.5.3 热电偶温度传感器 2.5.3.1 工作原理 热电偶是基于热电效应的一种测温传感器，它是一个由两种不同材质的 导体组成的闭合回路。原理图见图 2-8. 两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热， 在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位的温 度及这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现。如果 精确测量这个电位差及不加温部位的环境温度，就可以知道准确知道加热点 的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称为热电偶。 20 图 2-8 热电偶工作原理图 2.5.3.2 特点 对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，热电偶的灵敏度大约在 之间。不同材质的热电偶适用于不同的温度范围，其灵敏度也各5 40/uv c 不相同。 优点：热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，可节约材料；测 温元件由极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。 缺点：灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置 放大器温度漂移的影响，不适合测量微小的温度变化。 2.5.4 磁平衡霍尔式传感器 2.5.4.1 工作原理 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的 电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔元件进行 检测。 磁平衡霍尔式传感器又可分为磁平衡霍尔式电流传感器、磁平衡霍尔 式电压传感器两种。一次电路产生的磁场通过一个二次线圈的电流所产生的 21 磁场进行补偿，使霍尔元件始终处于检测零磁通的条件下工作。由于测量电 流补偿了一次磁通，它能真实反映一次电感电流的波形，而且一次电路和测 量电路时完全绝缘的。磁平衡霍尔式传感器是闭环控制器，其输出方式都是 电流输出。 更具体的来说，磁平衡式霍尔电流传感器的工作原理是：一次电流 产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的二次电流通过二次线圈产生的磁 p I s I 通量相平衡。因此，二次电流精确反映出一次电流。 s I 磁平衡式霍尔电压传感器工作原理是：一次电压 Up 通过一次电阻 R1 转换为一次电流，产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的二次电流通 p I p I s I 过二次线圈所产生的磁通量相平衡。因此，二次电流精确反映出一次电压。 s I 2.5.5 光电式转速传感器 2.5.5.1 工作原理 光电开关是一种红外调制型非接触式光电传感器。具有线性度好、分辨 率高，使用简便等优点。产生的信号为数字脉冲信号，方便与控制系统接口。 当有被捡物体经过时，将光电开关发射器发射的光线反射到接收器，于是光 电开关产生开关信号。在本次设计中，在电动机转轴等间距地粘有 6 条反光 贴片，这样电机一周可产生 6 个脉冲信号。转速脉冲信号经过滤波、整形处 理，作为开关量信号输入 PLC 进行数据采集，用于转速测量、显示。原理图 见图 2-9. 22 图 2-9 转速测量原理框图 2.5.6 压力传感器 2.5.6.1 工作原理 液压传感器的工作原理是压力直接作用在传感器的膜片上，使膜片产生 与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻发生变化，和用电子线路检测 这一变化，并转换输出一个对应于这个压力的标准信号。 液体介质流过一体化传感器时，流体压力作用到安装在传感器壳体上的 不锈钢上，再经密封硅油传输到扩散硅膜片上，同时参考端的压力作用于膜 片的另一侧。这样在膜片的两侧加上的压差产生一个应力，使膜片的一侧受 压，另一侧受拉，一对应变片位于压缩区内，另一对应变片位于拉伸区内， 将两对应变片接成一个全动态电桥，以增大输出信号。该电桥采用恒流源供 电，以减小环境温度的影响。当压力改变时， 桥臂阻值发生变化引起输出电 压变化，经过差分归一化放大器放大转换后，再变换成相应的电流信号，该 电流经非线性矫正环路补偿后，即产生输入压力信号成近似线性关系的直流 的标准输出信号。4 20mA 2.5.7 涡轮流量计 2.5.7.1 工作原理 涡轮式流量计是一种速度式流量计，其结构主要由涡轮、导流器、壳体 和磁电式传感器等组成，涡轮转轴的轴承由固定在壳体上的导流器所支撑， 23 结构图见图 2-10。壳体由不导磁的不锈钢制成，涡轮为导磁的不锈钢，它通 常有片螺旋形叶片。4 8 图 2-10 涡轮流量计结构图 工作原理是置于流体中的叶轮旋转角速度与流体流速成正比，通过流速 求得流量。当流体通过流量计时，推动涡轮使其以一定的转速旋转，此转速 是液体流量的函数。而装在壳体外的非接触式磁电转速传感器输出脉冲信号 的频率与涡轮的转速成正比。因此，测定传感器的输出频率即可确定流体的 流量。 2.5.7.2特点 （1）准确度高、重复性好、线性好、测量范围宽； （2）输出脉冲信号、抗干扰能力强、无零点漂移、信号分辨能力强、便于 与计算机接口； （3）仪表表体可不开孔，适应于高压测量 （4）对流体的清洁度要求高，流体密度、温度、粘度影响测量结果。 （5）由于摩擦、磨损等问题，涡轮式流量计须定期校准。 24 3 热油泵典型振动信号分析及诊断方法 统计资料表明，由于振动而引起的设备故障，在各类故障中占 60%以上。 热油泵系统在运行过程中的振动及其特征信息是反应系统状态及其变化规律 的主要信号。通过各种动态测试仪器拾取、记录和分析动态信号，是进行系 统状态监测和故障诊断的主要途径。本章重点阐释了常用的振动信号的分析 方法与诊断方法。 利用振动检测和分析技术进行故障诊断的信息类型多，量值变化范围大， 而且是多维的，便于进行识别和决策。例如频率范围可以从 0.01 赫兹到几万 赫兹，加速度可以从 0.01g 到成百上千个 g，这就为诊断不同类型的故障提供 了基础。随着近代传感技术、电子技术、微处理技术和测试分析技术的发展， 国内外已制造了各种专门的振动诊断仪器系列，在设备状态监测中发挥了主 要作用。振动检测方法便于自动化、集成化和遥感化，便于在线诊断、工况 25 监测、工况监测、故障预报和控制，是一种无损检验方法，因而在工程实际 中得到广泛应用。 振动信号的分析方法，可按信号处理方式的不同分为幅域分析、时域分 析以及频域分析。信号的早期分析只在波形的幅值上进行，如计算波形的最 大值、最小值、平均值、有效值等，后又进而研究波形的幅值的概率分布。 在幅值上的各种处理通常称为幅域分析。信号波形是某种物理量随时间变化 的关系，研究信号在时间域内的变化或分布称为时域分析。频域分析是确定 信号的频域结构，即信号中包含哪些频率成分，分析的结果是以频率为自变 量的各种物理量的谱线或曲线。不同的分析方法是从不同的角度观察、分析 信号，使信号处理的结果更加丰富。 3.1 振动信号的时域分析 幅域分析尽管也是用样本时间的波形来计算，但他不关心数据产生的先 后顺序，将数据次序任意排序，所得结果一样。在这里提出的时域分析，主 要是指波形分析、轴心轨迹分析、相关分析和时序分析。 3.1.1 波形分析 时间波形是最原始的振动信息源。由传感器输出的振动信号一般都是时 间波形。对于具有明显特征的波形，可直接用来对设备故障作出初步判断。 例如，大约等距离的尖脉冲是冲击的特征，削波表示有摩擦，正弦波主要是 不平衡等。波形分析具有简洁、直观的特点，是波形分析法的一大优势。分 析波形有助于区分不同故障。一般来说，单纯的不平衡的振动波形基本上是 正弦式的；单纯不对中的振动波形比较稳定、光滑、重复性好；转子组件松 26 动及干摩擦产生的振动波形比较毛糙、不光滑、不稳定，还可能出现削波现 象；自激振动，如油膜涡动、油膜振荡等，振动波形比较杂乱，重复性差， 波动大。 图 3-1 不平衡的时域波形 图 3-1 所示的波形基本上为一正弦波，这是比较典型的不平衡故障；图 3-2 所示的波形在一个周期内，比转动频率高一倍的频率成分明显加大，即 一周波动两次，表示转轴存在不对中现象。 图 3-2 不对中的时域波形 3.1.2 示性指标 3.1.2.1 时域故障诊断的概率分析法 对于各态历经的随机过程可用其时间历程的概率分布来描述。图 3-3 示 出某一信号的时间历程及其概率密度函数 p(x),p(x)可由下列关系式计算： （3.1） 000 ( )1 ( )limlimlim x xxT TP xx txx p x xxT 27 图 3-3 信号及其概率密度函数 式中是在总的观测时间 T 中信号 x(t)位于区间内的所有时间 x T( ,)x xx 之和。图 3-4 为一高速滚动轴承工作是振动和加速度幅值的概率密度函数 p(x)图， 其中上图为正常轴承，虚线为某故障轴承的 p(x)图。由于磨损、腐蚀、压痕 等使振幅增大，谐波增多，反映到 p(x)图上使其变峭，两旁展宽。 图 3-4 滚动轴承振动信号的概率密度 3.1.2.2 作为故障诊断特征量的一些示性指标 峰值 max( )Xx t 平均幅值 0 1 ( ) T p Xx t dt T 均方根幅值 2 0 1 ( ) T RMS Xxt dt T 28 方根幅值 1 2 2 0 1 ( ) T r Xx tdt T 偏斜度指标（简称偏度） 3 3 ( )x p x dx 峭度指标（简称峭度） 4 4 ( )x p x dx 式中为系统中某特征点的振动响应，T 为采样时间；为的概率( )x t( )p x( )X t 密度函数。 （1）在旋转机械振动监测和故障诊断中，对波形复杂的振动信号，常常 采用其峰-峰值（双振幅） ，记为即最大峰值与其相邻的最低谷值之间的 pp x 幅值作为振动大小的特征量，称为振动的“通频幅值”。峰-峰值的提取十分方 便。 （2）利用系统中某些特征点的振动响应的均方根幅值作为故障诊断的判 断依据是最简单、最常用的方法。均方根值诊断法多适用作稳态振动的情况， 当机器振动不平稳，振动响应随时间变化时，可用振幅-时间图诊断法。该方 法在研究系统的过渡过程（开机和停机）中是有效的，根据曲线的变化可判 断系统的状态和故障。 （3）比值称为偏态函数（简称偏态） ，此处为标准偏差，偏差 3 3 x x 是概率密度函数不对称性程度的度量。比值或称为峰态函数（简 4 4 x 4 4 3 x 称峰态） ，是概率密度函数峭度程度的度量。对于正态分布来说，其偏态等于 零，对于一般的实际信号来说，偏态也接近于零。高阶偶次矩对信号中的冲 击特性较敏感，而峭度是不够敏感的低阶矩与较敏感的高阶矩之间的一个折 中特征量，他可以用作滚动轴承故障诊断用。如轴承圈出现裂纹，滚动元件 或滚珠轴承边缘剥裂等在时域波形中都可能引起相当大的脉冲，用峭度作为 29 故障诊断特征量是很有效的，但用于滑动轴承的故障诊断就不灵敏了。 （4）当时间信号中包含的信息不是来自一个零件或部件，而是属于多个 元件时，例如在多级齿轮的振动信号中往往包含有来自高速齿轮、低速齿轮 以及轴承等部件的信息，在这种情况下，可利用下列的一些无量纲示性指标 进行故障诊断或趋势分析。 波形因数 RMS p X K X 脉冲因数 p X I X 峰值因数 RMS X C X 裕度因数 r X L X 在选择上述各示性指标时，按其诊断能力由大到小顺序排列，大体上为 峰态因数裕度因数脉冲因数峰值因数波形因数。 3.2 振动信号的频域分析 信号的频域特性有着具体的物理意义。频率特性是信号的客观性质，在 很多情况下，它比时域分