毕业设计（论文）-钻机泥浆泵振动监测系统设计.doc

东北石油大学本科生毕业设计（论文）摘 要钻井泥浆泵是石油钻井生产中不可缺少的主要设备之一，泥浆泵的质量对钻井生产的速度、质量和成本都有很大影响，并且随着钻井工艺的发展，其影响会越来越大。泥浆泵的液力端都是采用标准单元结构，而动力端采用曲轴十字头结构。泥浆泵主要由泵壳、叶轮、前后端盖、曲轴、十字头等零部件组成。在对泥浆泵状态监控及故障诊断、信号分析等理论研究的基础上，提出了一种振动监测的方法。监测诊断系统是指采用传感器固定安装，把信号通过现场布线引到指定的地点，采用硬件(主要是测量仪表)进行简易诊断，然后通过软件系统(主要采用便携式系统)进行精密诊断，精密诊断系统根据需要选择何时诊断以及采用在线诊断或离线诊断。这样既可以方便现场工作人员进行常规性的检查，又可以深层次的诊断设备故障的原因、部位以及严重程度，进行深入分析，作出判断。本文通过对泥浆泵的一些主要零件进行强度校核、对泥浆泵机组进行振动监测试验与振动特征分析；并利用振动信号对泥浆泵模型进行信号监测和故障诊断分析，建立完整的泥浆泵振动监测系统。这样可以达到对设备运行状态“心中有数”，做到故障提前发现、及时维修、“防患于未然”。最大程度上提高了设备运行的可行性，提高钻机泥浆泵的效率，给企业带来极大的经济效益和社会效益。关键词：泥浆泵；监测；故障分析；振动测试39AbstractDrilling mud is one of the indispensable to the production of oil drilling main equipment, the quality of the drilling mud pump to the rate of production, quality and cost have great influence, and with the drilling process of development, its impact will grow. The mud pump hydraulic end are using standard unit structure，And the crankshaft crosshead with power structure. Mud mainly by the pump casing, impeller, front and rear cover, crankshaft, crosshead and other component parts.In the mud pump condition monitoring and fault diagnosis, signal analysis based on the study of the theory, proposed a method of vibration monitoring. Monitoring and diagnosis system is the use of sensors fixed installation, Cited by routing the signal to the specified site location, the use of hardware (mainly measuring instruments) for simple diagnosis, then the software system (mainly portable system) for precision diagnosis, precision diagnosis system according to need to choose when to diagnosis and diagnosed online or offline the diagnosis. This can not only convenient field staff for regular check, but also deep-seated causes of diagnostic equipment, location and severity, depth analysis to make judgments.This article through to the mud pump some of the key parts of the mud pump intensity, the vibration monitoring and analysis of characteristics of the vibration characteristics test; And the use of vibration signals of mud model signal monitoring and fault diagnosis, Establish a complete mud pump vibration monitoring system. This can be achieved for devices running a pretty good idea. Do fault to find out, timely maintenance, to nip in the bud. The biggest increases on the degree of the equipment operation feasibility, Improve the efficiency of mud pump rig, Bring great economic benefits to the enterprise and social benefits. Keywords: Mud pump; Monitoring; Failure analysis; Vibration test目 录第1章 绪 论11.1 研究的目的和背景11.2 泥浆泵国内外发展情况11.3 泥浆泵监测系统的故障诊断现状21.4 论文结构图3第2章 钻机泥浆泵主要零件选择及强度的计算42.1 机架42.2 泵体42.3 连杆十字头连接处销子强度的计算42.4 V带传动的计算62.5 轴承的选择82.6 泥浆泵电动机的选择10第3章 泥浆泵机组振动试验监测与振动特征分析133.1 常见故障及改进措施133.2 泥浆泵机组智能故障诊断系统133.3 机组工况及振动信号测试方案153.4 机身表面振动的振源初步分析163.5 机组振动频谱分析16第4章 泥浆泵振动监测系统设计234.1 泥浆泵的工作原理234.2 泥浆泵在线状态监测方案设计234.3 系统模块与监测参数254.4 泥浆泵状态监测图解264.5传感器的安装和使用274.6振动监测系统界面图28结 论29参考文献30致 谢32第1章 绪 论1.1 研究的目的和背景随着科学技术的迅猛发展，现代工业生产中的机械设备正朝着大型化、复杂化、高速化、自动化及大功率方向发展。由于设备中不同部分之间的相互联系、耦合程度更加紧密，一个部分出现故障，将引起整个生产流程中断，现代化的生产设备在提高生产效率的同时也大幅度的增加了设备的维修费用。设备振动监测技术是目前国内外一项发展迅速、备受欢迎的重要技术。它是安全经济运行的需要，设备的状态监测与故障诊断越来越得到重视。因而研究设备振动监测系统是很有意义的。钻机泥浆泵是钻探机械设备的重要组成部分，对其振动监测也极其重要。泥浆泵分单作用及双作用两种形式，单作用式在活塞往复运动的一个循环中仅完成一次吸排浆动作。而双作用式每往复一次完成两次吸排浆动作。由于泵轴与电机不同心、叶轮不平衡、轴承损坏等原因泥浆泵会发生振动，出现故障。机械设备在运行过程中的振动及其特征是反映系统状态及其变化规律的主要参数之一，因此针对钻机泥浆泵进行振动监测系统设计1。结合钻机泥浆泵的结构特点和整体振动工况条件，进行泵体整体振动和噪音分析，对故障多发部位或部件进行专门研究，并对经典的故障类型进行详细的分析，最终设计建立泥浆泵模型的振动测试系统。1.2 泥浆泵国内外发展情况我国的泥浆泵是从上世纪60年代才开始由引进美国技术发展起来的，目前也是随着世界的先进技术的发展而发展。根据2008年统计，中国拥有钻机1000余台，占世界钻机的32%，其中中石油集团公司拥有702台。因此，中石油集团公司的钻机情况基本反映了国内钻机的现状。国内生产钻井泵的企业主要有：宝鸡石油机械有限公司、兰州兰石国民油井石油工程有限公司。在中国石油集团公司拥有的702台钻机中，4000m以下的钻机占总量的80%。平均新度系数仅为0.4，其中48%的钻机新度系数小于0.3,有500台左右的钻机服役10年以上，待更新。在“十五”期间，中石油集团公司投人巨资更新钻机，随之配套的钻井泵相应也需要更新。在2000年统计，中国石油集团公司年累计完成井数为7165口，进尺为10908km，其中井深小于4000 m 的井数和进尺分别为7056口和10383km，所占比例分别为98.5%和95.2%。从以上分析数据可知，在用钻机主要为4000m以下钻机。国外泵业发展迅速，高科技的发展和应用起了致关重要的作用，如CAD/CAM技术的应用，推动了泵的设计多样化，生产朝多品种、小批量方向发展。制造技术的提高给泵业的发展注入了新的力量，由合成纤维、陶瓷及聚四氟乙烯等材料制成的低摩擦压缩填料和石棉填料相比，在多方面显出了优势，显示了新的生命力2。1.3 泥浆泵监测系统的故障诊断现状柱塞式泥浆泵是油田广泛使用的一种往复式机械，对维持油田正常生产具有重要作用。80 年代以来，我国广大科技工作者在旋转机械的状态监测和故障诊断方面做了大量工作，取得了许多成果。但在往复机械方面，则由于各种原因而相对落后。科技工作者经过大量实验，发现了柱塞式泥浆泵泵的几个重要故障特征频段，掌握了一些常见故障与这些特征频段的关系，并发现泥浆泵泵故障严重程度与频段内的能量大小有密切关系。在此基础上开发研制的故障诊断系统，基本上能比较准确地判断柱塞式泥浆泵泵的故障。该系统由专门研制的数据采集器、软件和笔记本式计算机组成，操作简单，便于现场使用。泥浆泵是在钻探过程中，向钻孔输送泥浆或水等冲洗液的机械。泥浆泵泵一旦发生故障,常造成甚至高达数十万元的经济损失和严重的社会危害川。应用故障诊断技术,可以方便地判断出故障原因,随后采取解决措施。所谓采油设备故障诊断技术,是针对油田泥浆泵机组在其状态监测、故障诊断及维修决策管理等方面存在的诸多缺陷,研制开发出的集数据采集、信号处理、专家系统为一体的技术。专家系统,是一种以知识为基础的、智能化的计算机软件系统,它将领域专家的知识、经验加以总结,形成规则,存人计算机建立知识库。采用合适的控制策略,按输人的原始数据进行推理、演绎,做出判断和决策,因此能起到领域专家的作用。近年来,专家系统在很多方面都有广泛的应用,尤其是在故障诊断方面,更是有了极大的发展。在国内,专家系统主要应用在诊断型的专家系统方面,而且主要在大型石化、石油企业中。其中专门针对油田关键设备泥浆泵泵的专家系统的开发,也有一些发展和应用。但是,目前大部分专门针对泥浆泵的诊断系统,很多都处于实验室研究阶段,极少有直接应用于实际生产的。并且,即使是应用于现场油田的一些诊断系统,其操作人员必须具有一定的相关知识背景,而且还需长时间的培训,方能熟练操作。这些都给实际应用带来了极大的不便。本文所研究的泥浆泵振动监测系统,根据泥浆泵机组的特点,开发了专门针对泥浆泵的小型专用知识库,并利用正反向棍合推理机制,提高了诊断效率。根据采集到的各类数据,自动完成诊断过程,以图形或汉字显示出诊断结果。故障特征提取、诊断均自动完成并将诊断结果层次化,分级别显示。现场应用取得了良好的效果3。1.4 论文结构图论文整体结构图如图1-1所示：绪 论泥浆泵主要零件的选择和强度计算泥浆泵机组振动试验监测与特征分析泥浆泵振动监测系统设计监测参数系统功能泥 浆 泵 状 态 监 测 图 传 感 器 的安 装 使 用泥浆泵振动监测系统设计结论图1-1论文整体结构第2章 钻机泥浆泵主要零件选择及强度的计算泥浆泵零件强度的计算是按皮带传动，电机功率5.5Kw，泵的额定压力 ，流量，柱塞来进行的4。2.1 机架机架是由8#槽钢、平垫板、撑管、加固筋等结构件焊接而成。2.2 泵体泵体可实现吸、排水泥浆功能。泵体由主轴、偏心套、连杆、滑套、十子头、活塞销等组成。泵头由拉杆、柱塞、浆缸、阀座、阀盖、球阀、进浆室、排浆室、进浆胶管接头、空气室等组成。行星轴和主轴均安有圆锥滚子轴承，既能承受向心力又能承受斜齿轮产生的轴向分力，有较高的抗弯强度。柱塞和拉杆都采用两道C形滑环组合密封，能承受高压，高温度250，低温-100，耐磨，自润滑，适用于水、水泥浆、砂浆、矿物油、酸、碱等各类介质。柱塞通过一套冷却装置降低温升，只需要把胶皮水管一端接近直通管接头，冷却水即可进入冷却水管，冷却拉杆、柱塞。泵的进口为，设置在进浆室的右侧、内孔为，有胶管一端接进浆胶管接头，另一端接水泥浆搅拌桶出口。搅拌机的出浆口必须高于或等于进浆胶管接头孔的高度，使浆涂顺利的被泵吸入5。泵的出口为，纤维编织两层高压胶管制25mm，接排浆室胶管接头。2.3 连杆十字头连接处销子强度的计算销的类型可根据工作要求选定，用于联结的销，其直径可根据联结的结构特点按经验确定，必要时再作强度较核。 定位销通常不受载荷或只受很小的载荷，数目不能少于两个。销在每一个被联结的件内的长度约为销直径的1-2倍，定位销的材料通常选35、45钢，并进行硬化处理，根据工作需要也可以选用30CrMnSiA、1Cr13、2Cr13、H62和1Cr18Ni9Ti等材料；弹性圆柱销多采用65Mn，其槽口位置不应装在销子受压的一面，要在装配图上表示出槽口的方向。设计安全销时，应考虑销剪断后要不易飞出和要易于更换。安全销的材料可选用35、45、50钢或T8A、T10A等，热处理后硬度为30-36HRC；销套材料可选45钢、35SiMn、40Cr等，热处理后的硬度为40-50HRC。安全销的直径应按销的抗剪强度b进行计算，一般可取b 。 （2-1）根据本设计的实际情况，选择45钢d=16mm的圆柱销。材料：45号钢 (1)外加负荷(2)各支点反力,解得：(3)各支点弯矩如图2.1(4)按弯曲强度计算从图2.1的弯矩图可知危险短面为C处截面，截面C处的抗弯摸量W图2-1 弯矩图截面C处的弯曲应力安全系数n安全（5）按剪切强度计算由于此销为双剪切故剪力剪应力安全系数 （2-2）安全式中：许用剪应力 ； （6）按挤压强度计算挤压应力安全系数 （2-3） 安全式中：挤压剪应力 。 综上所叙连杆小头销子直径为16mm满足强度要求6。2.4 V带传动的计算带传动是由固联于主动轴上的带轮、固联于从动轴上的带轮和紧套在两轮上的传动带组成的。当原动机驱动主动轮转动时，由于带和带轮间的摩擦（或啮合），便拖动从动轮一起转动，并传动一定动力。带传动具有结构简单、传动平稳、造价低廉以及缓冲吸振等特点，所以此次设计中选用了带传动。 在带传动中，常用的有平带传动，V带传动，多楔带传动和同步带传动等。在一般机械中，应用最广的是带传动。V带传动较其它带传动能产生更大的摩擦力。这是V带传动的主要优点。因此，我选用了V带传动。(1)计算功率(2)胶带型号的选择根据及(3)传动比为； (4)小带轮直径D1的确定 查表得(5)大带轮直径D2的计算 （2-4） 其中，小带轮直径； 传动比； 弹性滑动率。 查表得，大带轮直径为266mm。(6)带速V速度在525的范围内，合适(7) 初定轴间距取(8)初算胶带基准长度L0选取基准长度(9) 实际中心距a(10)小带轮包角1(11)单根胶带传递的功率根据 查得 (12)单根胶带传递功率的增量根据 查得 (13)胶带根数 （2-5）=2.96取Z=3式中包角系数； 长度系数。 (14)单根胶带的预紧力 =500（）+0.1=146.05N(15)带轮的结构和尺寸a.小带轮的结构尺寸确定由所选电机的类型，Y132S-4型三向异步电动机。起轴伸直径d=38mm，长度L=88mm，故小带轮轴孔的直径应取=38mm，毂长应小于88mm。由表14-18查得，小带轮应为实心轴。轮槽尺寸及轮宽应按表14-16计算，可得=11mm，=3mm，=11mm，e=15mm，=10mm，=6mm。=80mm。取。b.大带轮的结构尺寸确定7根据小带轮尺寸的选定，以及以上关于带轮传动的计算和减速器的结构尺寸，可得，=14mm，=3mm，=15mm，e=19mm，=12mm，=7.5mm。=120mm。取2.5 轴承的选择滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一，它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的。与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力小，功率消耗小，启动容易等特点。因此，此次设计的轴承主要选择滚动轴承。A即主轴左端处轴承为：33210 其主要性能参数： 主要特性：额定动载荷比为1.6-3.5，可以同时承受径向载荷及轴向载荷。外圈可分离，安装时可调整轴承的游隙，承载能力大，一般成对使用。B处即主轴右端处轴承为32005，与A处的轴承是配对使用的。 其主要性能参数与处的轴承是一样的。 C处即为连杆与偏心装置处的轴承为：单列深沟球轴承61912， 其主要性能：主要承受径向载荷，也可同时承受小的轴向载荷；当量摩擦系数较小，轴向位移限制在轴向游隙范围内；极限转速高；结构简单，尺寸小；润滑简单；密封性好，防尘性好。 行星轴上的轴承选择：角接触球轴承，左右两边各一个，配对使用，并且型号都为63018。由前面轴的受力分析可以看出，轴承只受径向力，而无轴向力。轴承所承受的径向力分别为： 2.5.1 轴承寿命计算（1）当量动载荷P 式中：载荷系数=1.2。（2）轴承寿命L9A处轴承:=16670（27800/ 6874.6）10/3/255=6887.35hB处轴承:=16670（20100/3992.2）10/3/255=8343hC处轴承:=16670（27800/ 5699.1）10/3/255=37136.7h2.5.2 静载荷的计算（1）=17500/1.2=14583N=13900/1.2=11593N=42600/1.2=35500N式中：S0静载荷安全系数。 取S0=1.2（2）验算当量静载荷P0F+F （2-6）=0.65728.8+0=3437.2NFA （2-7）=0.63326.8+0=1996.1NFB取 （2-8）=0.65699.1=3419.5Fe式中: X0静载荷系数(径向)X0=0.6；Y0静载荷系数(轴向) Y0=0.5；故满足要求11。2.6 泥浆泵电动机的选择泵的原动机类型应根据动力来源、工厂或装置能量平衡、环境条件、调节控制要求以及经济效益而定。现今电动机主要有鼠笼式和线绕式两种，三向交流鼠笼型异步电动机是石化装置用泵的主要原动机，它具有结构简单、维护方便、价格较低、体积紧凑、启动及运行均较方便可靠的优点。但是它不能经济、方便地实现范围较广的平滑调速、运行中必须从电网吸收滞后的无功电流而使电网功率因素变低，一般不适于大型泵及调速泵，而多用于中、小型泵。相比之下，三相交流绕线型电机和三相交流同步电机，则可用于对启动、调速、改善电网功率因数、大功率、高效率、转速恒定等有特殊要求的场合，但用于驱动泵的不多。直流电机虽有调速性好、启动转矩大等优点，但需直流电源，造价高，维修较复杂，一般也不常用于生产装置中。当需要改变工厂的蒸汽平衡，对装置中大型泵或需调速等特殊要求的泵，可以用气轮机作泵的原动机。随着石化装置技术水平及经济性的提高，采用反转离心泵或液力透平作为泵的辅助或主要原动机，以回收压力液流的可用能量；采用调速或多速电机，或采用电磁的、液力的、机械的耦合器以达到泵调速的目的等技术，近年来已应用于石化装置。此外，在特定的情况下，也有用蒸汽机、内燃机、燃汽机等作为泵的原动机的。然而，电机的选择还要根据某些参数才能确定最终的电机型号计算过程如下：由已知参数可知，而根据公式F=可得，F=其中 F主轴所受的轴向力；A运动活塞的截面积；P作用在轴上的最大压力。由以上便可得主轴的转矩T： T=Fr=484651=247.146N.m根据公式， P= （2-9）可得 P= =443.45/r 其中 p为排量； M为转矩； P为最大压力。又由Q=，可得轴的转速r= （2-10） r= =170r/min； 其中 Q为流量（L/min）； P为排量（）。最终根据以上所求的参数，可根据公式T=9550求得轴的输出功率 P= = =4.39Kw；取每级齿轮的传动效率为0.97，带的传动效率为0.92。可算得电机的输出功率为P= =5.08Kw。一般的，Y系列是供一般用途的全封闭自扇冷鼠笼型三相异步电动机，具有效率高、性能好、噪音低、振动小、体积小、重量轻、运行可靠、维护方便等优点。而Y系列电动机主要拥有启动转矩高、启动电流小等优点。 根据以上的叙述和有关计算，决定选择Y132S-4型三向异步电动机，其功率为5.5Kw，转速为1440r/min，重量为95Kg。即Y132S-4，5.5Kw、1440r/p。此系列的电动机的主要特点：启动转矩高、启动电流小，效率较高，损耗少，运行可靠，运行温度低；于其结构型式为封闭式，因此可以在尘土飞扬、水土飞溅的环境中使用，在比较潮湿及有轻微腐蚀性气体的环境中也能有较长的使用寿命12。第3章 泥浆泵机组振动试验监测与振动特征分析泥浆泵机组振动试验监测与振动特征分析主要是为异常工况下振动信号提供分析参考，建立数据库。3.1 常见故障及改进措施1.常见故障一由于十字头在滑道内不断地来回运动，容易出现将滑道拉伤等情况，严重时会造成泵壳报废。由于这种型号的泵采用的是泵壳缸套的一体化设计，所以其维修即等于对整台泵进行大修。改进措施：十字头上方安装温度感应器，及时测量各缸十字头与滑道温度，避免拉缸。2. 常见故障二曲轴箱内部故障主要有：机油粘度达不到要求；机油内存在杂质；机油内进水乳化等以及曲轴与轴瓦间隙过大或过小；曲轴轴向轴承间隙过大或过小；连杆变形等。由于长时间的运转，泥浆泵各运动副间隙增大，十字头和十字头铜套会加剧磨损，间隙增大导致泵振动加剧，机油温度升高，泵运行噪音也明显加剧，曲轴箱机油温度可升高到65左右，严重时造成事故发生。改进措施：在曲轴箱内安装电子温度感应器，测量各缸轴瓦温度，一旦超温及时报警，避免造成烧瓦事故发生。3. 常见故障三在设备运转过程中，由于密封垫、盘根等损坏造成漏水，水沿柱塞移动而进入曲轴箱内，造成机油乳化变质，各润滑部位润滑失效，发热。改进措施：在曲轴箱内装一仪器，用于测量机油粘度或者测量润滑油的酸值（ pH 值），当箱体内进水后，机油乳化时，pH 值减小。4. 改进的实际意义采用现代传感技术完善泥浆泵的故障诊断方法，具有很重要的现实意义，既能保证设备的安全运行，避免造成严重的事故，确保工人的人身安全；同时从经济效益来看，可以大大节省各种维修费用等1415。3.2 泥浆泵机组智能故障诊断系统1. 硬件系统硬件由传感器、诊断仪主机、便携式计算机及连接电缆组成。温度和压力传感器用于微温差法测泵效时采集泵的进出口温度和压力; 振动传感器用于单通道采集泵轴承、电动机轴承、泵叶轮的振动信号及双通道采集泵和电动机的轴心轨迹; 振动和转速传感器同时使用, 可校正转子的动平衡。采集数据时, 传感器采集的压力、温度、振动、转速信号通过电缆传给诊断仪主机, 再经过主机内的A/D转换器转换后存入缓存, 随后经通讯接口传入计算机存入硬盘。2. 软件系统软件系统主要由数据采集软件和故障诊断软件两部分组成, 主要功能有以下几点。(1) 数据采集 数据采集软件能够采集注水泵轴承、电动机轴承、泵的每一级叶轮及基础的振动信号、泵和电动机的转速信号、泵的进出口压力信号和温度信号。每台泵机组有20个测点需采集振动信号, 1个测点采集转速信号, 2个测点采集温度信号, 2 个测点采集压力信号。(2) 信号分析与处理 时域分析。提取经过预处理的信号的时域特征向量, 包括最大值、最小值、平均值、峰值、绝对平均值、均方值和脉冲值等指标。能自动或手动显示时域波形。根据选择的起点和终点, 能够计算出被测对象的转速等数据。频域分析。求取信号的功率谱、幅值谱、倒频谱和差谱等。可任意选定起点和终点进行分析; 显示有关频域指标,如极值、均值、倍频、边频、分频。还有以下功能: 频谱细化, 包括简易降频细化和精密滤波细化, 用以提高频域分析时横坐标的分辩率; 多文件频谱分析, 最多可同时取入20 个文件进行频谱分析; 数字滤波, 包括低通滤波、高通滤波、带通滤波和带阻滤波。(3) 特征提取 特征提取是对读入的数据进行处理, 根据建立的故障模式提取故障特征, 形成有用的诊断数据。(4) 泵效诊断 采用微温差法, 根据所测泵的进出口压力、温度等参数计算出泵效、扬程等参数。(5) 轴心轨迹 用双通道振动法测得轴承座上X 、Y 向的振动信号, 计算出每一转轴心迹。(6) 智能诊断 根据现场试验, 建立各个泵运行参数的诊断标准库。在此基础之上建立趋势分析及预测系统。最终达到通过振动、压力、温度、转速等信号的采集、分析处理, 诊断出故障类别、部位、严重程度及应该采取的维修保养措施。智能诊断知识库是本系统的核心部分。每次测试每台泵机组有25个数据采集点, 每个点要提取基频、倍频等指标约20个。因此, 检测一次有2500个以上的指标需要分析。如此多的数据, 人工处理需要耗费大量的时间和精力。而本系统开发的智能诊断知识库则有效地解决了这一难题。其原理是:知识库预先将泵的各种故障以一定的数据结构存储在库中。在诊断时根据库中的故障模型自动调入需要分析的数据, 对各种指标进行提取, 并将提取的特征值存储在知识库中。这样,知识库既是一种故障模型库, 也是一个数据库, 即知识库既包括注水泵的各种故障诊断模型,也包括每次对泵的处理结果的存储。根据文献并结合现场多次测试得到的概率分布数据, 确定了每一种故障类型的特征频率及其幅值的重要度系数。为了更全面地反映部件的运行状况, 还提取了边频的幅值、分频的幅值、脉冲值、平均幅值, 同样也分别给了一个重要度系数。该系数表明了各特征在该故障模型中的贡献大小。诊断时, 需要用重要度系数对最终的诊断结果进行加权修正151618。3.3 机组工况及振动信号测试方案3.3.1 机组工况转速:电动机1470r/min;柱塞泵曲轴370r/min。功率:电动机额定功率为185 KW。压力:进口注入压力2MPa;出口额定压力为21MPa。3.3.2 诊断分析为了兼顾各油区设备的检测需要,根据油田各油区分散、设备多等特点,测试分析系统采用EZ-Tomas系统(如图3-1)。系统由振动传感器、数据采集器、EZ软件和计算机组成。它以微机为中心,以FFT(快速傅立叶变换)为手段,对实测振动信号进行分析与变换,即可得到泵组某一测点的振动频谱图,通过对频谱图分析,掌握泵组当前的运行状态,判断设备正常与否,用诊断结果来指导维修工作20。机组振动传感器数据采集器EZ软件计算机图3-1 测试与分析系统组成框图3.3.3 测点布置方案要实现不解体诊断,振动信号只能在机壳表面拾取。泥浆泵组工作时,通过曲柄连杆机构将电动机的旋转运动转化为柱塞的往复运动,同时将电动机的机械能传给所输送的液体。所以在结构上,它既有旋转运动部件,又有往复运动部件,且其负载大,工况恶劣,因而动态响应极为复杂。在确定检测方案时,传感器的布局尽可能靠近待测部位,使测取信号的传递路径短而直接,尽量避免信号的减弱、畸变或传递受阻,使所测的信号能最大限度地反映检测部位的工况。基于上述原则,对于测点,电动机部分选在前、后端的垂直与水平方向;泵组动力端曲轴部分选在左、中、右的垂直与水平方向及右端轴向方向;十字头位置选在各连杆运动轴线的垂直方向; 液力端柱塞处选在各柱塞壳体外垂直方向；泵头测点为各缸的垂直与水平方向。为了了解周围环境振动的影响,在基座前、后还各选了一垂直方向的测点1821。3.4 机身表面振动的振源初步分析3.4.1 振源初步分析泥浆泵机组结构复杂部件及激励源多机身表面振动是由内部各种激振源共同作用的综合反映,其主要激励源有:液压缸内液体压力、激荡力;液阀组件运动的冲击力;柱塞运动横向撞击力;柱塞往复运动惯性力通过连杆、曲轴产生的周期性激励;曲轴旋转运动产生的激励;皮带传动引起的振动;电机的滚动轴承撞击引起的振动;电动机旋转惯性力;其他机构的激励等23。在这些激励的共同作用下,机身表面振动很复杂,机身表面总的响应是多个激励响应之综合影响,如何从复杂的激励响应中分离出某些激励源是泥浆泵机组振动信号分析的难点。3.5 机组振动频谱分析图3-2为泥浆泵测点布置简图图3-2 测点布置简图表3-1 测点说明1.阀座振动分析（1）阀组轴向振动分析机组包括3 个阀组，分析其轴向振动信号：图3-3 阀组振动监测时域信号对比分析以上阀组振动时域信号可以看出，柱塞的冲击特性反映的非常明显，且冲击周期基本保持一致。振动最大峰值均为0.1。阀组轴向振动时域峰值较为正。图3-4 阀组振动监测频域信号对比各阀组振动频域信号成份基本一致，主要频率成份出现在高190Hz 附近。在低频段36Hz 附近出现另一能量成份。振动最大峰值分别为：0.008、0.006、0.006。阀组轴向三点监测振动信号能量成份基本一致，表明阀组整体工作较为稳定。（2）阀组径向垂直振动分析图3-5 阀组垂直径向振动监测时域信号对比分析阀组垂直径向振动时域信号发现，三个测点最大峰值分别为0.06、0.06、0.1，同时稳定的冲击特性和周期性都保持一致，监测点3B 幅值略微偏大，且冲击更为干脆。图3-6 阀组垂直径向振动监测频域信号对比分析阀组整体径向振动频域信号发现，三者成份基本一致，振动最大峰值分别为：0.0025、0.0025、0.005，主要能量成份分布区域为低频段4090Hz 附近和高频段160Hz 附近，整体较为分散。振动时域信号和频域信号显示，阀组径向垂直振动基本正常。（3）阀组整体径向振动分析本部分包括两个测点，测点4A 为出口管线连接处轴向振动（垂直方向），测点4B 为进口管线连接处轴向振动（水平方向）。图3-7 阀组整体径向振动时域信号对比（上为垂直，下为水平）图3-8 阀组整体水平径向振动频域信号对比（上为垂直，下为水平）分析阀组整体水平径向振动时域信号可以发现，进、出口冲击特性和周期性都十分明显，最大峰值分别为0.1、0.05，较为稳定。两个方向频域信号差异较大，垂直方向上能量集中分布在高频段，最大峰值出现在192Hz 处，显示冲击较为明显；水平方向上振动能量的分布则比较分散。2.管线振动分析（1）进口管线径向振动分析这里监测测点为入口管线径向振动工况，一测点为入口管线径向垂直方向；另一测点则为入口管线径向水平方向。图3-9 入口管线径向振动时域信号对比（上为垂直，下为水平）图3-10 入口管线径向振动频域信号对比（上为垂直，下为水平）从时域信号来看，二者振动最大峰值分别为0.2、0.1，显然进口管线振动以垂直为主，这一点从频域信号对比图中得到了验证。振动频域信号最大峰值分别为：0.02、0.03，径向垂直振动频域信号包含着更多的高频段（190Hz 附近）能量成份。二者能量成份差别不大，振动较为正常。（2）出口管线径向振动分析这里监测测点为出口管线径向振动工况，测点6A 为出口管线径向垂直方向，测点6B 则为出口管线径向水平方向。图3-11 出口管线径向振动时域信号对比（上为垂直，下为水平）图3-12 出口管线径向振动频域信号对比（上为垂直，下为水平）出口管线径向振动两个方向存在着较大的差异。从时域信号来看，振动最大峰值均为0.1、0.3，显然水平方向冲击振动更为剧烈。从频域信号分析来看，频率成份较为类似，最大峰值分别为0.008、0.02，水平方向幅值明显。3.曲轴振动分析图3-13 曲轴振动时域信号径向（上）与轴向（下）对比图3-14 曲轴振动频域信号径向（上）与轴向（下）对比曲轴箱振动测试点位于曲轴端部轴向与径向。振动较为稳定，振动最大峰值分别为0.1、0.2，且冲击特性非常明显，冲击周期保持一致。分析频域信号可知，振动最大峰值分别为0.008、0.012，能量成份基本类似。该次监测曲轴振动基本正常。（1）柱塞泵垂直径向振动要强于水平径向。综合考虑阀组监测轴向、径向水平、径向垂直三个方向的振动信号，阀组整体工作基本正常。（2）进口管线整体振动较为强烈，垂直径向方向振动偏大，值得注意；出口管线振动较为正常。（3）曲轴两个方向上的监测信号显示，3#机组与2#机组振动频域成份基本一致，幅值稳定，这说明曲轴振动基本正常。上述主要为阀坐、管线和曲轴振动分析，从时域信号的幅值和冲击周期比可以甄别所监测部位是否正常，而在频域信号中是通过幅值与频谱能量分布甄别。第4章 泥浆泵振动监测系统设计4.1 泥浆泵的工作原理工作原理：泥浆泵是采用单缸双作用柱塞泵工作。由电机通过带传动输入动力，通过行星减速器减速。经偏心轮将回转运动转化为直线往复运动。驱动双作用柱塞泵作功。柱塞泵的进浆室、排浆室各有两个钢球组成的单向控制阀。当活塞杆向左驱动时，缸体右腔进浆，缸体左腔排浆。当活塞杆向右驱动时，缸体左腔进浆，缸体右腔排浆。除此之外,在主通路上安装空气力表用来调整泵在抽吸过程中产生的波动大小。4.2 泥浆泵在线状态监测方案设计4.2.1 系统功能 泥浆泵分析画出泥浆泵系统功能简图，见图泥浆泵4-1图4-1 泥浆泵系统功能简图系统主要实现的功能初步设定如下：（1） 信号采集功能使用压力及振动传感器对泥浆泵进行多通道数据采集。（2） 实时监测功能机械的压力、振动信号为表征机械运行状态的重要运行指标，它们在机械状态监测与故障诊断中起着非常重要的作用。该系统主要用于主机现场测试，对柱塞泵的液力端压力、液力端阀盖振动、曲轴箱部位振动等进行信号实时监测。（3） 报警功能通过设置报警限，在监测值超标的情况下实现报警。并且保存故障的数据，以便分析。（4） 趋势分析功能应用数据库实现历史数据的保存，对各类监测数据实现趋势分析。（5） 故障诊断功能该系统主要功能是实现对所采集的信号进行对比分析，查找错误的信息，以便确定故障的位置，及时的排除故障。通过帮助系统，操作者可以发现错误，并进行判断，得到故障的原因，以便及时的修理。（6） 网络发布功能系统能实现网络同步故障诊断与信息发布功能25。图4-2为泥浆泵系统数据采集网络拓扑图。局 域 网图4-2 泥浆泵系统数据采集网络拓扑图4.3 系统模块与监测参数4.3.1 系统模块1.数据采集模块通过硬件设计实现对现场数据实时采集功能。2.实时检测模块实现功能：振动（通过振动传感器实现）（1）实时监测曲轴箱振动变化（2）实时监测十字头振动变化（3）实时监测填料（柱塞）处振动变化3.趋势分析模块系统通过数据库支持将保存历史数据用于查询与趋势分析。数据趋势分析最基本底形式就是反映各参数的粗略走向与进行趋势预测，并对每一设计操作条件设置报警值。参数超过报警值，系统自动产生报警26。4.3.2 监测参数1.监测一台柱塞泵，厂方应提供如下参数：（1）设计功率（2）设计载荷（3）柱塞直径（4）行程（5）连杆长度（6）柱塞杆尺寸/载荷等2.现场系统接收的一类输入信号振动信号：（1）轴箱振动（2）液力端入口端阀端盖振动（3）液力端出口端阀端盖振动4.4 泥浆泵状态监测图解4.4.1 泥浆泵状态监测图解泥浆泵在线监测传感器布置如图4-3所示：图4-3 泥浆泵在线监测传感器布置简图（1）曲轴端盖处放置1个传感器，用来监测曲轴径向振动变化，从而反映曲轴的工作状态。（2）在液力端入口处阀盖表面放置1个传感器，用来监测该部位振动状态的变化。（3）在液力端出口处阀盖表面放置1个传感器，用来监测该部位振动状态的变化。放置在出口管线管口的传感器，用来测试排液压力，综合入口、出口处阀盖振动监测信息，可判断液力端工况27。4.5传感器的安装和使用传感器在泵组机身上的两种可供选择的安装方式：（1）在泵阀端盖处打孔，孔（螺纹）尺寸：M5*510mm（直径*深度）；或利用泵阀盖处已有孔隙。螺钉尺寸有如下三种方案：图4-4传感器螺钉安装方案（2）利用传感器安装座（包括高粘度胶水和磁座两种方式）。（3）传感器数据采集与实时监测中心的线路走线方式：走明线，线路附带防爆保护，通过中间墙（扩已有网线孔）联入监测系统控制中心。通过对泥浆泵的相关参数了解和去柱塞泵工作现场参观拍照做出了测点布置简图，从而做出了泥浆泵在线监测方案设计。对系统功能做了部分设定，又做出系统几大模块，使思路更加清晰。得出泥浆泵状态监测图解和系统整体布置图解，最后又细致的分析了传感器的安装方式，使整个系统更加的全面28。4.6振动监测系统界面图振动监测系统界面图如图4-5所示：图4-5振动监测系统界面图结 论随着钻井工艺的发展，振动监测及故障诊断的发展，钻机泥浆泵的影响会越来越大，对设备监测诊断系统的需求也日益增加。本文对钻机泥浆泵振动监测分析诊断系统进行了总体设计研究，并根据工厂设备管理的实际需求号分析及诊断理论，采用数据库，计算机等技术该系统进研究设计。本文的主要研究工作和成果总结如下：(1) 本文介绍了泥浆泵监测系统的故障诊断现状及泥浆泵国内外的发展状态，在研究振动机理有关故障诊断和信号分析的基础上提出了振动监测诊断的方法，利用该方法在对钻机泥浆泵进行监测诊断其效果是显著的同时也丰富了大型旋转机械振动监测诊断的理论和方法。(2)研究钻机泥浆泵振动监测系统的总体构成，主要研究设计钻机泥浆泵振动监测分析诊断系统。旨在对钻机泥浆泵振动监测和故障诊断技术及实现进行一些探索，针对设备的常见故障，提出一套较完善的振动监测及故障诊断系统。(3)用于精密诊断的便携式系统运行稳定、功能全面，能够满足现场监测时的各种要求。避免机组发生重大事故而造成的巨大经济损失，保证设备在规定的期间内无故障安全可靠运行。(4)该系统具有强大的设备信息管理功能，对于大量的数据进行存储，提高了数据的读取、检索速度。本文所研究开发的设备测点管理系统具有一定的实用性和通用性。(5)开展设备监测和故障诊断非常适合国有大中型企业的设备维修管理，它结合生产现场的工况变化和定期维修方式，能更有效地搞好设备维护和检修，更加显示出推广预测维修所具有的优越型，这使得设备状态监测和故障诊断技术在今后有了较大的发展和应用空间。随着计算机和诊断相关技术的发展，故障诊断系统已经逐步发展成为一个复杂的综合体，向着信息化、智能化、网络化的方向发展。因此该系统可以有以下改进和发展：(1)系统设备信息管理网络化：采用集中式或分布式数据库方案，利用C/S或B/S方式，实现系统设备信息网络查询和管理。(2)高性能的数据库：工厂设备统一管理后将会涉及到所有设备的信息和测点数据，大量的信息对数据库提出了更高的要求，可以选用SQLServer、Oracle等大型数据库对数据进行存储，使用最新的数据驱动程序完成数据操作。参考文献1 张力，张宏生，吕圣仕.代大型石油钻机更新的发展趋势J.石油矿场机械，2003,6：100-101.2 张连山.国外钻井泵技术发展和研究动向J，国外石油机械，2000,20-25