（信号与信息处理专业论文）基于振动检测的潜油电泵机组故障诊断的研究.pdf

摘要 潜油电泵是目前国内外各大油田机械采油的主要设备之一，其可靠性和高效性是油 田持续稳产高产的重要保证。潜油电泵机组的结构较为复杂，发生的许多故障都会引起 机组的振动，因此可以通过对机组振动信号的分析，初步判断出相关故障。 对潜油电泵试验井井口的振动信号进行采集和分析，提取了潜油电泵机组故障的振 动信号特征，完成了某些故障的诊断。论文完成的主要工作包括： 1 设计了一套基于数字信号处理器( d s p ) 和微机电系统( m e m s ) 加速度传感器的振 动信号采集系统，以便对潜油电泵井井口的振动信号进行采集。并在采集系统中开发了 通用串行总线s b ) 主机功能，从而可以将采集到的数据直接以文本格式写入移动存储 器中，实现了潜油电泵机组振动信号的便携式海量存储采集。 2 探讨了旋转机械故障诊断中传统的信号分析方法，如时域分析、幅值分析、频 域分析等，阐述了这些方法的基本原理、优缺点及其应用场合。 3 研究了小波分析理论和小波变换在振动信号分析中的应用。小波分析属于时频 分析的一种，具有多分辨分析的特点，克服了傅里叶变换的缺点。通过对潜油电泵机组 的振动信号进行各种小波分析研究，可以实现对故障特征的提取。利用时域波形、功率 谱、小波分解、小波包分解等多种方法对已测得的潜油电泵机组的多组振动信号数据进 行了分析，经过分析对比和归纳总结，得到了潜油电泵机组轴窜动量过大和磨损这两种 故障特征的提取方法，从而实现了这两种故障的诊断。 实验证明，对潜油电泵试验井井口的振动信号分析，并从中提取故障特征信息是可 行和有效的。本文的工作为潜油电泵机组故障诊断技术的研究提供了有益的思路。 关键词：潜油电泵机组，故障诊断，振动检测，数字信号处理器( d s p ) ，小波分析 r e s e a r c ho nf a u l td i a g n o s i so f e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p sb a s e do nv i b r a t i o nd e t e c t i o n x iw 铡i n g ( s i g m ia n di n f 0 咖a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o l i ug u a i l g 如 a b s t r a c t e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p ( e s p ) u i l i ti st l l er n a i nd e v i c et oe x 臼a c to i l i nn l ew o 订d i t s r e l i a b i l i 哆a n dc a p a b i l 姆i si m p o r t a i l tt 0a s s u r et h e1 1 i 曲y i e l do ft h eo i lf i e l d t h es t n j c t u r eo f e s pi sr e l a t i v e i yc o n l p i e x ，a l l dm a n y 伍m t so fe s p 晰l ll e a dt ov i b r a t i o n r n 鹏u 曲a n a j y s i so f 龇v i b f a t i o ns i 驴a l s0 fe s 只p r e l i m i 王1 a = 哆j u d g e m e n to fs o m e 最l u 拯c 雒b e n c l u d e d b ya c q u i r i n g 锄da 1 1 出z 崦w e l 岫a dv i b 删o ns i g n a l so fe s p t e s tw e l l s ，t h ef a u l tf e a t 呱e o fe s p sv i b r a t i o nc a nb ee x t 嫩t e d ，a 芏l ds o m ef a u l t so fe s pc a i lb ef o u n do u t t h ed i s c u s s i o n l ，t od e t e c tt h ev i b r a 乏i o no fe s p s ，av i b _ r a t i o ns i g 蹦q u i s i t i o ns y s t e mb a s e d0 nd s p ( d i g i t a ls i g l l 甜p r o c e s s o r ) a n dm e m s ( m i c r o - e l e c t r o - m e c h 彻j c a js y s t e m s ) a c c e l e r a t i o ns e n s o r i sd e s i 萨e d t oc o l l e c t 也ee s p sw e l l - h e a dv i b r a t i o na c c e l e r a ：t i o ns i 刚s ，1 1 1 ed a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mi sd e v e l o p e dt 0h a v et 1 1 e 缸n c t i o no fu s b h o s t ，w i t l lw l l i c ht h ev i b r a t i o nd a t ac a nb e w r 骶i lt 0f i l e s 毡m o b i l eu s b ( 螂v e f s a ls e r i a lb u s ) m a s ss t o r a g e ，t h u sa c 随e v m gt h ep 融l e a n dm a s ss t o r a g ea c q u i s i t i o no fe s p sv i b r a t i o ns i 鄹脚s 2 ，t h ec o n v e n t i o n a l 溉h n o l 。g ) ，0 fv i b 枷0 ns i g n a l si sd i s c u s s e di i lr o t a l i n gm a c 蛐1 e r y f a u l td i a g n o s i s ，s u c h 硒t i m e d o m a i l la n a l y s i s ，锄p l i t u d ea i 】m y s i s ，f 沁q u e n c y d o m a i l la n a l y s i s t h eb a s ep r i n c i p l e ，a d v a n t a g ea n dd i s a d v 喊a g eo ft h e s em e m o d sa r e e x p a t i a t e d 3 r e s e a r c h 锄也ew a v e l e ta n a l y s i st l l e o 碍a n dw a v e l e tt r a n s f o n ni n 也ev i b r a t i o ns i 印a l p r o c e s s i n g 印p l i c a t i o i l s w a v e l e ta n a l y s i si sak h l do ft i m e f 论q u e n c ya n a l y s i s w a v e i e t 咖s f 0 珊h a st h ec h 硼l c t e r i s t i co fm u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i s 锄do w o m e st h el i m i t a t i o l l so f f o u r i e r 仃a n s f o 砷w a v e l e ta n ；a l y s i sw a sa p p l i e dt 0 证b r a t i o ns i g n a l so fe s pi no r d e rt 0e x t r a c t f - a u l tf e a t u r eo fe s pal o to fm e t h o d s ，s u c ha st i r i l e d o m a j n 、a v e f o 瑚，p o 、v e rs p e c t r u 鸭 w a v e l e td e c o m p o s i t i o n 锄dw a v e l e tp a c k e td e c o m p o s i t i o na n ds oo n ，w e r ea p p l i e dt oa 1 1 a l y z e v i b r a t i o nd a t ao fe s pg a t h e r e di nt h ee x p e r i m e n t a r e rc o m p 撕n g ， c o n t m s t i n ga n d s 呦a r i z i n g ，t h ee x t r a c t i o nm e t h o d so fs h a 矗r a ne x c e s s i v ea n d 、张a rf - a u l tf e a ：t u r ea r e o b t a i n e d ，a n dm e s ef a u l t sa r ed i a g n o s e d i nc o n c l u s i o n ，i ti sf e a s i b l ea n de 腩c t i v et oe x t r a c tf a u l tf e a m r eo fe s p ，b ya l l a l y z i n g v i o na c c e l e r a t i o ns i g n a l so fe s p sw e l l h e a d a n dt h ew o r k so fm ep 印e rp r o v i d el l s e 伽 i d e a sf o rf a u l td i a g n o s i st e c l l i l o l o g ) ，o fe s p k e yw o r d s ：e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep l l i l l p ( e s p ) ，n d td i a 弘o s i s ，v i b r a t i o nd e t e c t i o n ，d 西t a i s i g n a lp r o c e s s 0 r ( d s p ) ，w w e l e ta n a l y s i s 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：蟑 日期：加挣加细 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 日期：2 邴年厂月乒日 日期：z 润年易月歹日日期：z 制年侈月衫日 中国石油火学( 华东) 硕上学位论文 1 1 课题背景与研究意义 第1 章绪论 随着我国石油工业发展和石油开发的需要，应用机械采油方法提高油田采油速度和 最终采收率，是整个油田开发过程中的一个重要举措。潜油电泵作为一种重要的机械采 油设备，由于它具有其它机械采油设备所没有的特点，在油田的开采上起着越来越重要 的作用。油田进入高含水开发期，选用潜油电泵大排量采油，是油田长期稳产的重要手 段之一【1 】【2 】。近年来，潜油电泵采油得到了越来越广泛的应用，现已成为国内外人工举 升采油的第二大设备【3 】【4 】。 但潜油电泵机组的结构较为复杂，工作环境恶劣，在使用过程中综合故障率较高， 严重时会出现整个机组落井的重大事故，造成较大经济损失。特别是在油井深，地质条 件复杂、含水高、油井供液能力较差、电泵井效率不高的情况下，诱发潜油电泵事故的 概率更高。 对以往潜油电泵井故障调查分析表明，机组的许多故障，如电泵轴偏磨，偏心，会 引起机组的振动，而振动过大往往是引发潜油电泵机组其他故障根源之一，这样会使机 组使用寿命大幅度降低。从生产现场取得资料来看，电泵井停产的主要原因是电泵的损 坏。机组故障主要表现在三个方面【5 】【6 】：一是各部件壳体间连接螺栓变形与断裂：二是 泵内零件磨损；三是保护器失效，电机烧坏。电泵损坏的原因主要是振动，而振动导致 过载荷，加剧了零件的磨损；磨损和变形又加剧了振动，而剧烈的振动必然会导致早期 机组破坏和整机事故的发生【刀。 潜油电泵机组的振动也与设计、制造和应用方法有很大关系。在制造过程，电动机 的平衡试验较容易进行，控制也较好，而多级泵只能进行单级叶轮平衡试验。潜油电泵 机组在出厂时都要经过出厂试验，现在胜利采油厂使用的“潜油电泵机组自动测试系 统，主要是对电泵、电机的特性参数进行测试，如机组的排量、扬程、泵效等，而没 有对机组振动性能进行质量测试。实际经验证明，整个机组的振动与机组的装配质量有 着紧密的联系。若出厂前能检测到机组故障引起的振动，提前对机组进行检修和保护， 可以避免某些事故的发生。 因此，开展潜油电泵机组振动检测及故障诊断方法研究，并开发出相应的检测及诊 断系统具有非常重要的意义，不仅有助于电泵井的故障检测，而且有助于企业完善机组 1 第1 章绪论 产品质量检测，从而进一步提高经济效益。 1 2 潜油电泵概述 潜油电泵机组【l 】作为油田开发的重要机械采油设备，具有排量大、扬程高等特点， 其作用就是将井下的液体抽送到地面，可广泛应用于停喷后的高产油井、高含水井、深 井及定向井中。采用潜油电泵采油是油田实现高产稳产的重要手段之一。 潜油电泵机组主要由三个部分组成： ( 1 ) 井下部分：潜油泵、分离器、保护器、潜油电机、潜油电缆； ( 2 ) 地面设备：定频驱动、降压变压器、控制柜；变频驱动，降压变压器、变频器、 升压变压器； ( 3 ) 辅助设备：扶正器、单流阀，泄油阀、井口穿越器、接线盒。 典型潜油电泵机组系统如图1 1 。 控 图l - 1 潜油电泵机组结构图 f 唔l - l e l e c t r i cs u b m e 岱i b l ep u m p ss t 阳c t u 化 潜油电泵井口是一个偏心并带有电缆密封装置的特殊油管挂，一即可以密封动力电缆 出口，又可以承受全井管柱及电泵机组的重力。 潜油电机为二级三相鼠笼式异步电动机，是整个潜油电泵系统的动力源。它驱动潜 油离心泵抽取地下的原油。电源为5 0 h z 时，其额定转速为2 8 5 0 r m i n ( 转分) 。使用时， 2 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 根据油井产量、扬程、温度、井液及不同规格的套管，可选用不同功率、直径的潜油电 机，并且潜油电机可以串联使用。 潜油泵是一种多级离心泵，由多级离心叶轮、导轮、泵轴、泵壳体和上下接头等组 成。在通常的应用中，电泵接在油管柱上，下到井液面之下进行抽油。在油井中潜油电 机将机械能传递给潜油泵，潜油泵内的叶轮高速旋转，将原油从井中抽送至地面集油系 统。潜油泵由于受到油井套管内径尺寸的严格限制，潜油泵外径尺寸很小，泵内叶轮的 直径比较小。适用于5 m 油井套管的潜油泵每级叶轮所产生的扬程一般为3 7 m ；适 用于7 i n 以上油井套管的潜油泵扬程一般为6 1 1 m 。潜油泵的扬程h 为各级叶轮扬程 h ( 也叫叶轮单级扬程) 之和： 日= z | ， ( 1 1 ) 式中z 为叶轮的级数。 目前常用潜油泵的叶轮级数一般为1 5 0 4 5 0 级，这种特殊性质决定了潜油泵的外 型尺寸又细又长。潜油电泵的叶轮和导轮装配在一起可逐级传导流液。导、叶轮之间装 有上下止推垫片，泵工作时，液体产生的轴向力推动导轮，经止推垫和垫片构成的摩擦 副把轴向力传给导轮，再经过逐级导轮传递给泵壳。 潜油泵主要由两大部分组成，即转动部分和固定部分。由于各制造厂家的潜油泵设 计结构不同，潜油泵的组成也不同。根据组成潜油泵分为： ( 1 ) 浮动式泵 浮动式泵的叶轮全部浮动，即叶轮与导轮之间及叶轮之间具有一定的窜动间隙，叶 轮在工作中处于浮动状态，泵轴的窜动量大，由于浮动叶轮与泵轴之间可以相对滑动， 故作用在泵轴上的轴向力通过分离器轴传递给保护器止推轴承。为了使多节泵在连接后 泵轴之间及泵轴与分离器之间能够互相接触，保证作用在泵轴上的轴向力传给保护器止 推轴承，所以要求每节泵轴必须有一定的窜动量。 ( 2 ) 部分压紧式泵 部分压紧式的叶轮分压紧叶轮及浮动叶轮，每节泵中压紧叶轮占该节泵叶轮总数的 4 0 ，浮动叶轮占6 0 ，压紧叶轮转配在每节泵的上段、浮动叶轮装配在下端。压紧叶 轮和浮动叶轮之间用一个顶部浮动叶轮隔开。由于叶轮为逆时针旋转方向( 泵处在工作 位置由上往下看) ，为防止潜油泵接头与机壳的螺纹连接处退扣，在接头与壳体之间焊 防倒块。部分压紧式泵泵轴窜动量小，由于压紧叶轮固定在泵轴上，压紧叶轮与泵轴之 3 第1 绪论 阃不能相对滑动，而每个压紧叶轮的两个导轮之间窜动之间窜动量很小，所以作用在泵 轴上的轴向力由压紧叶轮传递给导轮，每节泵之白j 泵轴不能直接接触。 ( 3 1 整体压紧式泵 整体压紧式泵的叶轮全部压紧，叶轮和导轮之问的间隙很大，叶轮与泵轴之间不能 相对滑动，二者为一个整体，而泵轴自身通过设计的预留间隙。可做较大窜动，并且带 动叶轮上下窜动，故作用在泵轴上的轴向力以及叶轮自身的轴向力传递给保护器止推轴 承。 当潜油电泵的压力、排量出现波动时；电泵主轴弯曲产生交变载荷时；叶轮旋转不 平衡时：井口管线回压出现波动时：泵壳弯曲时；电机起动时转子在电磁力作用下与定 子对形成冲击力或由于装配不当时，都会引起电泵主轴产生振动。 事实上，潜油电泵在工作过程中运行情况更复杂。由于叶轮与主轴一起在导轮形成 的很小的环形空间内转动，当激发力施加在主轴上引起振动时，主轴横向振幅即最大挠 度不可能超出叶轮与导轮间的最大问隙。潜油电泵高速转动时，在偏心力作用下，致使 泵轴发生弯曲，这样会磨损导、叶轮，并导致摩擦副的磨损损坏嘲，这要就加速了导、 叶轮的磨损。导、叶轮的磨损和泵轴弯曲引起扶正轴承磨损，并产生振动。随着振动的 加剧，振幅受导轮内壁限制，形成叶轮外圆面与导轮内孔面的带冲击的强烈摩擦从而 形成电泵机组的振动，导致各级泵的不平衡和电泵主轴的微小弯曲，并通过金属接触面 传给保护器、电机，加速了电泵机组的损坏，甚至引起电泵机组的失效【9 l 【i 哪”。图i 2 为偏磨过的泵轴，图1 3 为偏磨过的潜油电泵叶轮及导轮。 圄1 2 偏磨的泵轴 f i g l - 2p a n i a ig r i d i n g o ”s h n so f e s p 中目人学( 牛末) 埘l 学位论史 ( a ) 偏磨过的叶轮( b ) 偏磨过的叶轮扣) 偏磨过的导轮 圈l o 偏磨过的潜油电泵叶轮及导轮 f i g l o p a 州a lg n n d i o g o i m p e 岫a d 纠i d e m i l e r o f e s p 1 3 课题研究现状 1 3l 潜油电泵机组故障分析及诊断研究现状 潜油电泵自1 9 2 6 年问世以来，其发展历程大体上经历了三个阶段：初级阶段( 2 0 世纪3 0 年代5 0 年代) 成品阶段( 2 0 世纪4 0 年代一7 0 年代) ，发展阶段( 2 0 世纪8 0 年代一至今) l i ”。这8 0 多年来，无论在潜油电泵设计、制造、工艺、测试拄术方面， 还是应用技术方面，美国均居世界领先地位。 潜油电泵自问世以来一直是一种运j 亍时间短的设备u q 。在排除最初安装时出现的故 障外，其运行时间与一项工程的开工期相比仍是比较短的。 国内外对很多机构都对潜油电泵机组故障原因进行了分析。 挪威的t h o b e n o l a v v 越g 和m a g n 璐d 出v a 教授通过对北海油田石油钻井工业中所 用的2 5 9 6 台潜油电泵的故障调查发现，在总共1 6 3 7 次失效形式中，电机的轴承和定子 绕组失效最为严重，分别达8 3 6 次和2 5 8 次，也就是占总失效数的5 1 和1 5 ，定子失 效主要原因是瞬时过载，而轴承失效最主要的原因分别为：强烈振动，占5 0 ：瞬时过 载，占2 27 。对所有的潜油电泵失效形式归纳总结，找出其中的主要原因分别是：强 烈振动，占2 8 ；瞬时过载，占2 7 ：恶劣井下工况，占1 45 。这表明，通过潜油电 泵机组的振动进行检测和分析，可以有效地进行一些潜油电泵机组故障的诊断5 】。 胜利油田1 9 9 4 2 0 0 0 年期间2 5 8 8 7 次停机检泵作业中发生的故障，因潜油电泵机 组故障进行的检修次数占总检修量的8 72 2 ，机组平均检修率为1 03 7 5 卅。 第l 章绪论 2 0 0 7 年3 月，长江大学的“潜油电泵机组综合工况诊断技术 项目通过专家组鉴定。 该诊断方法，是将潜油电机、电缆、保护器、潜油电泵作为一个整体，充分考虑电泵机 组工作参数、井眼轨迹、产出液的理化性质、地层条件等因素的情况下，提出了综合诊 断的概念和方法，建立综合诊断模型，从2 0 0 4 年起，这一综合诊断方法和模型在渤海 油田、江汉油田的4 3 0 口油井使用，平均缩短检泵周期6 0 天，目前正在大庆油田、大 港油田、胜利油田推广应用。 潜油电泵井工况诊断分析主要是根据电流卡信息和憋压方式结合油井实际生产情 况来进行的【1 7 】。目前，对潜油电泵机组的故障诊断水平主要停留在出现故障时，由电泵 井管理人员凭借经验知识和参考现场参数来判断故障的原因。 1 3 2 旋转机械设备故障的振动诊断方法的研究现状 设备故障诊断技术2 0 世纪7 0 年代初形成于美国，由于其实用性以及为社会和企业 带来的巨大效益，故日益受到企业和政府主管部门的重视。特别近3 0 年来，随着科学 技术的不断进步和发展，尤其计算机技术的迅速发展和普及，它已逐步形成了一门独立 的跨学科的综合信息处理技术【1 8 】。 设备故障诊断技术，其实质是了解和掌握设备在运行过程中的状态；预测设备的可 靠性；确定其整体或局部是正常或异常；早期发现故障，并对其原因、部位、危险程度 等进行识别和评价；预报故障的发展趋势，并针对具体情况作出实施维护决策技术。 设备故障诊断技术主要包括以下三个基本环节： ( 1 ) 信息采集 故障诊断的依据是被诊断对象所表征的一切有用的信息，比如振动、噪声、转速、 温度、流量等。对于设备，主要是通过传感器，如振动传感器、压力传感器、温度传感 器等来采集信息。人的感官也是一种特殊的传感器。因此，传感器的类型、性能和质量、 安装方法、位置以及人的思维和判断往往是决定诊断信息是否会失真或遗漏的关键。 ( 2 ) 分析处理 由于传感器或人的感官获得信息往往是杂乱无章的，其特征不明显、不直观，很难 加以判断。分析处理的目的是把采集的信息通过一定的方法进行变换处理，从不同的角 度获取最敏感的、最直观的、最有用的特征信息。 ( 3 ) 故障诊断 故障诊断包括设备的运行状态的识别、判断和预报。它充分利用分析处理所提供的 6 中国石油大学( 华东) 硕1 ：学位论文 特征信息参数，运用各种知识和经验，其中包括对设备及其零部件故障或失效机理方面 的知识。 诊断对象 h 信息采集 h 分析处理 h 故障诊断 jl 治理措施 图i - 4 故障诊断各环节逻辑关系 f i g l - 4 f a u nd i a g n o s i sh n ki o g i c 故障诊断各环节逻辑关系如图1 4 所示。 从振动信号中提取反映振动状态的信息和参数是科学研究和工程实际应用中经常 采用的方法之一【1 9 】【2 0 1 。这是由于在运转的设备中，许多结构承受各种动载荷而引起振动， 从而对结构的寿命、可靠性有重要影响；另外，振动是最重要的信息来源，是机械设备 状态信息的载体，它蕴含了丰富的机械设备异常或故障信息，振动特征是机械设备运行 状态特征的本质反映。任何机器在运转时工作状态发生了变化，必然会从振动信号中反 映出来。 对旋转设备来说，没有任何一种信息能像振动那样对设备状态具有更直接的反应。 目前，利用振动信号对旋转机械故障进行判别是国内外应用最普遍的方法。从测试手段 来看，利用振动信号进行测试也最方便、最实用。要利用振动信号对故障进行判别，首 先应从振动信号中提取有用的特征信息，即利用信号处理技术对振动信号进行处理。应 用最广泛的处理方法是进行频谱分析，从振动信号中的频率成分和分布情况来判断故 障。振动分析理论比较成熟，振动测试设备比较完善，是机械故障诊断的理论基础和技 术基础。通过振动测试对机械设备或结构的运行状态和故障的可能提出预测、估计、判 断，并为设备的更换和修复乃至生产过程提供决策依据。 随着科技的进步，特别是微电子技术的迅猛发展，嵌入式单片机的采用使采集分析、 存储为一体的数据采集器分析仪的出现成为可能。数据采集器分析仪是一种电池供电 的袖珍仪器，体积小、重量轻、可方便的用于工业现场的振动信号的采集和分析，存储 所需的数据，需要时可将所存的数据传送给计算机进行更详细的处理与分析。例如，建 立维修数据库等。配合相应的故障诊断专家系统，可完成对设备的自动精密的故障诊断。 数据采集器和分析仪的出现极大地推动了设备故障诊断技术的应用，产生了巨大的经济 7 第l 章绪论 效益和社会效益。 振动频谱分析仪的应用已经成为当今最常用的工业设备状态监测与故障诊断方式。 目前，对旋转机械故障诊断研究最为突出的是对大型发电机组的故障诊断研究。 1 3 3 振动检测在潜油电泵故障诊断中的应用现状 中国石油大学的樊灵曾利用潜油电泵井井口振动信号对井下机组工况诊断进行过 研究。电泵井在运转过程中，井下机组的振动信号通过油管传播到井口，利用电泵井诊 断仪测量井口振动信号来诊断井下机组故障。经试验测试表明，振动信号沿油管传播时， 只是振幅发生变化，而频率不发生变化。由此可见，井下机组沿油管传播的振动信号可 以在井口用电泵诊断仪进行测量。因为由机组运行引起的并沿油管传播的振动信号是由 许多因素决定的，如井口油嘴产生的振动信号，所以必须进行大量统计，才能有效地消 除这些影响。进行故障诊断采用的方法是对电泵井进行跟踪测试，机组损坏后进行解剖， 找出故障原因，从而确定该种故障的标准谱。进行故障诊断时，使对振动信号作谱分析 后，与标准谱比较从而确定故障原因。该方法曾应用于胜利油田和中原油田部分机组的 检测，但后来没有进行推广。 中国石油大学机电工程学院以另一种方式进行了潜油电泵机组的振动检测与故障 诊断研究。该方法是把压电加速度计置于潜油电机和泵上，通过专门的信号线传输至电 荷放大，通过a ，d 转接卡用工控机处理数据。该系统引入模糊神经网络模型，对机组故 障进行诊断【3 】。 大庆高新区在站刘树林博士针对潜油电泵目前存在的问题，深入基层进行了大量调 研工作，收集了可靠的基础数据，制定了潜油电泵机组振动测试方案，开发了潜油电泵 状态评估及故障诊断软件。 目前，国外上一些为潜油电泵配套的井下测试装置测试参数中都包含振动。如美国 w e a l h e i 江o r d 公司井下多元测试装置可检测0 1 0 9 的振动信号，精度为l ；英国 z e n i t h 公司井下多元测试装置检测振动为0 1 2 9 ，精度为5 ；英国p h o e n i x 公司 井下多元测试装置检测振动为0 1 2 9 ，精度为5 【2 1 1 。 总之，潜油电泵机组故障诊断水平仍处于发展阶段，国内在这一方面的研究与落后 于国外发达国家的水平。现场存在的问题，主要是装配质量不易评估，影响电泵机组的 寿命。 8 中国石油人学( 华东) 硕十学位论文 1 4 课题研究的主要内容 本课题来源于与胜利油田胜利采油厂的合作开发项目。通过分析潜油电泵机组结 构，研究机组故障与机组振动之间的关系，确定了本文所提出的基于振动检测的故障诊 断的方案。论文的主要内容及章节安排如下： ( 1 ) 第1 章“绪论 ，先介绍了课题的背景与研究意义，其次概述了潜油电泵结构， 为研究潜油电泵机组的故障诊断作铺垫，接着介绍了课题的研究现状； ( 2 ) 第2 章“潜油电泵机组振动检测系统的设计”，振动检测是采用加速度传感器对 潜油电泵传到井口的振动信号进行采集的方案，设计了一套基于d s p ( d 洒t a l s i 髓a lp r o c e s s o r ，数字信号处理器) 和u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 存储的振动信号采集系统，本章对该系统进行了详细的介绍； ( 3 ) 第3 章“旋转机械故障诊断中的振动信号分析方法，对传统旋转机械故障诊断 振动信号的分析方法进行了探讨，主要介绍了时域分析，幅值分析，频域分析 等振动信号的分析方法； ( 4 ) 第4 章“小波分析在潜油电泵机组故障特征提取中的应用”，首先介绍对小波分 析理论和小波分析在振动信号分析中的应用：其次通过对采集到试验井潜油电 泵机组振动数据用多种方法进行分析比较，提出了小波分析与传统谱分析相结 合对潜油电泵机组轴窜量过大和磨损两种故障的振动信号特征提取方法；最后 介绍了数据分析软件的设计； ( 5 ) 最后给出本课题的总结与展望。 9 第2 章潜油电泵机组振动检测系统的设计 第2 章潜油电泵机组振动检测系统的设计 潜油电泵机组的振动通过油管传播到井口，振动幅度减小，但其振动频率保持不变， 通过测量井口的振动并进行分析，可以判断出机组的运行状况。因此，设计一套可靠的 便携式振动信号采集系统，为积累原始数据研究潜油电泵机组振动特征提取打下良好基 础是非常有必要的。 2 1 系统的整体设计 为了实现潜油电泵机组故障实时诊断，振动检测系统的c p u 选用了适合高速实时 处理场合的数字信号处理器( d s p ) ，但本文由于时间有限，实时诊断尚未实现。在本文 中，该系统主要任务是实现潜油电泵井井口振动信号的测量，并将数据存储到可移动存 储器中。系统包括：主控模块( d s p 最小系统) 、数据采集模块( 传感器、信号调理电路和 模数转换) 、u s b 主机模块及人机交互模块。图2 1 为系统的结构框图，图2 2 为利用该 系统在进口进行振动检测现场。 匾 i 信号 言 。 卜d s p 最小系统 u s bu s b 振动 调理 转 、r t m s 3 2 0 f 2 8l2 主机 l 一 j 、 移动、r 一p 传感器 换 控制器存储器 电路 + 享t c p l d l 弋7 人机交互模块 图2 - l 系统结构框图 f i 9 2 - l t h es t 川c t l l 聆o fs y s t e m 2 2d s p 最小系统的设计 d s p 最小系统是能够使d s p 正常工作的基本系统。本课题中，d s p 最小系统以 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心，在其外围扩展程序存储器和数据存储器，以及时钟电路，仿真 接口电路，电源电路等。 1 0 中目“ 学( 十东) 碰1 1 # 位* 女 22 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 简介 图2 2 振动信号检测现场 f i 9 2 - 2 v i b n 伽ns j g a i d c t e c o ns i t e t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 口3 1 是美国t i 公司推出的一款高性能的3 2 位定点数字信号处理器。 其内部采用哈佛总线结构，指令执行则采用8 级流水线技术，从而有效地提高了程序执 行的效率。图2 3 为四级流水线操作示意图。 。爿厂 厂 厂| 厂 取指_ 一n - n + 1 - _ n 吨- 卜n q 一 详码噜一n _ l _ - 一n _ i _ - 杠n + 2 叫 取数一n - 峥n - l _ - 一n 一 一卅l 叫 执 rh i n 0 一n 一h - l 。n 图2 0 四级流水线操作示意图 f j 9 2 0s i o p i i n e dd h g r 丑m o f h ”l i 口e t t j 竹 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部具有单周期的3 2 位3 2 位的乘和累加操作功能，其执行指令速 度可达1 5 0 m i p s ；片上集成了1 2 8 k 1 6 位f l 船h 存储器、4 k x l 6 位的引导r o m 、1 8 k 1 6 位s r a m 、数学运算表以及l k 1 6 位的o t p r o m 。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片上还具有： 1 6 通道1 2 位a d c ；2 个事件管理单元( e v a 、e v b ) ：串行接口外设；3 个外部中断：5 6 第2 章潜油电泵机组振动枪测系统的设计 个独立配置的通用多功能i o 等等。 随着d s p 的应用普及，其开发工具也得到了飞速的发展，t i 公司的d s p 芯片提供 通过片上专用仿真接口j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 支持的仿真功能。c c s ( c o d e c o m p o s e rs t u d i o ) i d e 集成开发环境支持c c + + a s s e m b l e l i n k c r ，而且具有c 语言优化 器，c 编译效率达9 0 。开发者的一切开发过程都是在c c si d e 环境下进行的，包括 项目的建立、源程序的编辑以及程序的编译和调试。c c s2 支持所有的c 2 0 0 0 器件，并 且支持第三方插件，可以实现片上f l a s h 程序固化功能等。 2 2 2d s p 扩展存储器 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部集成的1 2 8 k 1 6 位的f l a s h 可以用来固化程序代码，目前仅实 现数据采集存储，不包含任何算法的情况下可以满足要求，但是当故障诊断方法确定后， 将算法嵌入d s p 时，片上的f l 嬲h 就不能够满足要求，因此在片外扩展了5 1 2 k 1 6 位 f l a s h 。由于系统嵌入了u s b 主机驱动和f a t 文件系统，片上s 洲的1 8 k 1 6 位 不能满足当前需求，因此，在片外扩展了2 5 6 k 1 6 位s 洲。 s r a m 选择c y p r e s s 公司的c y 7 c 1 0 4 1 c v 3 3 ，而f l a s h 则选用了s t t 公司的 s s t 3 9 v f l 6 0 1 。它们的工作电压、工作频率、接口方式均可与t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 兼容。 刑s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器的外部接口( ) ( i n f ) 采用异步非复用模式总线，接口映射到5 个独立的空存储空间，每个空间都可以独立地设置访问等待、选择、建立以及保持时间。 本系统分别通过x z c s2 和x z c s 6 & c s 7 对c y 7 c 1 0 4 l c v 3 3 和s s t 3 9 v f l 6 0 1 选择。具 体连接电路图如图2 - 4 所示。 图2 4 外存储器扩展原理图 f i g2 4m e m o r ye x p a n s i o ns c h e m a t i c s 1 2 b m 控h 镒limt韶上11 第2 谌i b 泉机纽振动椅* 4 景统的世计 于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部具有看门狗，本次设计只用到t p s 3 8 2 3 - 3 3 的手动复位功能。复位 电路如图2 6 所示。 2 3 传惑器的选择及电路设计 和振动相关的物理量有位移、速度、加速度等，因此测振就是对这些振动量的检测。 加速度、速度、位移之自j 是积分微分关系，实际测振系统只需对其中的一个物理量进行 测量即可通过这种关系得出其他两个物理量。目前在测振行业中用的鞍多的是加速度 传感器。本课题选用了f r e e s c m e 公司生产的集成加速计m m a 7 2 6 0 0 俐对潜油电泵 井口的振动加速度进行检测。 m m a 7 2 6 0 q 是一款基于微机电系统( m e m s ，m i c r o e l e c t r 0 - m e c h 枷c a ls v s k m s ) 的芯 片化电容式三维加速度传感器，如图2 - 7 所示。由于电容极板存在惯性，当有加速度存 在时极板间距将发生改变，从而导致电容参数c 发生改变。利用这一原理能够使三 个维度上的加速度转变为电压信号输出。m m a 7 2 6 0 q 能在x y z 三个轴向上以极高的灵 敏度读取低重力水平的坠落、倾斜和移动，它是同类产品中的第一个单芯片三轴向加速 器，具有以下特点： ( 1 ) 可选灵敏度：通过设置芯片的g s e l 。n 1 和争s e i 睇位两引脚的电平，可选择l5 昏 2 9 、4 9 和6 9 的不同范围内灵敏度； ( 2 ) 高灵敏度( 当量程选1 5 9 时，8 0 0 m v ，g ) ； ( 3 ) 低电压供电22 36 v ： ( 4 ) 3 f 一睡眠模式、5 0 0 一低运行电流、1o m s 的快速启动响应时间； ( 5 ) 6 m m x6 m m x14 5 r 姗q f n 的小巧包装； ( 6 ) 鲁棒性设计，抗冲击：低成本设计。 底视图 o f n ” _ t * ( a ) m m a 7 2 6 0 q 封装图( b ) 动态加速度图 图2 4m t a 7 2 6 0 q 封装图与动态加速度圈 f i 9 2 。7p a c h g e a n dd y n a m l ca c e e l e 憎t j o o f m m a 7 2 6 0 q 1 4 中固石油人学( 华东) 硕l 二学位论文 这些特点使围绕m m a 7 2 6 0 q 的设计方便、经济高效。图2 8 为m m a 7 2 6 0 q 电路设 计原理图。在本系统中，一般情况下电泵机组的振动不是很强，根据实验结果，量程选 择1 5 9 。加速度计的p c b 板采用单面布线，便于电路板的安装，加速度计小板单独安 装在一个仪器盒底部，采集数据时，将传感器盒安放在试验井井口的平台上，检测井下 电泵机组沿油管传到井口的轴向、径向振动。与垂直油管平行的方向，称为轴向，与轴 向垂直的方向即为径向。 图2 8m m a 7 2 6 0 q 电路设计原理图 f i 9 2 8 l p 江a 7 2 6 0 qc i r c u i td e s i g ns c h 锄a t i c s 图2 9 m m a 7 2 6 0 q 信号调理电路 f i 9 2 - 9m m a 7 2 6 0 qs i g n a ic o n d i t i o n i n gc i r c u i t 本系统m m a 7 2 6 0 q 使用3 3 v 供电，其输出电压范围3 v 。再经过信号调理电 路转换为a d 的输入量程5 v 。图2 9 是对m m a 7 2 6 0 q 板的一维输出x o u t l 的调理电 路，x o u t l 经过电压跟随器u 1 3 得到x o u t 2 ，r l o 和r 1 1 对3 3 v 分压后输入电压跟随器 u 3 为电路提供1 6 5 v 的偏移电压， u 1 0 接成差分比例运算电路，对x o u t 2 和1 6 5 v 进 行求和放大得： 1s 第2 章潜油电泉机纽振动检测系统的设计 一篙c 撇2 6 5 卜罴c 1 6 5 n ， = 一3 0 l ( 勋觚1 1 6 5 矿) x o u t l 输出范围为3 v ，由式( 2 - 1 ) 得出n 1 的输出范围为- 5 v + 5 v 。 信号调理电路中运算放大器0 p 0 7 由5 v 镍氢电池经过5 d 1 2d c d c 电源模块输出 供电。 2 4 模数转换模块 虽然t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 自身带有1 6 路1 2 位的a d ，但是其受外部干扰较大，因此本 系统没有使用片内a d ，而采用了外部a d 7 8 6 5 - 1 。 a d 7 8 6 5 是美国a d 公司生产的一种高速、低功耗、四通道同步采样的1 4 位并行 a 仍转换器，采用+ 5 v 供电。芯片内包含一个2 4 u s 的逐次比较式a d c 、四个采样保持 放大器、一个内部2 5 v 的参考电压，片上时钟振荡器和1 4 位的高速并行口。四路的采 样保持器将在由a d 启动信号同时触发，紧接着按照所选通道将保持信号依次进行，d 转换，从而实现同步采样。四通道同时采样时，单通道的最大转换速率可达1 0 0 k s p s 。 a d 7 8 6 5 1 的数据端口d b 0 d b l 3 ，b u s y ，e o c 和f r s t i ) a r a 由单独电源v d 对v e 供电，因此可以与3 v 的微处理器兼容。 丽_ 、厂辔