（机械设计及理论专业论文）基于labwindows的泥浆泵故障诊断系统开发.pdf

摘要 泥浆泵是钻井工程中的重要设备，实时掌握其工作状况对钻井工 程的正常进行非常重要。本论文通过测取了3 n b l 3 0 , 0 , c 泥浆泵正常工况 和一些故障工况下的振动信号后，对动力端轴承共振解调后的时域信 号进行了频域分析；对于十字头和液力端泵头的振动信号进行了小波 包处理：通过神经网络故障识别技术进行了相应部位故障识别的研究， 得到了有价值的检测部件振动规律、一般特征以及故障特征。 沦文利用l a b w i n d o w s 作为开发工具，开发出了操作方便、界面 友好的泥浆泵在线状态监测和故障诊断系统。可以实时在线监测泥浆 泵重要部件的状态，便于指导设备的使用和管理。 关键词：泥浆泵，。故障诊断。共振解调。、波包分析。寺十经网络 a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n t o ft h ef a u l td i a g n o s i ss y s t e m f o rm u d p u m p b a s e do nl a b w i n d o w s m u d p u m p i so n eo ft h ei m p o 砘a n t e q u i p m , e n t ai nt h ed r i l l i n g e n g i n e e r i n g ，t sv e r yn e c e s s a r yt ol 娅o o wt h ec o n d i t i o no ft h e p u m p a ta n yt i m ei no r d e rt oc a r r yo u tt h ed r i l l i n gs m o o t h l y 。 b a s e d0 nt h ev i b r a t i o ns i g n a l st e s t e do nt h e3 n b 3 0 0 cm u d p u m p i nt h en o r m a l w o r k i n g c o n d i t i o n sa n ds o i n e , s o i t i y j r l t o nf a u l t s w o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h ed e m o d u l a t e d ，r e s o n a n c es i g n a l so ft h e b e a r i n g i nt h ep o w e rs i d eo ft h ep u m p a ! ga n a l y z e di n 盘e q u e n e y d o m a i n ，a n dt h ec r o s sh e a da n dt h eh y d r a u , iss i d ea r ea n a l y z e d u s i n g w a v e l e t p a c k e t 。t h es t u d yo l lt h ef a u l ti d e n t i f i s a t i o no ft h e a b e v e m e n t i o n e d p u m pp a r t sw i t ht h en e k r a ! n e t w o r ki sc a r r i e d o u t 。a f t e rt h ea n a l y s i s 。t h et e s t e da s s e m b l i e s v i b , ? o a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，t h en o r m a la n df a u l tf e a t u r e sa y eo b t a i n e d 。 u s i n gl a b w i n o w s a sd e v e l o p m e n t t o o l ，t h i sd i s s e ：- t a t i o n e x p l o i t st h em u d p u m p o n l i n es u p e r v i s i n ga n df a u l td i a g n o s i s s y s t e m ，w h i c hh a se x c e l l e n tu s e r g r a p h i ci n t e r f a c ea n dc a l l m o n i t o rt h ep u m p sc o n d i t i o no f i m p o 吡a n t p a 肫8o nw o r k i n gt o d i r e c tt 2 s ea n d m a n a g e m e n t o f 也e p u m p k e y w o r d sm u d p u m p ，f a u l ta n a l y s i s ，a e n s o q u i a e dy e s o ? 1 8 f f l c e ， w a v e l e t p a c k e ta n a l y s i s 。n e u r a ln e t w 。r k 独创性声弱 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一程工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：整拉 伽3 年6 月， 同 羡于论文德厕援极的说睨 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密论文在解密后应遵守此规定 学生签名： 导师签名： 功。了年 6 z 0 0 3 年 月 ，日一 月f f 同一 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 籀1 蠢前言 1 。1 研究的国的耜意鬓 故障诊断( f a u l ld a g v _ 。s i s ) 技术是一门新兴的综合性应用学 科。早在六十年代欧美等国家就率先进行了开发研究。在我国从：9 7 9 年开始，有一些大专院校和科研单位结合教学和有关设备诊断技术 的研究课题，逐渐丌始进行机械设备状态监测与故障诊断技术的理 论研究工作和小范围工程实际应用研究。 据不完全统计，全国工业交通战线上约拥有4 0 多万个大中小 型企业，其中机械设备约占固定资产的6 0 7 0 ，这是我国的一 笔宝贵的财富。如何用好，管好、维护好这些设备充分发挥机器功 效是非常重要的。随着时代的前进，科技的发展，高科技产品出现， 设备需要更新的同时，机械设备的维修使用费用上升，有时能占到 设备投资费用的1 4 乃至3 。众所周知，出于可靠性、维修性不 佳，机械设备发生故障，成为维修使用费用上升的重要因素。所以； 防止故障发生或提前预知及时安排维修以减少损失就显得很重要 了。而防止设备发生故障与设备诊断技术有着不可分割的关系。 机械设备故障诊断技术包括的内容是指对机械设备运行状态， 或称工作状态，通过各种监测手段，判别其工作是否正常；如果不 正常，经过分析与判断，指出发生了什么故障，便于管理人员维修； 或者在故障未发生之前，提出可能发生故障的预报，便于管理人员 尽早采取措施，避免发生故障，或避免发生重大故障，因而造成停 机停产，给工程带来重大经济损失。这就是设备诊断技术的主要任 务和内容。目前机械设备诊断技术已经发展成为一门集数学、物理、 力学、化学、计算机与微电子技术、信号处理技术、人工智能等专 业学科于一体的新兴交叉学科，有着良好的发展及应用前景。 目前对机械设备进行故障诊断时采用的方法和手段多种多样 ，如声学诊断法、红外分析法、温度监测法、油样分析法咀及无 损监测技术等。这些方法也都在特定领域得到了不同程度的应用， l i 油人学( 华东) 硕士论文 第j 章前言 取得了良好的效果。但是，利用振动信号对故障进行诊断，仍然是 当前机械设备故障诊断方法中最有效、最常用的方法例。这是因为 机械设备系统在运行过程中的振动及其特征信息是反映系统状态和 变化规德的主要信号，当机器在运行过程中发生异常时，1 般都会 随之出现振动信息的改变。有统计资料表明，由于振动而引起的机 械设备故障，在各类故障中占6 0 以上【5 1 ，因此利用振动信号进行 诊断具有普遍性；其次，根据对振动信号测量处理和分析识别的结 果，可以做到在不停机、不解体的情况下进行故障渗断，且振动检 测方法便于自动化、集成化和遥测化，非常方便；另外，有关振动 理论和测量方法相对比较成熟，设备价格相对低廉。因此振动诊断 相对较容易实现，是目前应用较多的诊断方法。 从历史的角度来看机械故障诊断技术的发展主要集中在两个方 面；信号处理与特征提取和状态识别【2 、”。现在信号处理与特征提 取主要的方法有：参数模型法、函数分析法、调和分析法6 s j 、 应用分形【i 、“”、”1 等；状态识别的方法则主要有；对比分析法、 逻辑诊断法、统计诊断法、灰色诊断法、模糊诊断法“”、人工 智能( a 1 ，a r t i f i c i a | n t e l ! i g e n c e ) 法“j 。但是，在实际的应用中， 更多的是将特征提取方法和状态识别方法二者有机地结合在一一起， 发展智能化的诊断方法和技术。 1 ，2 画陶外研究现状分析 石油行业应用故障诊断技术相比其它行业于起步较晚，而泥浆 泵诊断技术的研究和开发就相对更晚，经过了一个从无到有，从有 到高的阶段。经过学习、消化、吸收和掌握国外的一些故障诊断系 统，自行研制的一些故障诊断系统已在石油矿场关键性设备中得到 了一定的应用，并日益受到重视。在这方面，石油勘探开发研究院、 石油大学( 北京) 、石油大学( 华东) 、大庆油田、大港油盱| 等单位 都进行了一些探索性的研究，并取得了一些成果。 石油矿场机械中关键设备三缸单作用往复泥浆泵( 以下简称泥 2 石油犬学( 华东) 硕士论文 第l 章前言 浆泵) 属于往复机械范畴。在钻井作业中，泥浆泵的性能、水平、 使用寿命往往是决定性的因素。一般说来，与旋转机械相比，对往 复机械进行故障诊断更加困难。尽管如此，人们还是从不同的角度 出发，对往复机械故障诊断进行探索性的研究和应用。 下面将以振动诊断技术为主，根据所查阅的资料，对泥浆泵故 障渗断技术的发展和研究现状作一概括性总结。 i 2 1 泥浆泵的故障机理研究 泥浆泵从结构上分主要有两部分：液力端和动力端。由动 力端的曲柄连杆机构通过连接液力端和动力端介杆机构带动液力端 的活塞运动。通过活塞的往复运动，改变缸套中的压力，此变化促 使吸入阀和排出阀产生关开动作，从而实现将泥浆通过排瞄管线送 向井底的功能。 泥浆泵中易发生故障的关键零部件主要是动力端的轴承以及液 力端的泵阀、活塞和缸套。目前，泥浆泵动力端轴承故障机理的研 究工作进行的还不多。文献 1 4 2 4 中对泵阀和活塞的故障诊断进 行了一定的研究，为以后泥浆泵故障诊断系统的丌发打下了坚实的 基础。 1 2 2 泥浆泵诊断信号的获取、信号处理与特征提取 实际中，一般都是利用振动方法在泥浆泵体上的合适位置使用 速度和加速度传感器来获取包含故障信息的振动信号。在对原始信 号进行处理和特征提取的方法中，调和分析法的发展一小波分析 和小波包分解算法在泥浆泵故障诊断的这一领域中最为活跃。 小波分析应用在泥浆泵监测及故障诊断中主要是用于干扰信号 剔除、局部异常信号检测以及对信号波形的特征提取。文献2 5 、2 6 1 主要讨论了基于小波的往复机械故障特征提取与识别，显示了小波 在往复机械波形特征提取的状态识别方面有良好的应用前景。而文 献 18 、2 、2 2 、2 7 2 9 则主要将小波理论具体应用到泥浆泵的监 测与故障诊断甲。 * i 油人学( 华东) 硕士论文 第l 章前言 小波应用的- 大限制就是使用中小波函数的选择问题以及所选 小波及其对偶的性能问题。文献 3 0 1 利用小波消失矩与其对应的滤 波器在z = l 处零点阶数的关系，在s w e l d e n s 等人提出的提升格式基 础上，提出了基于任意双正交而非仅针对l a z y 小波函数的小波提 升及对偶提升系数的设计方法，为小波的进一步应用丌辟了道路。 小波包分解算法是多分辨分析的改进，它克服了小波分析高频 部分频率分辨率差的缺点，可以对信号在全频带范匿内进行正交分 解，并根据信号的特征，自动选取不同的时频分辨率进行分解。由 于其在刻划信号特征方面具有更强的自适应性，所以利用小波包分 解算法可以实现微弱信号的提取。文献f 3 j l 就是利用小波包分解算 法对信号进行处理，采用小波包分频带能量监测法，监测包括谐波 分量在内的其它各种信号分量，并使用小波包分解信号时域波形的 均方根值来表示所在频带的信号能量的大小，从而比较好地实现了 活塞破损的故障诊断。文献 3 7 】利用小波包时一一频分辨率很高的 特点，通过对泵阀阀盖上的同步振动加速度信号的分析，提取出了 能够区分泵阀故障的频率特征。但由于小波滤波器组的频域特性和 隔点采样会造成频谱混叠现象，导致分频结果不正确，影响了小波 包的应用。文献i 3 2 根据小波包混频的原因改进了小波包分频算法， 结合f f t ( 快速傅立叶变换) 分析进行处理，较好的解决了混频现 象，弥补小波包在实际使用中的缺陷与不足。 1 2 。3 泥浆泵故障状态识别 常用的故障状态方法有：逻辑诊断法、模糊诊断法、神经网络 法。 逻辑诊断法中的故障树分析法是最早应用于泥浆泵的故障诊断 中的方法。泥浆泵故障树分析方法是对泥浆泵进行故障诊断的较早 的研究方法。文献 3 3 1 分析了泥浆泵主要零件可能出现的3 9 种失效 模式以及五种主要类别的失效原因。通过分析与检测，得出设计、 制造和装配缺陷对三缸泵失效模式影响较大的结论。 4 _ 油火学( 华尔) 硕士论文 第1 章前言 模糊诊断方法同样在往复泥浆泵的故障渗断中得到了一定的应 用。文献f 1 6 】和：3 4 1 中对泥浆泵进行了模糊诊断的应用研究，针对 泥浆泵动力端的几种典型故障，根据i s 0 2 3 7 2 进行了故障状态的模 糊分类，拟合出了有关的隶属函数。 神经网络的故障诊断研究是目前泥浆泵故障诊断技术的最新发 展。文献f 3 、1 7 、3 5 1 利用神经网络技术对泥浆泵泵阀进行了故障 识别，采用b p 网络模型实现了对泵阀正常与故障两种状态的准确 识别。 目前，泥浆泵故障诊断的发展的方向是各种诊断法相互结合、 取长补短发展新的诊断方法。主要有小波分析与神经网络结合】； 神经网络与模糊诊断结合m 1 ；小波包与模糊神经网络结合。7 】 另外针对泥浆泵实施的故障诊断方法还有同步功率谱平均分析，幅 值域多参数分析“9 1 和双谱分析法等，也取得了较好的效果。 1 2 4 泥浆泵故障诊断系统的开发 就当前的故障诊断系统软件而言，目前有石油勘探开发研究院 分别以往复泵和注水离心泵为监测对象，研制开发的两套状态监测 系统软件。从现有资料来看，这两套状态监测系统主要是基于传统 的频谱分析，采用对比诊断方法进行诊断。 为了能够实现实时在线监测泥浆泵动力端轴承、十字头和液力 端泵阀和缸套等重要部件的状态，以便钻井工程正常进行和指导设 备使用和管理能有所依据，论文通过对泥浆泵重要部件振动信号的 分析研究，开发出了操作方便、界面友好的泥浆泵在线状态监测和 故障诊断系统。 1 。3 共振解调分析应蕊 所谓共振解调技术( 或称冲击脉冲技术、包络捡波技术或早期 故障检测( i p d 技术) 是对低频冲击所激起的高频共振波形进行包 络检波和低通滤波即解调，获得一个对应于低频冲击的、而又放大 并展宽了的共振解调波。传统技术只通过直接信号的f f t 分析，获 石油人学( 华东) 硕十论文 第j 章前言 得频谱，试图从中获得冲击脉冲的频谱，却往往因为目标频曙总是 被强大的干扰频谱( 一般是大的低频分量) 所掩盖而不能成功。而 且，捕获冲击脉冲需要非常高的采样频率，因为冲击波很窄，频率 很高，往往因为硬件的原因而无法实现。 从目前的应用上看，实现共振解调的途径有两种：一种是通过 硬件电路对传感器得到的信号进行处理，从而得到共振解调波；另 一种是通过软件即某种算法( 希尔伯特包络法或别的包络方法) 对 传感器信号处理，而得到共振解调波。 共振解调技术出现以来，被广泛应用到具有冲击性质的信号处 理中。轴承和齿轮的状态监测和故障诊断是其应用的一个重要方 面。共振解调技术应用于各行各业 4 0 7 3j 取得了很好的效果。 1 。4 论文的主要研究陶容 随着故障诊断技术的发展和普及，运用故障诊断技术对各油田 服役的众多的泥浆泵进行状态监测和故障诊断，尤其是动力端轴承 的在线状态监澳4 和故障诊断问题已成为人们非常关心和感兴趣的课 题。论文拟从理论出发兼顾现场实用的原则对兰州石油机械总，+ 3 n b l 3 0 0 c 泥浆泵常见难以识别的故障：如动力端轴承的故障，液 力端活塞缸套磨损、泵阀损坏和十字头滑板磨损划伤等的诊断方法 进行研究，并开发出3 n b 3 0 0 c 泥浆泵在线状态监测和故障诊断系 统。为此，论文中主要进行如下研究工作： l 。实验研究 对3 n b l 3 0 0 c 泵进行正常工况和故障工况下的振动测试及振动 信号的分析和处理。找出各测点振动的一般特征和规律。 2 。理论研究 ( i ) 共振解调分析诊断 对在轴承相应部位采集到的振动信号进行共振解调处理、f f 2 变换后，进行频谱的能量分析。可以比较有效的进行轴承的状态分 析和故障诊断。 6 7 i 油人学( 华东) 硕士论文 第l 章前言 ( 2 ) 小波包分析诊断 将小波包分析应用于3 n b l 3 0 0 c 泥浆泵的十字头滑板和液力端 的故障诊断中，主要应用在振动信号的特征提取、频带分离、时频 分析和噪声剔除等。这可为泥浆泵的状态监测和故障诊断提供更多 和更为有用的信息。 ( 3 ) 神经网络故障识别 对十字头滑板和液力端的小波包分析提取的特征信息，利用前 向神经网络模型进行相应部位故障识别的研究。 3 。诊断系统软件的开发研制 利用l a b w i n d o w s c v i 软件开发平台开发出具有良好图形用户 界面故障诊断软件程序，实现3 n b l 3 0 0 c 轴承和十字头滑板及液力 端常见故障的在线诊断。 7 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章共振解调技术 第2 章共振解调技术 许多工程机械在带故障运转时，都要伴生振动和冲击。反之， 振动和冲击常常反映了机械的故障。于是，研究机器的振动和冲击 现象；便推出了很多诊断机器故障的理论、技术和方法；共振解调 技术即是其中之一。 2 。1 共振解调撼术简介 振动和冲击是常见的物理现象，是不同的两个概念。在转动机 械及其轴承、齿轮故障诊断领域所说的振动，通常是指周期振动， 即与机器转动有关的、周而复始出现的、其频谱相对于引起该现象 周期作用力的重复频率仅数倍以内的运动，而冲击则是相对于引起 该现象周期作用力的重复频率有几乎无限丰富的高阶频谱的特殊振 动。振动主要由连续的不平衡作用力引起，而冲击则主要由不连续 的冲击力所致的碰撞引起。 一般来说，下述因素会引起振动：轴系的不平衡，轴承内、外 圈滚道及滚子的圆度误差，保持架的不平衡，其它驱动器所在轴的 动力装置的不平衡等等。但不是所有的振动都危及安全，也不是轴 承发生了故障就一定引起大的振动。 对于轴承及相关组合来说，下述因素必然会引起冲击：轴承的 滚子、内圈、外圈以及齿轮的“啮合面”的不规则损伤，如剥离、 锈蚀、电蚀、裂纹、擦伤，滚道中进入异物，其中包括轴承本身的 损坏剥落或散落物；保持架的磨损偏心及不规则振动引起它与内外 圈或端盖的碰撞，轴承端盖、叶片和机匣、松动的紧固件对机器的 敲击等，这些原因均是危险因素，亦是故障诊断的对象。 尽管冲击的基本重复频率也与振动的重复频率相同或相近，但 是，初期故障引起的冲击量值常常远小于振动值。这是因为振动表 现为上述的持久过程，能量是持续释放的，累积量值较大。而冲击 则是异常短暂的过程，峰值能量也许较大，但累积能量甚微。经常 有这样的情况：故障已经发生，总的有效值振动却不增大，甚至因 8 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章共振解调技术 为使用日久，使圆度误差磨合变小，总的振动反而减小。 用频率分析的方法研究故障原因，是较易理解，也是现今技术 手段发展得较为完善的方法。但因为冲击的持续时间短暂，其能量 向广阔的频率领域发散落在轴承的正常振动频率范围内的分量则更 加微小，无法与能量本来较大丽又基本集中于低频领域的振动分量 相比。因此，用直接对包含故障冲击的振动信号进行频率分析以诊 断轴承故障的途径是很难实现的。 共振，同样是人们司空见惯的物理现象；如果外力的激励频率 与物体的固有频率相同，则将激起物体产生很大的振动。如果物体 的阻尼很小的话，振动将趋于无穷大。但是，上面的论述，仅仅描 述了共振的一个方面。值得注意的另一种共振现象是，任何一个谐 振系统，不管激励它的外部作用的重复频率如何不同于其固有频 率；只要外作用力的高阶频率落在以其固有频率为中心的一个通带 内，也将激起该系统的共振现象发生。 所以可以应用共振的这一独有特性，来提取深埋于正常振动信 息中的轴承的故障冲击的信息。由于正常的振动中不合高频的分 量，而轴承等故障冲击中则含有这种分量。因此，可设一个高频的， 正常振动频率所达不到的谐振系统；剔除正常振动，响应冲击激励， 实现冲击信息的提取。 2 2 共振解调技术的基础 4 1 所谓共振解调技术( 或称冲击脉冲技术、包络检波技术或早期 故障检测( t p d 技术) ) 是对低频( 通常在k h z 以内) 冲击所激起 的高频( 数倍至数百倍于冲击频率的) 共振波形进行包络检波和低 通滤波即解调，获得一个对应于低频冲击的、而又放大并展宽了的 共振解调波。该技术已经并将更广泛应用于对在线的或试验运行中 的机械及其轴承、齿轮等进行故障诊断监控。如用于滚动轴承的故 障检测，就是利用运转轴承零件中故障( 如裂纹和剥落坑等) 的低 频冲击所产生的频域十分宽广、频谱极为丰富的故障冲击波的高频 9 f i 汕大学( 华尔) 硕十论文 第2 章共振解调技术 分量，激起高频谐振器的共振，再对高频共振波进行解调处理，获 得一个剔除了低频振动干扰，但富含故障信息、信噪比大为提高的 共振解调波，通过对此共振解调波的幅值谱分析，判定故障的量值 和故障类型( 故障所在) ，这就是共振解调故障检测诊断技术。 图2 一所示共振解凋变换过程的波形特性，可简要地反映出共 振解调故障检测的原理 与优越性。混杂在振动 中的故障冲击波( 图2 a ) ，时域脉宽极窄，幅 值甚小，频谱丰富。谐 振器对冲击的共振响应 波形( 图2 1 b ) 是一组 幅值被放大了的高频间 ck 谳旁m t 剥迭删皿s 斡苏z 簿a i rn1 t | 卜船每球卜j b i 。 vu 9 7 。；睦心匙& 图2 一l 共振解调变换过程的一般波形特征 歇振荡波形，与故障冲击强度成f 比，其频率为谐振器的固有频率， 时域被展宽，且呈自由衰减。其成组的重复频率与故障冲击重复频 率相同。共振解调波( 图2 1 e ) 与原始冲击比较，其重复频率相同。 但幅值被放大且时域展宽了，因而共振解调输出的解调脉冲，其低 阶频谱的能量较冲击脉冲的低阶能量是极大地增强了。加之变换过 程中谐振器剔除了常规振动的干扰，故解调输出信号与原始信号相 比，可获得比较高的信噪比和取得没有故障就没有共振解调波及其 频谱的良好效果。以上的处理过程通常由初级仪表中的电路或相应 的软件实现。 因此，共振解调故障诊断系统通常含有受感信号的传感器和共 振解调检测仪表( 如6 0 8 研究所研制的j k 8 2 4 l 系列仪表) ，还有专 用的软件( 如6 0 8 所研制的j k 8 6 4 1 l 铁路车辆轮对轴承不分群试验 诊断系统) 。初级的诊断只研究共振解调的幅度信息，高级的精密 诊断则还研究共振解调的频率信息。 1 0 7 i 油人学( 华东) 硕十论文 第2 章共振解调技术 2 。3 共振解调的诊断应册 共振解调技术出现了以后，应用在一些行业中，取得了很好的 效果。根据该技术应用的方式方法，可以分为两种。一种是直接应 用振动信号经共振解调处理后的信号的幅值来进行的简易诊断 另 外一种是应用共振解调处理后的振动信号进行频域上的分析，按照 一些理论公式，来进一步判断具体是什么故障。 23 1 共振解调的简易诊断 图2 2 是一台共振 解调仪表的粗框图。压 电传感器的电荷信号经 低噪声同轴电线传到仪 表，由电荷放大器做电 荷一电压转换，然后进 入高频谐振器电路，以 剔除低频振动，并对冲 s v 量擅输出 图2 - 2 共振解调初级仪表的基本环节 击产生的微小脉冲进行共振响应。所输出的是组呈对数式自由衰 减的高频间歇振荡波形，即共振响应波形。用一个绝对值检波器和 一个宽频带的低通滤波器对该共振波进行解调；就可以恢复得到一 组“共振解调波”如图2 1 所示。对解调信号作峰值检波，并作倍 值保持，则可以实现初级幅值检测。 由于采用上述的共振解调技术处理信号之后，达到了没有冲击 就没有共振解调波形输出的效果，因此，它的幅值仅含有故障信息。 只应用共振解调幅值信号进行的故障诊断，称之为简易诊断。 在图2 - 2 的框图中。冲击量值是用s v 值来量度的，这是由瑞 典s p m 仪表公司定义的一个无量纲的量，它与冲击力成正比，还 与冲击速度有关。为了免除不同直径的轴承和不同转速对于测量的 影响，前人归纳了下列经验公式【7 4j 。 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章共振解调技术 勰。= 2 0 1 9 i 2 0 0 0 矿s v ( 2 _ 1 ) 式中= s v 。初级仪表得到的轴承的冲击值； d 一轴承的孔径，m m ； n 一测试时的转速，r m m 。 由( 2 一1 ) 式算出的是故障级的d b 数。国际上采用表2 - 的 标准评定轴承。 表2 - 1 用丁轴承故障诊断的s v 利d b 的国际标准 l 状态 d bs v 信号 r 良好 2 0 d b 3 5 d bo 。0 2 0 撕o 5 红色 由于使用仪器的不同，使得共振解调简易诊断的实施方法也有 所不同。目前有两条途径，其一是s p m 4 3 及m i 冲击脉冲计所应用 的比较法；其二是j k 8 2 4 系列及2 3 等仪表所用的直读法。前者 一般须在测量时预知机器的转速、轴径d ，并将该数值置入仪表， 然后设定机器可能的故障级( d b ) ，用人耳听取仪表是否发出预设 的蜂鸣声从而测定故障级，不免受人的习惯和素质的影响；后者在 测量时应用数字仪表直接显示冲击值s v ，将计算留在事后让计算 机去做，不会因人的素质不同而产生不同的结果。 2 。3 2 共振解调信号的精密诊断【7 列 为了精确诊断故障，剔除干扰的影响。重要的是应用和研究其 频率信息。既应 用共振解调信号 的幅值信息，又 应用共振解调的 频率信息来实现 故障量值及原因 分析的诊断，即 传感器 巷霉箍霆壅羹 被测轴承的机器l 懈熊蒜囊：a 或f _ p 辛穗 图2 - 3 共振解调精密诊断的基本环节 1 2 z i 油大学( 华乐) 硕十论文第2 章共振解凋技术 是精密诊断。 精密诊断是以简易诊断的共振解调信号为基础的。这就要求实 施共振解调变换的仪表或软件( 希尔伯特变换等) 给精密诊断留下 可供研究的信息。 实施共振解调精密诊断的主要手段，是对仪表或软件输出的 共振解调信号进行f f t 分析。这是所有精密诊断工作中最起码的必 要条件。而对于共振解调精密诊断来说，却可以算得上必要充分条 件。其信号预处理的优越性，使得精密论断无须依赖更多的频域分 析手段，就可以有效地实现准确的诊断。图2 3 是共振解调精密诊 断的配置框图。 对振动信号赢接进行频谱分析与进行共振解调分析后再进行频 谱分析结果是不同的。为了说明这个问题请看图2 - 4 。直接对图2 - 4 a 中的振动信号进行f f t 分析，获得图2 4 b 所示的频谱，获得的“轴 承故障冲击脉冲的频谱( 夸大) ”，总是被强大的干扰频谱所掩盖而 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章共振解凋技术 不能准确的诊断。而且，捕获冲击脉冲需要很高很高的采样频率， 因为冲击波很窄，它的频谱非常高。 图2 4 e 是对共振解调波作f f t 分析所获得的“共振解调谱”。 除了涵盖所有上述性质外，我们还发现该频谱由矧隔相等( 等于故 障冲击的重复频率) 的一组频谱构成，这就是共振解调频谱独有的 多阶性一共振解调波的频谱( 如图2 - 4 e ) 是多阶的梳状谱线。最 后，我们比较图中的e 和b ，b 中的影响我们识别故障的那些f 常 的、强大的谱线在e 中不见了，而b 中反映故障特征的、一一般看不 到的小谱线，却在共振解调谱图e 中唯一地突现出来。对于谱图叵 进行故障分析，无疑有极大的简单、方便和可靠性。而这则是由上 述一系列的优良性质决定的2 利用上述的特性，我们只需研究共振 解调波及其频谱，就能清楚地看到轴承或齿轮的故障特征谱线，从 而能够方便地识别故障，剔除“干扰”。它的“没有故障就没有谱线”、 “凡是有故障就出现多阶性的谱线”以及其它规律为简化诊断和设 计自动诊断软件提供了较大的便利。 应用共振解调精密诊断技术在工业机械故障诊断中取得了令人 鼓舞的经济效益”。它在用于航空领域设备的地面检测时，检测出 了中央电视台装备的直l l 飞机的旋转主轴承的初期故障，进而找 到了原因，进一步攻克了这一技术难关。同时也促使该轴承的生产 商找到轴承的疲劳原因，改进了生产工艺，使其久攻不克难题迎刃 而解。共振解调精密诊断技术也解决了铁路机车轴承齿轮状态监测 及故障诊断的高难课题。 1 4 ! ! 鲨盔兰! 兰垒! 堡主丝塞 塑! 主堡鲞垂堕堑型墨! ：堡堕些 第3 聋泥浆泵韵结构殛工作原理 本章将对3 n b l3 0 0 c 泥浆泵的结构及工作原理进行介绍。 3 。1 泥浆泵的工作原理 311 泥浆泵的工作原理简介 泥浆泵是往复泵的一种，也是一种容积式泵。作用原理与一般 往复泵完全相同。图3 i 是泥浆泵的结构简图。工作时，动力机通 过皮带、传动轴、齿轮等传动部件带动主轴及固定其上的曲柄旋转。 当曲柄从水平位置从近液力端向远离液力端的方向旋转时，活塞向 动力端移动，液缸内形成真空，吸入池中的液体在液面压力的作用 下，顶丌吸入阀，进入液缸，直到活塞移动到右止点( 即曲柄自0 度旋转到l8 0 度) 。这个工作过程称做泵的吸入过程。曲柄继续旋 转，活塞开始向液力端运动，液缸内液体受挤压，压力升高，吸入 阀关闭，排出阀被顶丌，液体进入排出管，直至活塞移动到左止点 ( 即曲柄自18 0 度旋转到3 6 0 度) 。这个工作过程称做泵的排出过 程。随着动力机的运转，泥浆泵不断重复吸入和排出过程，将液体 源源不断的经排出管送向井底。 3 ，1 2 3 n b l 3 0 0 c 泵简介 3 n b l 3 0 0 c 是兰州石油化工机器总厂的产品，广泛用于油罔钻 井工程中，是油田钻井工程中的关键设备之一。 3 。1 。2 1 泵的基本结构及工作参数 3 n b l 3 0 0 c 三缸单作用泥浆泵的功率大、重量轻、强度高、密 封好，在石油矿场上应用广泛，对其工作状况进行状态监测具有重 要的实际意义。 其主要技术性能如表3 1 所示，泵的基本结构如图3 i 所示。 ! ! 塑叁堂! 兰查! 堡主堡塞 笙! 童塑茎垂塑箜塑丝：! ：堡堕! 里 表3 - 13 n b l3 0 9 c 泵技术特征及基本参数 序号 名称 单位参数 【j 额定输入功率k w ( 马力) 9 5 6 ( j 3 0 0 ) f 2额定冲次冲分 1 2 0 3 冲程长度 m m 3 0 5 4 齿轮传动比 3 8 l 5 传动轴额定转速转分 4 5 7 6 最高t 作压力 m p a ( k g f c m 2 ) 3 4 3 ( 3 5 0 ) 7 最大缸套直径 m m18 0 8 虽大工作排量公升秒 4 66 9 最大缸套泵压 m p a ( k g f c m 2 ) 18 。4 ( 18 8 ) 1 0 吸入管直径 m m3 0 5 i 1 排出管直径 m m j0 0 1 2 外型尺寸长宽高m m 3 5 0 l o j 9 4 2 19 l8 1 3 整体质量 量g 2 3 0 0 0 312 23 n b l 3 0 0 c 泵吸入阀、排出阀的关闭规律 掌握3 n b i 3 0 0 c 泵吸入阀、排出阀的关闭规律对于采集信号 进行信号的截取处理非常重要。所以必须搞清楚吸入阀、排出阀的 关闭规律。吸入阀、排出阀的关闭规律见表3 2 。 该表只是说明各阀关闭的顺序。实际中由于液力的作用各阀的 关闭都有明显的滞后现象。 表3 23 n b l 3 0 0 c 泵的吸入阀、排出阑关闭规律表 l 左缸曲左缸阀的中缸曲中缸阀的右缸曲右缸阀的 f 柄转角关闭时刻柄转角关闭时刻柄转角关闭时刻 10 ( 3 6 0 )排出阀关1 2 02 4 0 l6 018 0吸入阀关3 0 0 i i 2 02 4 00 ( 3 6 0 )排出阀关 j 18 0吸入阀关3 0 06 0 i 2 4 00 ( 3 6 0 )排出阀关1 2 0 f 3 0 06 0l8 0 吸入阀关 l即：一右缸吸入阀关一左缸排出阀关一中缸吸入阀关一 i右缸排出阀关一左缸吸入 l | i 关一中缸排出阀关一 1 6 打油大学( 华东) 硕士论文第3 章泥浆泵的结塑垦：1 ：堡堕堡 31 。2 33 m 8 3 0 0 0 泵动力端各美键轴承主要尺寸 对轴承进行状态监测和故障诊断需要计算出轴承的特征频率。 要计算轴承的特征频率就必须掌握轴承的结构参数。经过测量得到 了3 n b l 3 0 0 c 泵动力端各关键轴承主要尺寸，见表3 3 。 表3 - 33 n b13 0 0 c 动力端各关键轴承主要尺寸 滚 滚子轨道外轨道内保持架 轴承部位型号子 直径圈内径圈外释间距 数( m m )( m m ) ( r a m )( r a m ) 传动轴 3 2 8 4 42 03 0 ，4 53 13 62 5 2 74 1 o 曲轴 4 0 5 3 1 7 22 64 5 84 9 54 0 345 2 o i 连杆人头 2 2 8 6 6 6 7 53 85 0 88 0 4 。87 0 3 46 2 3 ；霪特征频率分析 7 6 、7 7 频率是分析振动原因的重要依据。不同的振动源，其振动特征 频率一般是不同的。旋转机械的振动频率通常是以机器运行转速的 整数倍或分数形式出现，分析机器的转动频率对寻找机器振动的振 源，进行故障诊断具有重要意义。由于本次的研究的重点和难点是 在动力端的轴承上，所以动力端轴承的振动频率的计算就比较重 要。 轴承各元件表面产生的缺陷，如疲劳点蚀、剥落坑或裂纹等使 轴承在运转中产生振动，共振动特征频率为： ( 1 ) 内座圈上具有一个剥落坑的情况； z = 0 。5 z f o ( + 告e o s 口) ( 2 ) 外座圈上具有个剥落坑的情况： 无= o 。5 z f o ( 一告e o s 口) ( 3 ) 滚动体上具有一个剥落坑的情况： 冲击单侧滚道： 厶1 = 0 5 l 学( t 一( 茜) 2 s o s 2 口1 冲击双侧滚道： 五：= f o 等 ! 一( 勃2 。o s 2 口 ( 4 ) 保持架上具有一个缺陷的情况： 正= 0 5 兀( 1 一告c o s 口) 1 7 右油大学( 华东) 硕十论文 第3 章泥浆泵的结构及t 作原理 ( 5 ) 内滚道不圆时： 凡，2 氛，珂，4 l n 。n j u 式中：厶一旋转轴的频率，厶= 斋； m 一轴每分钟的转速，r m i n ： d 一轴承节径； d 一滚动体直径； 口一接触角： z 一滚动体数目。 需要说明的是，上面计算的各种特征频率都是从理论推导出来 的，实际轴承的各种几何尺寸都会有误差，加上轴承安装后的变形， 还有轴承的热变形和磨损，使实际的频率与计算所得频率会有出 入。所以在频谱图上寻找各种特征频率时，需要在计算频率值的附 近寻找近似的值来作诊断。 1 8 _ i 油大学( 华东) 硕十论文第3 章泥浆泵的结构及工作原理 1 9 圃坦霉括醛糕熙000 c l z n n 丑 i ! 垫奎兰! 望堑! 堡主堡塞 笙! 童塑堑蒸塑型堕墨焦兰墨塞 第4 煮泥浆泵韵测试殛信号暴集 4 1 囊验装置及测试系统组成 本次的实验装置和测试系统主要用于测试3 n b l 3 9 0 c 泥浆泵在 不同工况下动力端轴承的振动信号，十字头滑板的振动信号和液力 端泵头的振动信号。 通过对上述测试信号厂耍磊面1r 函五网厂；酾丽 的分析对比，判断泵 ii 的工作状况，分析产 i 苎塑苎塑堡il 皇塑垫塑l l 堕墨墼兰j 生故障的原因，寻找 | _ 厂打j 判别故障的方法。信啊t 一 号的采集系统原理如 i a d 数据采集卡i 图4 - 1 所示。1 3 n b l 3 9 0 c 泵测试 l 塑塑墨叁坚墨竺l 系统主要由以下两个幽4 1 信号采集系统原理图 部分组成。 ( 1 ) 振动测试系统：该系统由高频加速度传感器( k d l 0 0 5 ，6 个) 、 电涡流传感器( k d 9 0 0 0 ，1 个) 、电荷放大器( k d 5 0 0 3 ；内含电涡 流传感器的前置放大器，l 套) 、共振解调仪( j k 9 5 4 f e ，部) 以 及导线组成，用于泵各部分振动信号的测量。( 2 ) 数据采集系统； 接线器( b n c 2 l j o ) 、数据采集卡( n d a q 6 0 2 4 e ) 及便携式电脑 组成，用于将测量系统输出的电压信号转换成数值信号，然后由计 算机存盘。此外采用电涡流传感器测定左缸介杆头动死点( 即离动 力端较近的死点) 位置，作为时标信号。 4 2 测试系统的测点布置 3 n b l 3 0 0 c 泵的测点布置如下图4 2 所示。测点i 、5 为曲轴轴 承；测点2 3 为连杆大头轴承；测点6 、7 为传动轴轴承；测点8 1 0 为十字头；测点1 1 1 6 为各缸泵头；测点0 为介杆头位置( 近动死 点) 。其中：测点o 处安装的为电涡流传感器；测点l 7 处为复合 t i 油人学( 华东) 硕士论文 第4 章泥浆泵的测试及信号采集 共振解调传感器；测点l 1 6 处为加速度传感器。 2 l 咖忙嚣g垛u。02曲zn q 目丑 石油大学( 华东) 硕士论文第4 章泥浆泵的测试及信号采集 4 。3 共振解调仪j k 5 d 1 f e 简介 j k 9 5 4 1 f e 共振解调仪，是以地电隔离共振解调检测仪专 利和多传感器共振解调技术专利为基础设计的。 j 砬9 5 4 1 f e 共振解调仪是一台具有s 个独立通道的仪器( 我们 只购买了r 一个通道) 。可以同时对6 个测点进行共振解调检测。在 某些特定条件下，也可以对同一个测点( 例如：特大口径的轴承座) 安装多个传感器，每个传感器对应一个通道，再把多个通道的信号 叠加起来进行检测。 j k 9 5 4 1 f e 共振解调仪使用了地电隔离共振解调技术；它的每 个通道的前部电路与后部电路是电隔离的，目的在于使后部电路与 计算机联机时，不至因计算机的地电位与安装传感器的机械设备的 地电位不同而产生地电干扰，进而破坏渗断系统的可靠性和准确 性。尽管如此，尽量避免计算机地线对机器地线存在大的电位差是 必要的，例如加上一条从计算机地线到机器的连接线是明智的。因 为，计算机的地线对于大地通常有1 1 0 v 的电位差，而被检测的机 器通常是和大地等电位的。 j k 9 5 4 1 f e 共振解调仪除保留和吸收j k 9 0 4 1 f e 共振解调仪的一 些设计优点外，还兼顾了容错操作设计思想一当仪器与计算机连 接，能通过预先正确编制的软件控制仪器的操作，即使人工操作出 现了错误，也不至于发生错误的测试。新设计的j k 9 5 d d f e 共振解 调仪，将使用户更加容易操作和使用。 j ! 塑叁堂! 兰蔓! 堡笙奎 兰! 里! 望里! ! ! 坠塑鳖茎垫垄鲨塾垦堡垫坌盟 第巷童3 同画1 3 , 9 9 0 浞浆泵动力端轴承振动分析 泥浆泵动力端的故障主要发生在齿轮和轴承上，而其中以轴承 的故障最为常见。泥浆泵动力端的轴承均为滚动轴承。滚动轴承典 型的构造为内圈、外圈、滚动体和保持架。内圈、外圈分别与轴颈 及轴承座孔装配在一起。有内圈转动、外圈不动；也有内圈不动、 外圈转动；还有内外圈分别按不同的转速回转等的使用情况。滚动 体是滚动轴承的核心元件，它使相对运动表面间的滑动摩擦变为滚 动摩擦。保持架使滚动体等距离分布并减少滚动体间的摩擦和磨 损。由于滚动轴承的元件较多相对运动较多，而且是一种支撑部件， 应力对元件影响很大，所以轴承的主要故障形式为磨损失效、疲劳 失效、腐蚀失效、断裂失效、压痕失效和胶合失效等。 5 。13 1 b l3 0 0 0 泥浆泵动力端轴承振动分析 在对动力端轴承振动信号的测试处理中，由于干扰众多；所以 谱线混杂，故障信号不易提取，为了解决这一问题，采用了共振解 调技术。 共振解调技术是将由传感器拾取的信号经过软、硬件仪器转换 以后，再进行频谱分析，所以在第3 章中所述的公式将不再完全适 用。必须根据相 应的理论对公式 进行简化，而后 根据简化的公 式，对所得的振 动信号进行处 理，进行相应的 研究，找到诊断 依据。 表5 - 1 轴承故障特征频率计算公式 轴承故障类型故障特征频率公式 外圈故障 肛气警x 厶 内圈故障伽芝警 滚动体故障 。d o 飞2 - d 2c 广o g x ： 堑垫叁翌! 生垄! 堡主笙壅 笙! 主! 塑兰! ! ! ! ：里堡鉴茎垫塑型塑垦塑翌坌坚 5 f 。故障频率计算 若轴承的中径( 滚动体节圆直径) 是d 。( m m ) ，滚动体的