输油泵在输油管道中运行的振动监测与故障诊断.docx

JOURNAL OF MAOMING UNIVERSITY2008 年 8 月Aug. 2008输油泵在输油管道中运行的振动监测与故障诊断梁飞华 ,黄玉新 ,邓宇(茂名学院 机电工程学院 ,广东 茂名 525000)摘要 :为了避免输油泵失效事故的发生 ,最有效的措施就是对输油泵进行振动监测和故障诊断 。介绍了输油泵振动监测的意义 ,从数学模型 、测振仪选择 、测点布置 、频谱分析以及故障诊断等方面阐述了输油泵振动监测与故障诊断系统的原理及 方法 ,并指出了基于模式识别技术的多微机在线监测与计算机辅助诊断系统是其未来的研究方向 。关键词 :输油泵 ;振动监测 ;测振仪 ;故障诊断中图分类号 : TH165. 3文献标识码 :A文章编号 :1671 - 6590 (2008) 04 - 0036 - 040引言输油泵机组是成品油输送系统的主要设备 ,是保证顺利完成成品油输送任务的关键设备 。目前 ,国内对输油泵机组运行状态进行监控和故障诊断尚处于起步阶段 ,多数泵站无监控设备 ,致使油泵抽空 ,电动机及泵轴损坏 ,轴承 、轴瓦过热烧损和泵振动过大等事故时有发生 ,严重影响正常生产 。因此 ,做好输油泵 的故障诊断工作具有重大意义 。输油泵的转子组件与电动机之间采用联轴器直接联接 ,结构简单紧凑 。 对于多级离心泵 ,转子跨距较长 ,要求同轴度及各部分配合间隙的精度较高 ,否则 ,容易引起异常振动或轴 承发热 。对于多级离心泵 ,如果平衡处理不好 ,转子容易产生轴向振动 ,影响轴承寿命 ;输油泵会产生汽蚀 现象 ,导致泵流量减少 ,扬程降低 ,效率下降 ,并产生振动和噪声 ,严重时导致叶轮破坏 。 台旋转机械是 否能可靠工作 ,主要取决于转子的转动是否正常 ,旋转机械的大多数故障与转子直接有关 ,不论哪一种振 动故障都会在机器的最敏感部分即转子上体现出来 。因而 ,通过测量转子振动状态的变化情况就可以获 得有关故障的信息1 - 2 。1输油泵运行状态监测的意义1) 依据“预防维修”的管理思路 ,企业普遍采用“定期计划检修”。随着技术的进步和经验积累 ,人们认识到 ,固定的“大修标准项目”和“检修周期”会导致出现以下几种情况 :(1) 过检 (维修过剩) 。对状态较好的设备 ,进行了不必要的检修 ,由此既造成设备性能下降 ,又造成设 备有效运转周期的损失和人力 、物力 、财力的浪费 ,甚至引发维修故障 。(2) 失检 (维修不足) 。设备在计划检修期未到时或计划检修后不久产生局部故障 ,但受到检修计划制 约 ,不得不带病运行 ,有时故障继续恶化造成运行代价和维修费用增大 ,甚至严重事故 。(3) 临时性维修频繁 。缺陷较多的设备不能适应计划检修安排 ,运行不到下一检修周期就可能被迫停 运 ,进行事故性检修 ,导致生产计划经常被打乱 ,并由此产生非计划抢修 ,打乱了正常的生产节奏 。(4) 盲目维修 。按计划检修并不一定能做到对症下药 ,有无故障 、故障部位 、故障类型 、故障程度难以 事先准确把握 ,由此导致不该修的修了 ,该修的未修或没有足够重视 ,带来“修未修好”等问题 。以前业界普遍认为 ,随着设备使用时间的延续 ,其故障发生频率相应增加 。根据目前有关研究结果表 明 ,这种说法并不很准确 ,如图 1 所示 :A 线 ,即“浴盘曲线”, 起始段设备故障率较高 ,其后故障率恒定 ,寿 收稿日期 :2008 - 05 - 20 ;修回日期 :2008 - 06 - 27作者简介 :梁飞华 (1968 ) ,男 ,广东高州人 ,讲师 ,硕士 ,从事机电一体化及设备仿真的教学与研究 。第 4 期梁飞华等 :输油泵在输油管道中运行的振动监测与故障诊断37期末故障率增加 ;B 线 ,故障率恒定 ,寿期末故障率增加 ; C 线 ,故障率缓慢增加 ,没有明显的寿期 ;D 线 ,当部件是新的时故障率较低 ,而后迅速增加到一个稳定的水平 ; E 线 ,在寿期内故障率恒定不变 ,故障随机发 生 ; F 线 ,早期故障率较高 ,而后逐渐下降到一个稳定或缓慢增加的水平 。从新故障模式曲线可以看出 :(1) 设备的可靠性与运行时间 ( 部件寿期) 之间 的联系并没有想象的那么密切 。并非对设备维修得 越频繁 ,设备就越可靠 。除非有一种支配性部件与 运行时间相关 (如密封垫等) 否则 ,设备大修对提高 设备可靠性贡献不大 。(2) 89 %的设备故障与时间无关 ,并不能通过对 设备定期解体维修来避免设备失效 。(3) 由于设备早期失效率达到 72 % , 如果对设 备过分维修 ,就会将原本运行在稳定期的设备重新返回到早期失效状态 ,因此 ,定期解体大修 ,不但不能图 1 设备故障率与运行时间关系图提高设备的可靠性 ,反而增加了故障率 (定期易损件更换除外) 。目前的设备管理模式 ,既没有关注经济性又没有实现可靠性的目的 。只有开展状态监测 、预知维修 、 设备寿命管理才能保障设备安全 、可靠 、经济的运行 。2) 诊断预测输油泵的故障 。通过诊断预测输油泵的故障 ,可以实现以下目标 :(1) 按输油泵的实际状态延长大修周期和不必要的定期更换密封和轴承等易损件 ,延长使用寿命 ,减 少维修量 ,既节约维修费用 ,又提高了设备利用率 ;(2) 可早期发现输油泵的故障征兆 ,避免突发性意外事故的发生 ,保证输油安全 ;(3) 避免输油泵的过分维修和维修不足 ,消除续发件损坏 ,避免人为隐患等不必要的失误 ;(4) 采用预测技术可为输油泵的维修工作提前做好准备 ,进行针对性维修 ,减少维修时间 ,避免盲目更 换零部件 ,节约维修费用2 。2离心泵的振动监测与故障诊断离心泵在动态时是一定会存在振动的 ,并且当泵发生异常或故障时 ,振动将会发生变化 ,一般表现为振幅加大 。这一特点使从振动信号中获取诊断信息成为可能 ,因此对输油泵的振动监测是有效的 。另外 ,由不同类型 、性质 、原因和部位产生的故障所激发的振动将具有不同的特征 。这些特征可表示为频率成 分 、振幅大小 、相位差别 、波形形状 、能量分布状况等 。这一特点使人们从振动信号中识别故障成为可能 。因此 ,输油泵的振动是可识别的 。2 . 1数学模型根据离心泵振动的以上特点 ,从工程控制论的观点 ,我们可以把离心泵转子系统 、转子振动和故障的 关系用图 2 所示框图来描述 :其中故障相当于系统的输入或激励 ,振动则相当于系统的输出或相应 ,而系 统的特性则可通过系统的输入和输出求出 。设系统为定常线性系统 ,其输入为 x ( t) ,输出为y ( t) 。其拉氏变换为 X ( s) 及 Y ( s) ,即图 2 离心泵转子系统 、振动与故障间的关系- stX ( s) = 0( )e d tx t(1)- stY ( s) = y ( t ) e d t0其中 , s = + i 为复变量 。则可定义 H ( s ) = Y ( s) 为系统的传递函数 ,用以描述系统的特征 。由于傅氏X ( s)变换只是拉氏变换的一种特殊情况 (= 0 时 , s = i) ,这时 H ( s ) = H ( i) 称为系统的频响系数 。又由于茂名学院学报2008 年38FFT 运算很方便 ,因此实际上传递函数 H ( s) 常用频响函数 H ( i) 来代替 。这时系统特征可表示为 H ( i)Y ( i)=,由此可得X ( i)Y ( i) = H ( i) X ( i)(2)式 (2) 即为图 2 的具体数学表达式 。它表明了离心泵的振动是由故障激励和系统特性所共同决定的 。由于故障类型 、性质 、部位和原因的复杂性 ,以及系统特性随传递通道的不同 、系统参数的不同而导致的多 变性 ,因而其振动响应的表现将是十分复杂的 3 。2. 2 振动监测与故障诊断系统的实现从离心泵转子振动信号中全面地提取诊断信息并以直观和清晰的形式表达出来是信号处理的基本任 务和追求的目标 。应用测振仪对离心泵进行状态检测 ,虽不能作为泵大修周期确定的惟一依据 ,但作为参 考条件确是非常必要的 。应用测振仪检测 ,作为泵大修后的验收手段同样是非常必要的 。需要指出的是 , 由于设备的新旧程度不一 ,故对其验收的检测值也不做统一规定 ,应以被验收泵组大修前的检测值为依 据 ,修后值验收的检测值也不做统一规定 ,应以被验收泵组大修前的检测值为依据 ,修后值应低于修前值 。另外 ,应用测振仪还可以发现泵组安装问题 (包括对中不好 、地脚螺栓长期运行松动) ,以及机泵气穴现象 等 。2. 2. 1 机组参数及系统组成1) 机组参数 。某成品油长输管线首站主输泵机组 ,电机功率 P = 1 000kW ,转速 n = 2 980rmin ,电压 U = 6 000V ,电流 I = 110A ;泵使用德国 Ruhrpumpen 公司生产的 ZM IP37503X2 型二级双入口离心泵 ,扬程 H = 320m ,流量 Q = 1 025m3 h ,叶轮级数 2 级 ; 联轴器为金属叠片挠性联轴器 。2) 振动监测仪器的选择与安装 。该监测系 统示意图如图 3 所示 ,在每一个轴承座上尽可能 靠近轴承本身处安装北京京航公司生产的 HG -3518 型测振仪 ( 有数据采集故障诊断系统 ,测量 参数为加速度 、速度 、位移 、温度 、转速) 以测量其 加速度 。考虑到该型号的泵存在压差 ,如果内部 间隙失去 ,推力便会发展到相当大的数量 ,因此图 3 离心泵振动监测系统示意图在止推轴承处安装测振仪用作温度指示器和报警器 ,以预告故障 。(1) 测点布置 ,如图 4 所示 。利用测振仪 ,对 主要设备的轴承及轴向端点进行测试 ,并配有现 场检测记录表 ,每次的测点必须相互对应 。卧式 机泵振动监测点可选在四个轴承座上 ,对准轴心 从垂直径向和水平径向拾取信息值 。实践证实 这八个测定拾取的峰值/ 地毯值与振动速度值和 加速度值汇集综合 ,能较容易找到故障主因 ,而图 4 测点布置示意图且水平径向拾取的峰值/ 地毯值与在轴承承载区下半部拾取的值基本相同 。由于电机后轴承壳外有风扇护罩 ,为确保监测数值准确 ,需要在护罩上开一小孔 ,以使传感器探头直接接触到轴承壳 。监测过程中需 要监测人员结合直接观察法作出判断 ,如怀疑数据的准确性 ,则需做二次检测对比 ,这样获取的数据会更可靠 。(2) 测量周期 。在设备刚刚大修后或接近大修时 ,需两周测一次 ;正常运行时一个月测一次 ;如遇所测 值与上一次测值有明显变化时 ,应加强测试密度 ,以防突发事故而造成故障停机 。(3) 测 量 值 判 定 依 据 。参 照 国 际 标 准 ISO2372 。转 速 为 600 1 200r/ min ; 振 动 测 量 范 围 为 10 1 000 Hz 。通常在设备正常运行时 ,其检测速度值在 4 . 511 . 2mm/ s (75kW 以上机组) 范围为监控使用 ,超 过 7 . 1mm/ s 以上就要考虑安排大修理 。这个数值的确定除考虑设备电机容量外 ,还要考虑工作连续性第 4 期梁飞华等 :输油泵在输油管道中运行的振动监测与故障诊断39强 、安全可靠性高等方面4 。2 . 2 . 2频谱分析 ( FFT 分析)频谱分析是在计算机上用快速傅氏变换 ( FFT) 来实现的 ,因此又称为 FFT 分析法 。频谱图是用频谱 分析法提取诊断信息的一种表达方式 ,本系统采用的频谱图是幅值谱 。设 X ( f ) 为振动信号 x ( t) 的傅氏变换 ,即- i1f iX ( f ) = J x ( t) = x ( t) ed t0一般情况下 X ( f ) 为一复变函数 ,令X ( f ) = U ( f ) + V ( f ) = |X ( f ) | e - i( f )则U2 ( f ) + V2 ( f )| X ( f ) | =(3)式 (3) 中| X ( f ) | 称为幅值谱或 FFT 谱 ,它表示信号中各频率成分的幅值大小沿频率轴的分布状况 。幅值谱可以提供两点诊断信息 :(1) 振动信号中主要由哪些频率成分及谐波分量所组成 ;(2) 组成的谐波分量中哪些成分的幅值最为突出 ,这提示着和故障的某种联系 。3结语本系统采用测振仪在泵轴支撑断面上布置垂直和水平两个方向上拾取振动信号 ,同时对两个方向上的幅谱图进行对比分析 ,遇高振值要先评估泵运行状态 ,再用测振表识别振源以及结合泵运转正常时的频谱图 ,参照 ISO2372 标准 ,由监测趋势图中判断各个测点的振动数据 ,以判别是否存在故障 。 今后的发展方向是收集典型故障的振动特征 ,并进行整理分类 ,数据存入数据库 。然后用诊断信息所提供的振动特征与典型故障的振动特征相互联系起来进行分类比较 (即模式识别) ,对故障的类型 、性质和 产生部位与原因等进行识别 ,为计算机辅助诊断提供决策依据 。进一步开发能达到信息采集全息化 、状态 监测连续化 、数据处理实时化以及故障诊断精确化要求的多微机在线监测系统 ,以便减轻输油泵故障诊断 的劳动强度 ,并针对具体的故障提出解决方案 。 参考文献 佟德纯 ,刘稚钧 . 机械设备综合诊断技术 M . 西安 :西安交通大学出版社 ,1994 :54 - 157.苏欣 ,袁宗明 ,范小霞 ,等 . 输油泵模糊故障诊断 J . 石油机械 ,2006 (2) :43 - 45.廖伯瑜 . 机械故障诊断基础 M . 北京 :冶金工业出版社 ,2004 :8 - 305.全国机械振动与冲击标准化技术委员会 . 中国机械工业标准汇编机械振动与冲击卷 S . 2 版 . 北京 : 中国标准出版社 ,2007.1234The Vibration Monitoring and Malf unction Diagnosisof the Oil - pumps in the Oil - pipelineL IANG Fei - hua , HUANG Yu - xin , DENG Yu( College of Machinery and Electronic Engineering , Maoming University ,Maoming 525000 , China)Abstract : In order not to occur the oil pump invalidation troubles , the most valid measure is to take the vibration m