离心泵故障机理分析与诊断方法研究

2017年第1期小番柱木·27·离心泵故障机理分析与诊断方法研究佟延文(沈阳鼓风机集团股份有限公司，沈阳；110869)摘要：离心泵一旦发生故障将严重影响企业正常生产。通过建造水泵振动试验台，模拟离心泵转子不对中、不平衡和地脚螺栓松动等故障，测量采集离心泵不同状态的振动信号，并据此进行频谱分析，提取出表征离心泵故障的特征信息并对此进行分析诊断，可以查找出故障原因。实际应用表明，这一方法是切实、有效的。关键词：离心泵频谱分析故障诊断中图分类号：TH311文献标识码：A引言水泵在使液体增压的工作中，将原动机的机械能转换为它所输送液体的能量。水泵在运行过程中，振动异常在故障产生的时间进程中出现最早，一些轻微的机械缺陷或损伤就会引起水泵的整体振动，例如轴承损坏、叶片磨损、泵轴与电机传动轴的质量不平衡、不对中、轴弯曲等。因此，水泵故障往往会以异常振动的形式表现出来，其振动信号中蕴含了丰富的故障信息，分析水泵的振动信号即可对其进行故障诊断。．本文通过模拟离心泵运行过程中出现的水泵故障，通过搭建试验台测量采集离心泵不同状态运行过程中的振动信号，利用傅里叶变换对振动信号进行频谱分析，提取出可以表征离心泵故障的特征信息，分析查找振动故障原因，为实际水泵运行维护提供一套解决方法。1水泵振动故障水泵工作现场环境复杂，高温、湿热、噪声大，监测维护工作难度大。水泵内部存在机械和水力产生的动态力，水泵的振动有多种特征，既有具有谐波、次谐波、低频、工频、高倍频等频率特征的振动，也有与频率无关的振动；振动方向有径向振动、水平振动、垂直振动、轴向振动等横振以及扭振；振动诱因有自由振动、受迫振动、自激振动、随机振动以及共振【n。由于水泵振动的诱因复杂，现根据水泵的振动特征简要介绍水泵振动故障及其产生原因。1．1转子不对中转子不对中是水泵中常见的故障之一，水泵和电机转子之间通过联轴器进行联接，由于安装不达标、转子弯曲、轴承中心线偏移或偏斜、轴承与转子的间隙以及承受载荷后转子与轴承的变形等原因，导致水泵轴中心线与电机轴中心线不处于同一条直线上，从而使水泵中心轴线与电机中心轴线形成一定角度，最终导致转子不对中，进而产生振动并导致机械故障。转子不对中可以分为下述三种隋况。第一种是平行不对中。转子的轴线之间产生相应的径向位移，每当转子转动一周，径向弹力就会改变方向4次，即振动2次，所以其振动频率为基频的两倍，此时转子产生径向振动。第二种是偏角不对中。电机转子与水泵转子的角速度不同，中间的联轴器容易产生一个弯矩，弯矩的作用是尽量缓解电机轴与水泵轴之间的偏角。轴每旋转一周，其弯矩的作用方向随之改变一次，所以，角度不对中使转子增加了轴向力，从而导致转子在轴向产生振动。第三种是平行偏角不对中。转子轴线之间不仅存在径向位移，同时还存在偏角位移，从而使转子既产生径向振动，又产生轴向振动。图1为不对中的三种情况。·28·小番柱采2017年第1期(a)平行不对中(b)偏角不对中(c)平行偏角不对中图1不对中的三种情况1．2转子不平衡所谓的不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件出现缺损造成的。转子质量偏心通常是由于转子的结构设计不合理、不均匀、制造误差以及安装误差等原因造成的。转子部件出现缺损通常是转子在运行过程中由于腐蚀、磨损以及转子受疲劳力的作用，使转子零部件局部损伤、材料脱落等造成的。其振动机理是，转子各横截面的质心连线与各截面几何中心的连线不重合，使转子在旋转时各截面的离心力构成一个空间连续力系，造成转子的挠度曲线为一连续的三维曲线。在高转速下，即使数量很小的质量偏心也会产生很大的离心力。这个空间离心力系和转子的挠度曲线是旋转的，其旋转的速度与转子的转速相同，从而使转子产生工频振动。图2为转子力学模型。惯性力：F=mrgv式中F一不平衡惯性力aIe．1l10OG．‘．f．’l7．x、图2转子力学模型m——转动部件质量r—精动部件的偏心距w——转动部件的旋转角速度显然，不平衡的离心惯性力越大，振动就越剧烈。1．3支座联接松动脚支座联接松动容易导致水泵阻抗偏低，从而使水泵在运行过程中产生较大的振动。支座联接松动主要有以下特征：支座联接松动时，其水泵振动相对较强烈，且振动强度随着转速的改变较明显，当转速达到某一极值时，振幅将发生急剧变大或变小。支座联接松动时，其轴心运动轨迹较为混乱，重心偏移，从而产生两倍频振动，甚至3倍、4倍、5倍以及更高倍频的振动。2信号分析方法工程中所测的信号一般用时域来描述，称为时域信号。然而由于故障的发生、发展会引起信号频率结构的变化，为了通过所测信号了解、观测对象的动态行为，往往需要频域信息。将时域信号通过数学处理变换为频域分析的方法称为频谱分析。频谱分析是旋转机械故障诊断中使用最广泛的信号处理、特征提取方法之一[3】。2．1傅里叶变换傅里叶变换是进行频率结构