基于频谱分析的离心泵故障诊断

王宇飞 张 勋 丁雪兴

(1.兰州理工大学石油化工学院;2.兰州石化职业技术学院机械系;3．兰州石化设备维修公司)

离心泵在石油化工生产中起着重要的作用，石油化工生产具有连续性，要求生产设备可靠、稳定、经济、安全运行，这就要求在设备生命周期内不发生或尽量少发生故障[1]。因此，对离心泵进行故障诊断有着重要意义。离心泵的常见故障有：转子不平衡、转子不对中、转轴弯曲、转子支撑部件联接松动、转轴横向裂纹、动静件摩擦以及轴承等主要零部件的故障。由此发现离心泵的故障多与转子有关，转子组件是旋转机械的核心部分，由转轴和各类盘状零件组成。离心泵发生故障的主要特征是机器伴有异常的振动和噪声，其振动信号从时域、频域反映了机器的故障信息，而主要的振动形式为同步振动和亚同步振动，其中绝大多数情况为同步振动。

振动信号是最重要的信息来源，是机械设备运行状态的重要载体和运行状态的本质反映[2]。这就要求诊断仪器能在设备运行中或基本不拆卸的状态下进行测量和分析。旋转机械故障诊断的基本方法有时域分析和频域分析方法，其中时域分析主要解决离心泵的运行状态问题；而对设备故障类型、部位和原因的判断需要选择频域分析，即频谱分析是判断离心泵故障相关内容的重要方法[3]。

1 泵的基本参数

为了能准确分析离心泵的故障情况，现选择IS单级单吸清水离心泵为监测对象，该泵吸送清水和物理化学性质类似水(不含固体颗粒)的液体，具有结构简单、性能可靠、体积小、重量轻、抗汽蚀性能好、电耗低及使用维修方便等优点，广泛应用于工农业生产的给排水领域。诊断故障的离心泵基本参数如下：

型号 IS50-32-200

介质 水

入口压力 10kPa

功率 750W

温度 常温

流量 6.3m3/h

扬程 12.5m

转速 1 450r/min

2 振动监测系统

振动监测系统主要由硬件和软件两部分组成。硬件包括加速度传感器、VCM-20及服务器等，软件为Condmaster Nova。软件主要用于数据传输、分析和备份。首先在现场采集数据，同时在软件上建立测点的相关信息，如测点编号及使用技术(振动、HR/LR或dBm/dBc)等，然后建立测点信息的传输路径，再传给仪器，仪器将显示软件建立的测点信息如测量设备的编号和测点位置。根据仪器提示进行数据采集，然后将采集的数据上传到软件进行分析，分析主要以振动频谱分析为主，其基本参数如下：

传感器型号 SLD144B

测量通道 4个

频率范围 0.5～40.0kHz

测量窗口 矩形窗、汉宁窗、加权平均

测量方法 ISO2372、带征兆的FFT频谱、EVAM智能诊断

计算方法 时间同步、FFT线性、FFT指数、FFT峰值保持

频谱线数 400、800、1 600、3 200、6 400、12 800

3 监测数据

利用监测系统对清水泵进行数据采集，其前轴承的水平方向测点的速度参数报警，记录数据见表1，速度频谱图如图1所示。

表1 清水泵水平方向测点监测数据

图1 清水泵水平方向测点频谱图

4 故障分析

每一个机械运动部件都有各自的运动频率，机器的故障也大多有自己的振动频率，对于离心泵故障类型的判断，选择主频率分析方法是有效实用的，因为离心泵的不同故障类型都对应有相应的特征频率。同时离心泵故障所引起的振动多为强迫振动，强迫振动的振动频率和输入频率是相等的，这为故障类型的判断提供了重要的理论基础。

通过读取清水泵前轴承水平方向的测点，发现在频率为23.75、47.50、71.25 Hz处振幅较高，超过警告值。而在50.00Hz处振幅也比较高，分析发现，50.00Hz处为电源频率的干扰信号，通过换算泵的转动频率为23.75Hz，因此频谱中基频、二倍频和三倍频幅值较大，初步判断故障是由转子不对中引起的。

4.1理论分析

离心泵转子不对中主要有轴承不对中和轴系不对中两种情况，轴承不对中是轴颈在轴承中偏斜，本身不会产生振动，仅影响油膜性能和阻尼；一般转子不对中都是指轴系不对中[4]。轴系不对中是各转子间用联轴器连接时不处在同一直线上，导致轴向、径向产生交变力，振动增加，联轴器咬死，轴承碰撞或轴变形等。其故障特征为：

a. 时域波形在基频正弦波上附加了二倍频谐波；

b. 特征频率主要表现为径向基频、二倍频振动成分，有角度不对中时，还伴随以回转频率的轴向振动[5]；

c. 轴心轨迹呈香蕉形或8字形；

d. 敏感参数有转速和振动负荷。

轴系不对中主要有平行不对中和角度不对中。平行不对中是不对中轴的中心线平行但不共线，在各个轴的联结端产生剪切应力和弯曲变形，联轴器两端的轴承会在径向(垂直和水平方向)上产生高强度的2x振动。角度不对中是两个轴的中心线不平行并在某一点处相交，角度不对中使每个轴都产生弯曲力矩，从而在两端轴承的轴向上产生很强的1x振动和较弱的2x振动。角度不对中同样会在径向上产生较强的1x和2x振动，但这些分量都是同相的。通常情况下泵在运行过程中角度不对中和平行不对中会同时出现，主要特征频率为基频和二、三倍频。

4.2检查验证

某离心泵的振动故障初步判断为联轴器不对中引起的，为了检查验证判断的正确性，选择使用端面外圆双表法，对联轴器的状态进行测量，检测情况如图2所示,其中a表示径向，s表示轴向。检查发现联轴器的轴向和径向均有一定的不对中情况，与判断故障类型吻合。

图2 联轴器状态数据

通过分析振动监测数据发现，其振动最大值为2.34mm/s，根据ISO2372振动诊断标准，清水泵属于小型机械，其振动值超过1.80mm/s时设备即处于较差状态。

5 结束语

离心泵转子不对中故障的原因主要有初始安装对中超差、冷态对中时没有正确估计各转子中心线的热态升高量，工作时出现主动转子与从动转子对中不良、管道力作用、基础变形以及转子弯曲等现象。经分析验证此清水泵是由于冷态对中时没有正确估计各个转子中心线的热态升高量造成的，应对联轴器进行调整找正后继续进行监测，观察其运行状态。

[1] 王迪，姜伟，朱红波，等. 故障诊断技术在离心泵中的应用分析[J].化工机械，2014，41(2)：262～264.

[2] 陈琼.状态监测与故障诊断技术在大型机组中的应用[J]. 化工自动化及仪表，2014，41(10)：1203～1205.

[3] 杨国安.机械设备故障诊断实用技术[M].北京：中国石化出版社，2007：88～117.

[4] 孔祥臣，刘震，胡玉荣，等.离心泵状态监测与故障处理[J].中国设备工程,2012,(10)：56～58.

[5] 张键.机械故障诊断技术[M].北京：机械工业出版社，2008：93～117.