3種離心泵故障機理分析方法與診斷方法深入剖析
2020-05-210
引言
盡管離心泵故障發生原因比較復雜，但是通過對水泵整體振動的分析，具體對振動信號的分辯，例如軸承損壞、葉片磨損、泵軸與電機傳動軸 的質量不平衡、不對中、軸彎曲等，就可以對故障過行診斷;
小編主要通過3種方法:信號分析法、數據分析法、實際分析法，最合得出了一個結論……
1.信號分析方法
1.1傅里葉變換
1.2頻譜分析法的核心DFT算法——FFT-FT算法
1.3頻譜分析方法
2.數據分析法
3.實際振動分析法
本文通過模擬離心泵運行過程中出現的水泵故障，搭建試驗臺測量采集離心泵不同狀態運行過程中的振動信號。利用傅里葉變換對振動信號進行頻譜分析、提取出可以表征離心泵故障的特征信息。分析查找振動故障原因，為實際水泵運行維護提供一套解決方法。
水泵工作現場環境復雜，高溫、濕熱、嗓聲大、監制維護工作難度大。
水泵內部存在機械和水力產生的動態力，水泵的振動有多種特征。既有具有諧波、次諧波、低頻、工頻、高倍頻等頻率特征的振動，也有與頻率無關的振動振動方向有徑向振動、水平振動、垂直振動、軸向振動等候振以及振動誘因有自由振動、受迫振動、自激振隨機振動以及共振。
由于水泵振動的誘因復現根據水泵的振動特征簡要介紹水泵振動故障嚴其產生原因。
1.1轉子不對中
轉子不對中是水泵中常見的故障之一，水泵和電機轉子之間通過聯軸器進行聯接，由于安裝不達標、轉子彎曲、軸承中心線偏移或偏斜、軸承與轉子的間隙以及承受載荷后轉子與軸承的變形等原因，導致水泵軸中心線與電機軸中心線不處于同一條直線上，從而使水泵中心軸線與電機中心軸線形成一定角度、最終導致轉子不對中，進而產生振動并導致機械故障。
轉子不對中可以分為下述三種情況。
第一種是平行不對中:
轉子的軸線之間產生相應的徑向位移，每當轉子轉動一周，徑向彈力就會改變方向4次，即振動2次;所以其振動頻率為基頻的兩倍，此時轉子產生徑向振動。
第二種是偏角不對中:
電機轉子與水泵轉筍的角速度不同，中國的聯軸器容易產生一個彎矩，彎矩的作用是盡量級解電機軸與水泵軸之間的偏角。軸每旋轉一周，其彎矩的作用方向隨之改變一次，所以，角度不對中使轉子增加了軸向力，從而導致轉子在軸向產生振動。
第三種是平行偏角不對中。轉子軸線之間不僅存在徑向位移，同時還存在偏角位移，從而使轉子既產生徑向振動，又產生軸向振動。
圖1為不對中的3種情況。
所謂的不平衡:是由于轉子部件質量偏心或轉I部件出現缺損造成的。
轉子質量偏心通常是由于軹子的結構設計不合理、不均勻、制造誤差以屋安裝誤差等原因造成的。
轉子部件出現轉子通常是轉子在運行過程中由于腐蝕、磨損以及轉子受疲勞力的作用，使轉子零部件局部損傷、材料脫落等造成的。
其振動機理是，轉子各橫截面的質心連線與各截面幾何中心的連線不重合，使轉子在旋轉時各截面的離心力構成一個空同連續力系，造成轉子的撓度曲線為一連續的三維曲線。在高轉速下，即使數量稷甲小的質量偏心也會產生很大的離心力。這個空間離心力系和轉子的撓度曲線是旋轉的。其旋轉的速度與轉子的轉速相同，從而使轉子產生工頻振動
上面為轉子力學模型
顯然，不平衡的離心慣性力越大，振動就越劇烈
1.3座聯接松動
座聯接松動容易導致水袋阻抗偏低，從而使水泵在運行過程中產生較大的振動。支座聯接松動主要有以下特征：支座聯接松動時，其水泵振動相對較強烈，且振動強度隨著轉速的改變較明顯，當轉速達到某一極值時，振幅將發生急剃變大或變小。
支座聯接松動時，其軸心運動軌跡較為混亂。重心偏移，從而產生兩倍頻振動。甚至3倍、4倍、5倍以及更高倍頻的振動。
工程中所制的信號一般用時域來描述，稱為時城信號。然而由于故障的發生、發展會引起信號頻率結構的變化。
為了通過所測信號了解、觀測對象的動態行為，往往需要頻域信息。將時城信號通過數學處理變換為頻域分析的方法稱為頻譜分析。
頻譜分析是旋轉機城故障診斷中使用最廣泛的信號處理、特征提取方法之一*。
2.1傅里葉變換是進行頻率結構分析的重要工具，它可以辨別或區分組成任意波形的一些不同頻率的正弦波和它們各自的振幅。對于一個時域信號X(t)，其傅里葉正變換為
傅里葉變換是從時域到頻域，或從頻域到時域的信號轉換。
傅里葉變換是從時域到頻域，或從頻域到時域 的信號轉換。任何連續測量的時域信號，都可以表 示為不同頻率正弦波信號的無限疊加。在使用傅里 葉變換分析信號時，要保證連續時間信號滿足狄里 赫萊條件：
1)在任意周期內，連續時間周期信號必須絕對可積；
2)在任意有限區間內，連續時 間周期信號具有有限個起伏變化，•
3)在X(t)的任意有限區間內，只有有限個不連續點，而在這些 不連續點上，信號值是有限的。
2.2頻譜分析法的核心DFT算法——FFT-FT算法
離散傅里葉變換 DFT(Discrete Fourier Transform) 是計算機作傅里葉運算引 出的專用名詞 ，離 散采樣信號的傅里葉(Fourier)分析是振動信號頻譜 分析的基礎。
設信號的離散時域采樣樣本為X(n), n=0，1， …，N-1是采樣點，N是信號長度。則信號的離散 傅里葉變換(DFT)為
在計算機中直接進行傅里葉變換(DFT)的運算 量與信號長度N的乎方成正比，運算量太大，工 程應用時一般采用快速傅里葉變換(FFT)算法， FFT算法通過仔細選擇和重新排列中間結果，在速 度上有明顯優勢。對于采樣頻率為/、采樣點數為 N的時間序列尤U)，其離散的傅里葉級數由式(1) 可表示為
由采樣定理可知，系列xU)包含著0~y?2頻段 的連續信息，因此，可以近似把上面的看作區間 (0~N/2)內連續變化的實數于是，上面 兩式可以改寫為
FFT是實施DFT的一種快速運算方式。可以 認為，DFT是一個周期離散時間序列與一個周期離 散頻域序列的組合，借助于FFT算法利用計算機 完成，提供了一種快速頻譜分析方法。FFT-FT得 出的細化譜的頻率比較準確，其幅值誤差量級僅為 0.02%左右、相位誤差在0.1%左右，FFT-FT細化 譜對于fg差為0.5 A/的2個主頻成分也能識別出 來。
頻譜分析常用的頻譜是功率譜和幅值譜。功率 譜表示振動功率隨振動頻率進行分布的情況，物理 意義比較清楚。幅值譜表示對應于各頻率的諧波振 動分量所具有的振幅，應用時比較直觀。幅值譜上 譜線高度就是該頻率分量的振幅大小。
1) 按髙、中、低三個頻段進行分析，初步了 解主故障發生的部位；
2) 按工頻、超諧波、次諧波進行分析，用以 確定故障的范圍：對中、平衡、松動類故障均與工 頻(也稱基頻、轉頻)的整數倍或分數倍有著密切的 關聯；
3) 按頻率成分的來源進行分析，如：零部件 共振的頻率成分、隨機噪聲干擾成分、非線性調制 生成的和差頻成分等；
4) 按特征頻率進行分析，振動特征頻率是各 振動零部件有故障時必定產生的頻率成分。
3實施分析
3.1測試系統簡介
針對水泵的振動測試主要采用NI USB-9234 數據采集卡作為硬件、以北京東方振動與噪聲技術 研究所的DASP軟件為軟件支持、以三相加速度傳 感器和速度傳感器作為振動數據采集端與筆記本電 腦組成一套測試系統。測試系統如圖3所示。
3.2水泵的測點位置
水泵的主要測點位置如圖4所示。測點位置應 選在振動能量向彈性基礎或系統其它部件進行傳遞 的地方，并且每個測點都要在三個互相垂直的方向 (7JC平、垂直、軸向)進行振動測量。因此，在水泵 振動測試中，我們采用三相加速度傳感器、速度傳感 雛為振動數據采集端，主要測試部位有水泵軸承
底座以及出口法蘭處，其中以軸承座處的測點為主要 測點，底座和出口法蘭處的測點稱為輔助測點。
4.1數據采集
搭建水泵振動試驗臺，試驗臺整體如圖所示 (圖刪略-編者），試驗臺水泵性能參數如表1所 示。該水栗軸系自振頻率：
f=n/60=2950/60=49.17 Hz
在搭建的水泵振動試驗臺上，按照前述測點位 置安裝傳感器，聯接數據采集前端。在實測過程 中，保證傳感器與被測結構良好固定，保證聯接牢 固，振動過程中不出現松動。安裝表面平整，不能 有油污、塵土、碎屑。同時，傳感器安裝后，固定 信號線纜，保證測試過程中不出現松動，以確保測 試結果的準確性。設置采樣頻率為10.24 kHz,采 樣長度30 S，分別采集水泵正常和水泵不同故障下 的時域信號。
1) 當出現轉子不對中時，水泵在水平軸向、 水平徑向以及垂直方向振動有效值、基頻幅值及葉 頻幅值明顯增大，在水平徑向、水平軸向整體振動 幅值增加顯著；
2) 當地腳螺栓松動時，水泵垂直方向的振動 幅值明顯增大；
3) 當不平衡出現時，其特征與不對中相似， 7JC泵振動有效值、基頻幅值及葉頻幅值增大，尤其 在水平軸向上，振動有效值明顯增大。
某水泵在大修后返廠發現其水平方向振動過 大，尤其當轉速達到4100 r/min后，隨轉速升高振 動增大明顯。測量栗驅動端、非驅動端軸承和泵體 的振動速度信號，對采集的信號進行頻譜分析，從 其頻譜圖明顯可以看出，軸頻成分是最主要的振動
成分，驅動端、非驅動端軸承座處 振動有效值和軸頻振動幅值明顯。可以判斷水泵存 在不平衡問題。
表2為水泵不同狀態下的有效值及頻率幅值對比，通過比較頻譜、振動有效值、頻率幅值可以得出：
6結論
本文通過模擬水泵運行過程中出現的水泵故障 展開研究，經過分析可以得到如下結論：
1) 振動是水泵系統中普遍存在的問題，也是 影響水泵正常運行的突出問題，在實際工作中必須 嚴格控制系統的振動；
2) 通過獲取的頻譜與故障頻譜對比是判斷早 期故障的重要手段，但水栗振動誘因復雜，后續工 作要注意不斷完善水泵振動故障的特征頻譜；
3利用信號處理技術可以更加深入地展現振 動特征，有利于故障的準確診斷。
相關文章：離心泵選型：老司機3分鐘帶你告別選型煩惱！
盡管離心泵故障發生原因比較復雜，但是通過對水泵整體振動的分析，具體對振動信號的分辯，例如軸承損壞、葉片磨損、泵軸與電機傳動軸 的質量不平衡、不對中、軸彎曲等，就可以對故障過行診斷;
小編主要通過3種方法:信號分析法、數據分析法、實際分析法，最合得出了一個結論……
1.信號分析方法
1.1傅里葉變換
1.2頻譜分析法的核心DFT算法——FFT-FT算法
1.3頻譜分析方法
2.數據分析法
3.實際振動分析法
本文通過模擬離心泵運行過程中出現的水泵故障，搭建試驗臺測量采集離心泵不同狀態運行過程中的振動信號。利用傅里葉變換對振動信號進行頻譜分析、提取出可以表征離心泵故障的特征信息。分析查找振動故障原因，為實際水泵運行維護提供一套解決方法。
1.水泵振動故障
水泵工作現場環境復雜，高溫、濕熱、嗓聲大、監制維護工作難度大。
水泵內部存在機械和水力產生的動態力，水泵的振動有多種特征。既有具有諧波、次諧波、低頻、工頻、高倍頻等頻率特征的振動，也有與頻率無關的振動振動方向有徑向振動、水平振動、垂直振動、軸向振動等候振以及振動誘因有自由振動、受迫振動、自激振隨機振動以及共振。
由于水泵振動的誘因復現根據水泵的振動特征簡要介紹水泵振動故障嚴其產生原因。
1.1轉子不對中
轉子不對中是水泵中常見的故障之一，水泵和電機轉子之間通過聯軸器進行聯接，由于安裝不達標、轉子彎曲、軸承中心線偏移或偏斜、軸承與轉子的間隙以及承受載荷后轉子與軸承的變形等原因，導致水泵軸中心線與電機軸中心線不處于同一條直線上，從而使水泵中心軸線與電機中心軸線形成一定角度、最終導致轉子不對中，進而產生振動并導致機械故障。
轉子不對中可以分為下述三種情況。
第一種是平行不對中:
轉子的軸線之間產生相應的徑向位移，每當轉子轉動一周，徑向彈力就會改變方向4次，即振動2次;所以其振動頻率為基頻的兩倍，此時轉子產生徑向振動。
第二種是偏角不對中:
電機轉子與水泵轉筍的角速度不同，中國的聯軸器容易產生一個彎矩，彎矩的作用是盡量級解電機軸與水泵軸之間的偏角。軸每旋轉一周，其彎矩的作用方向隨之改變一次，所以，角度不對中使轉子增加了軸向力，從而導致轉子在軸向產生振動。
第三種是平行偏角不對中。轉子軸線之間不僅存在徑向位移，同時還存在偏角位移，從而使轉子既產生徑向振動，又產生軸向振動。
圖1為不對中的3種情況。
所謂的不平衡:是由于轉子部件質量偏心或轉I部件出現缺損造成的。
轉子質量偏心通常是由于軹子的結構設計不合理、不均勻、制造誤差以屋安裝誤差等原因造成的。
轉子部件出現轉子通常是轉子在運行過程中由于腐蝕、磨損以及轉子受疲勞力的作用，使轉子零部件局部損傷、材料脫落等造成的。
其振動機理是，轉子各橫截面的質心連線與各截面幾何中心的連線不重合，使轉子在旋轉時各截面的離心力構成一個空同連續力系，造成轉子的撓度曲線為一連續的三維曲線。在高轉速下，即使數量稷甲小的質量偏心也會產生很大的離心力。這個空間離心力系和轉子的撓度曲線是旋轉的。其旋轉的速度與轉子的轉速相同，從而使轉子產生工頻振動
上面為轉子力學模型
顯然，不平衡的離心慣性力越大，振動就越劇烈
1.3座聯接松動
座聯接松動容易導致水袋阻抗偏低，從而使水泵在運行過程中產生較大的振動。支座聯接松動主要有以下特征：支座聯接松動時，其水泵振動相對較強烈，且振動強度隨著轉速的改變較明顯，當轉速達到某一極值時，振幅將發生急剃變大或變小。
支座聯接松動時，其軸心運動軌跡較為混亂。重心偏移，從而產生兩倍頻振動。甚至3倍、4倍、5倍以及更高倍頻的振動。
2信號分析方法
工程中所制的信號一般用時域來描述，稱為時城信號。然而由于故障的發生、發展會引起信號頻率結構的變化。
為了通過所測信號了解、觀測對象的動態行為，往往需要頻域信息。將時城信號通過數學處理變換為頻域分析的方法稱為頻譜分析。
頻譜分析是旋轉機城故障診斷中使用最廣泛的信號處理、特征提取方法之一*。
2.1傅里葉變換是進行頻率結構分析的重要工具，它可以辨別或區分組成任意波形的一些不同頻率的正弦波和它們各自的振幅。對于一個時域信號X(t)，其傅里葉正變換為
傅里葉變換是從時域到頻域，或從頻域到時域的信號轉換。
傅里葉變換是從時域到頻域，或從頻域到時域 的信號轉換。任何連續測量的時域信號，都可以表 示為不同頻率正弦波信號的無限疊加。在使用傅里 葉變換分析信號時，要保證連續時間信號滿足狄里 赫萊條件：
1)在任意周期內，連續時間周期信號必須絕對可積；
2)在任意有限區間內，連續時 間周期信號具有有限個起伏變化，•
3)在X(t)的任意有限區間內，只有有限個不連續點，而在這些 不連續點上，信號值是有限的。
2.2頻譜分析法的核心DFT算法——FFT-FT算法
離散傅里葉變換 DFT(Discrete Fourier Transform) 是計算機作傅里葉運算引 出的專用名詞 ，離 散采樣信號的傅里葉(Fourier)分析是振動信號頻譜 分析的基礎。
設信號的離散時域采樣樣本為X(n), n=0，1， …，N-1是采樣點，N是信號長度。則信號的離散 傅里葉變換(DFT)為
在計算機中直接進行傅里葉變換(DFT)的運算 量與信號長度N的乎方成正比，運算量太大，工 程應用時一般采用快速傅里葉變換(FFT)算法， FFT算法通過仔細選擇和重新排列中間結果，在速 度上有明顯優勢。對于采樣頻率為/、采樣點數為 N的時間序列尤U)，其離散的傅里葉級數由式(1) 可表示為
由采樣定理可知，系列xU)包含著0~y?2頻段 的連續信息，因此，可以近似把上面的看作區間 (0~N/2)內連續變化的實數于是，上面 兩式可以改寫為
FFT是實施DFT的一種快速運算方式。可以 認為，DFT是一個周期離散時間序列與一個周期離 散頻域序列的組合，借助于FFT算法利用計算機 完成，提供了一種快速頻譜分析方法。FFT-FT得 出的細化譜的頻率比較準確，其幅值誤差量級僅為 0.02%左右、相位誤差在0.1%左右，FFT-FT細化 譜對于fg差為0.5 A/的2個主頻成分也能識別出 來。
2.3頻譜分析方法
頻譜分析常用的頻譜是功率譜和幅值譜。功率 譜表示振動功率隨振動頻率進行分布的情況，物理 意義比較清楚。幅值譜表示對應于各頻率的諧波振 動分量所具有的振幅，應用時比較直觀。幅值譜上 譜線高度就是該頻率分量的振幅大小。
1) 按髙、中、低三個頻段進行分析，初步了 解主故障發生的部位；
2) 按工頻、超諧波、次諧波進行分析，用以 確定故障的范圍：對中、平衡、松動類故障均與工 頻(也稱基頻、轉頻)的整數倍或分數倍有著密切的 關聯；
3) 按頻率成分的來源進行分析，如：零部件 共振的頻率成分、隨機噪聲干擾成分、非線性調制 生成的和差頻成分等；
4) 按特征頻率進行分析，振動特征頻率是各 振動零部件有故障時必定產生的頻率成分。
3實施分析
3.1測試系統簡介
針對水泵的振動測試主要采用NI USB-9234 數據采集卡作為硬件、以北京東方振動與噪聲技術 研究所的DASP軟件為軟件支持、以三相加速度傳 感器和速度傳感器作為振動數據采集端與筆記本電 腦組成一套測試系統。測試系統如圖3所示。
3.2水泵的測點位置
水泵的主要測點位置如圖4所示。測點位置應 選在振動能量向彈性基礎或系統其它部件進行傳遞 的地方，并且每個測點都要在三個互相垂直的方向 (7JC平、垂直、軸向)進行振動測量。因此，在水泵 振動測試中，我們采用三相加速度傳感器、速度傳感 雛為振動數據采集端，主要測試部位有水泵軸承
底座以及出口法蘭處，其中以軸承座處的測點為主要 測點，底座和出口法蘭處的測點稱為輔助測點。
4.數據分析
4.1數據采集
搭建水泵振動試驗臺，試驗臺整體如圖所示 (圖刪略-編者），試驗臺水泵性能參數如表1所 示。該水栗軸系自振頻率：
f=n/60=2950/60=49.17 Hz
在搭建的水泵振動試驗臺上，按照前述測點位 置安裝傳感器，聯接數據采集前端。在實測過程 中，保證傳感器與被測結構良好固定，保證聯接牢 固，振動過程中不出現松動。安裝表面平整，不能 有油污、塵土、碎屑。同時，傳感器安裝后，固定 信號線纜，保證測試過程中不出現松動，以確保測 試結果的準確性。設置采樣頻率為10.24 kHz,采 樣長度30 S，分別采集水泵正常和水泵不同故障下 的時域信號。
1) 當出現轉子不對中時，水泵在水平軸向、 水平徑向以及垂直方向振動有效值、基頻幅值及葉 頻幅值明顯增大，在水平徑向、水平軸向整體振動 幅值增加顯著；
2) 當地腳螺栓松動時，水泵垂直方向的振動 幅值明顯增大；
3) 當不平衡出現時，其特征與不對中相似， 7JC泵振動有效值、基頻幅值及葉頻幅值增大，尤其 在水平軸向上，振動有效值明顯增大。
5.實際水泵振動分析
某水泵在大修后返廠發現其水平方向振動過 大，尤其當轉速達到4100 r/min后，隨轉速升高振 動增大明顯。測量栗驅動端、非驅動端軸承和泵體 的振動速度信號，對采集的信號進行頻譜分析，從 其頻譜圖明顯可以看出，軸頻成分是最主要的振動
成分，驅動端、非驅動端軸承座處 振動有效值和軸頻振動幅值明顯。可以判斷水泵存 在不平衡問題。
表2為水泵不同狀態下的有效值及頻率幅值對比，通過比較頻譜、振動有效值、頻率幅值可以得出：
6結論
本文通過模擬水泵運行過程中出現的水泵故障 展開研究，經過分析可以得到如下結論：
1) 振動是水泵系統中普遍存在的問題，也是 影響水泵正常運行的突出問題，在實際工作中必須 嚴格控制系統的振動；
2) 通過獲取的頻譜與故障頻譜對比是判斷早 期故障的重要手段，但水栗振動誘因復雜，后續工 作要注意不斷完善水泵振動故障的特征頻譜；
3利用信號處理技術可以更加深入地展現振 動特征，有利于故障的準確診斷。
相關文章：離心泵選型：老司機3分鐘帶你告別選型煩惱！