往复柱塞泵的振动检测方法及常见故障识别
泵组振动测试准备 本文的监测对象为油田采油普遍使用的五柱塞注水泵。柱塞泵组工作时，通过曲柄连杆机构把电动机的旋转运动转化为柱塞的往复运动，同时把电动机的机械能传给所输送的液体，在结构上，它既有旋转运动部件又有往复运动部件，且其负载大，工况恶劣，因而动态响应极为复杂。在确定检测方案时，传感器的布局尽可能地靠近待测部位，使测取信号的传递路径短而直接，尽量避免信号的减弱、畸变或传递受阻，使所测的信号能最大限度地反映检测部位的工况;应用尽量少的测点拾取尽量多的工况信息，基于上述原则，选取测点13个，其中电机前端垂直、水平方向各1个，曲轴箱外水平方向3个，十字头位置垂直方向3个，泵头沿柱塞轴线方向，即水平方向5个 。根据泵组的结构与运行特点，不同的监测部位所选用的采样分析频率略有差别，见表1。
表1 泵组转速与分析频率
电动机运动为典型的转子旋转运动，虽然其运转速度较高，采用400Hz的分析频率已完全满足对其进行振动分析的采样定理。柱塞泵为往复机械，其振动以脉动形式出现，是宽带振动，所以采用较高的分析频率。
按照上述检测方案，对吐哈油田现场运行泵组的工作状态进行了长时间测试分析，以检验测试方案的可行性，并对现场泵组发生的故障进行了诊断识别 。
机身表面激振源初步分析 柱塞泵机组结构复杂、部件多，激励源也很多，机身表面的振动是内部各种激振源共同作用的综合反映，其主要激励源有以下几种：
· 液压缸内液体压力激荡力 ;
· 液阀组件运动的冲击力;
· 柱塞运动横向撞击力;
· 柱塞往复运动惯性力通过连杆 ，曲轴产生的周期性激励 ;
· 曲轴旋转运动产生的激励;
· 皮带传动失效引起的振动 ;
· 电动机的滚动轴承撞击引起的振动 ;
· 电动机旋转惯性力;
· 其它机构的激励等。
在这些激励的共同作用下，机身表面振动很复杂，表面总的响应是多个激励响应之综合影响，如何从复杂的激励响应中分离出故障激励源是五柱塞泵机组振动信号分析的难点。
机组振动特征频率计算如下 ：
· 柱塞泵曲轴频率：fn=370/60=6.17Hz;
· 五柱塞往复运动不平衡引起的振动频率：f1=6.17×5=30.85Hz;
· 液压阀落座频率：f3=6.17×10=61.7Hz;
· 柱塞横向撞击作用点改变方向的频率：f3=6.17×5×2=61.7Hz;
· 电动机回转频率：f5=1470/60=24.5Hz;
· 电源频率：f6=50Hz;
· 电动机滚动轴承的特征频率：电动机所用滚动轴承的型号为2320，根据电动机的转速及轴承的内、外径，滚珠数等可得滚动轴承的特征频率如表2。
表2 滚动轴承的特征频率 · 传动皮带引起的振动频率：注水泵所用传动皮带为窄V联组皮带8(8根)，经计算皮带故障引起的振动特征频率为19.37Hz。
泵组故障诊断分析 1. 电机故障诊断
当电机的底脚平板结构刚度较低，基座的底脚螺栓松动，或电机绕组的几何中心偏离时出现偏心距，最大振动出现在转速频率处，且水平与垂直方向相位通常相差0度或者180度，如图1所示，电机由于上述原因造成的异常振动，往往引起径向振动增大，从而造成机组运动平衡性变差，它会通过皮带传动，使泵体的同频振动增大，图2为曲轴箱左端水平方向的振动频谱，频谱中的21.85Hz分量同样很大 。
图1 底座刚度较差时电机振动频谱
图2 底座刚度较差时曲轴箱振动频谱
2. 电机轴承故障诊断
当电机滚动轴承的滚道、滚动体或者保持架有缺陷时，通常会引起高频振动，它是由滚动轴承各元件在受力作用时其缺陷冲击重复频率激发所致，有缺陷的轴承所产生的冲击重复频率不会出现在电机轴转速频率的倍数处，但它们有稳定的频率，可通过轴承及其元件的几何尺寸计算得到。
由于滚动轴承元件之间相互运动的特殊性，即由于滚珠除正常的公转与自转外，还会发生摇摆、横向滚动和滑动，使得轴承缺陷重复频率往往发生漂移，造成实际的频率与计算频率有些差异 。图3是测得轴承外圈有缺陷时的电机振动谱图。从图中可看到，轴承出现故障，会引起电机的不正常振动，除了有轴承特征频率142.5Hz、285Hz的谱峰外，还出现了许多频率分量在很多情况下，有缺陷的轴承一般不会引起单一的、离散的振动频率，而事实上可能同时产生若干频率振动，其谐波分量分布甚广，能量较大，有时会淹没缺陷冲击信号频率，此时用峰值能量谱分析比较有利 。
图4是与图3同样故障的电机振动信号的峰值能量谱，在谱图中外圈故障频率一目了然。
图3 轴承外圈有缺陷时的电机振动信号频谱 图4 电机振动峰值能量(GSE)谱图
3. 传动皮带引起的异常振动
皮带传动异常振动可能反映两类问题，一是皮带对设备中其他扰动力的反作用，二是由于实际皮带传动故障造成的振动。如果皮带是简单地对设备中其他扰动力产生反作用力，那么皮带传动的振动除了其特征频率外，还将反映扰动频率，如图5所示，由于安装底座刚度较低，不但引起电机转动频率24.88Hz分量幅值增大，而且皮带振动频率19.58Hz幅值的表现也很明显 。
图5 底座刚度低引起的皮带异常振动谱图 由于带传动的故障，如两带轮轴线不平行，两带轮端面不平齐，以及皮带本身的缺陷引起的振动，一般振动频率为皮带振动特征频率19.37Hz及其倍频，根据故障形式的不同，可能是1倍、2倍、3倍或4倍频等，同时还可能伴随有1.5倍频分量 。
带传动故障一般在与皮带张力平行的方向上产生较大的振幅值，所以可在垂直于轴承座并且在皮带张力方向上设置振动传感器测取皮带振动。
图6是两带轮端面不平齐时，分别在电机前端和曲轴箱水平方向上测取的振动频谱，图(6a) 是电机前端水平方向即与皮带张力基本平行的方向上测取的振动谱，谱中最大振幅6mm/s出现在皮带振动特征频率的2倍频38.81Hz，其次为1倍频19.39Hz、4倍频77.66Hz分量，以及1.5倍频29.14Hz分量，在谱图上5倍频100.1Hz分量也较大。
(a)电机前端水平方向 (b)曲轴箱左端水平方向 图6 带传动故障引起的皮带异常振动
皮带传动出现问题，通过带传动会影响到曲轴的振动，所以在与皮带张力平行的方向上，曲轴箱水平方向的振动频谱也会表现出皮带振动异常的特征频率，图6b是在靠近大带轮一侧，即曲轴箱左端测取的振动谱，从图6b中看到皮带振动特征频率19.39Hz及1.5倍频29.12Hz分量比较突出。
4. 液力端故障识别
液力端 (又称泵头)的宽带频谱反映了柱塞运动引起的液流脉动，进、排液阀落座冲击脉冲，各部件之间周期性撞击所产生的周期性脉动等，图7(a) 较好地说明了这些脉动所产生的谱图特点，泵头水平方向振动信号是典型的冲击信号，冲击源主要是进、排液阀以一定的频率撞击阀座所激励的信号，它的频谱谱峰分布于两个频带内图7(a) 一群谱峰分布在0-152Hz频带内，一群分布于260-450Hz的频带内，相邻谱峰频率相差6.17Hz为柱塞泵的曲轴回转频率、频谱呈转频的倍频分布，由于实际频谱是许多冲击信号在被测点的叠加信号谱，各信号相位不同，传到测点的时间也不同，因此各信号在测点叠加要抵消掉一部分，所以叠加的结果未必使振动加强，在某些频率上的能量会变得很小，谱图上高频区 (260-500Hz) 谱峰的高低错落正说明了这一点，正常信号的脉动特征在机器出现故障时会有所改变，其表现形式是谱图的能量分布及峰值的变化。
(a)正常工作状态 (b)排液阀损坏 图7 泵头振动频谱
图7(b)所示为3#号缸排液阀中心座产生2处宽约2mm深约1mm的径向裂纹，阀外座内缘有2处长约1cm凹进约2mm的切向剥落，以及5#号缸排液阀中心座有1处宽约2mm深约1mm的径向裂纹时泵头振动频谱图，与正常运行状态时同测点频谱图相比，虽然频谱能量分布情况基本相同，但振动幅值及总振动都发生了变化，排液阀损坏后的最大振幅5mm/s比正常工作状态时的最大振幅1.8mm/s增大了近3 倍，总振动从5.514mm/s增至11.17mm/s可见，排液阀出现故障时，不稳定的阀片落座撞击变得很强烈，振动明显增强，与此同时，由于排液阀损坏使各缸泵压不均衡，导致曲轴运转不平稳，频谱图中低频段曲轴回转频率分量及其谐倍频分量明显增大，从图中看到：由于液力端各缸高压液体的激励作用，谱图上谱峰多，且成群状，利用个别特征频率进行故障诊断有一定困难，可借助其它方法进行状态识别。
结 论 通过检测五柱塞注水泵组的振动信号，可以获得各部位或构件的运动信息，对振动信号作频谱分析，能够初步确定泵组的运行状况，通过对现场运行设备实例诊断的分析，表明利用振动信号对柱塞泵机组主要运动部件状态进行监测与故障诊断是可行的 。
泵组激励源较多，形成了泵体复杂的动态响应，一个信号往往可能是多振源相互作用的综合效应，由于各振源的相位不同，所以故障状态时的振动不一定都增加，因此，尚需对泵组的运行机理与故障机理作进一步的研究分析 。
来源：泵业之家公众号(ID：bengyezg)，作者：王江萍等。
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