3种离心泵故障机理分析方法与诊断方法深入剖析
2020-05-210
引言
尽管离心泵故障发生原因比较复杂，但是通过对水泵整体振动的分析，具体对振动信号的分辩，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，就可以对故障过行诊断;
小编主要通过3种方法:信号分析法、数据分析法、实际分析法，最合得出了一个结论……
1.信号分析方法
1.1傅里叶变换
1.2频谱分析法的核心DFT算法——FFT-FT算法
1.3频谱分析方法
2.数据分析法
3.实际振动分析法
本文通过模拟离心泵运行过程中出现的水泵故障，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。
水泵工作现场环境复杂，高温、湿热、嗓声大、监制维护工作难度大。
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、轴向振动等候振以及振动诱因有自由振动、受迫振动、自激振随机振动以及共振。
由于水泵振动的诱因复现根据水泵的振动特征简要介绍水泵振动故障严其产生原因。
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情况。
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:
电机转子与水泵转笋的角速度不同，中国的联轴器容易产生一个弯矩，弯矩的作用是尽量级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3种情况。
所谓的不平衡:是由于转子部件质量偏心或转I部件出现缺损造成的。
转子质量偏心通常是由于轵子的结构设计不合理、不均匀、制造误差以屋安装误差等原因造成的。
转子部件出现转子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同连续力系，造成转子的挠度曲线为一连续的三维曲线。在高转速下，即使数量稷甲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
上面为转子力学模型
显然，不平衡的离心惯性力越大，振动就越剧烈
1.3座联接松动
座联接松动容易导致水袋阻抗偏低，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，振幅将发生急剃变大或变小。
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。
工程中所制的信号一般用时域来描述，称为时城信号。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。将时城信号通过数学处理变换为频域分析的方法称为频谱分析。
频谱分析是旋转机城故障诊断中使用最广泛的信号处理、特征提取方法之一*。
2.1傅里叶变换是进行频率结构分析的重要工具，它可以辨别或区分组成任意波形的一些不同频率的正弦波和它们各自的振幅。对于一个时域信号X(t)，其傅里叶正变换为
傅里叶变换是从时域到频域，或从频域到时域的信号转换。
傅里叶变换是从时域到频域，或从频域到时域 的信号转换。任何连续测量的时域信号，都可以表 示为不同频率正弦波信号的无限叠加。在使用傅里 叶变换分析信号时，要保证连续时间信号满足狄里 赫莱条件：
1)在任意周期内，连续时间周期信号必须绝对可积；
2)在任意有限区间内，连续时 间周期信号具有有限个起伏变化，•
3)在X(t)的任意有限区间内，只有有限个不连续点，而在这些 不连续点上，信号值是有限的。
2.2频谱分析法的核心DFT算法——FFT-FT算法
离散傅里叶变换 DFT(Discrete Fourier Transform) 是计算机作傅里叶运算引 出的专用名词 ，离 散采样信号的傅里叶(Fourier)分析是振动信号频谱 分析的基础。
设信号的离散时域采样样本为X(n), n=0，1， …，N-1是采样点，N是信号长度。则信号的离散 傅里叶变换(DFT)为
在计算机中直接进行傅里叶变换(DFT)的运算 量与信号长度N的乎方成正比，运算量太大，工 程应用时一般采用快速傅里叶变换(FFT)算法， FFT算法通过仔细选择和重新排列中间结果，在速 度上有明显优势。对于采样频率为/、采样点数为 N的时间序列尤U)，其离散的傅里叶级数由式(1) 可表示为
由采样定理可知，系列xU)包含着0~y?2频段 的连续信息，因此，可以近似把上面的看作区间 (0~N/2)内连续变化的实数于是，上面 两式可以改写为
FFT是实施DFT的一种快速运算方式。可以 认为，DFT是一个周期离散时间序列与一个周期离 散频域序列的组合，借助于FFT算法利用计算机 完成，提供了一种快速频谱分析方法。FFT-FT得 出的细化谱的频率比较准确，其幅值误差量级仅为 0.02%左右、相位误差在0.1%左右，FFT-FT细化 谱对于fg差为0.5 A/的2个主频成分也能识别出 来。
频谱分析常用的频谱是功率谱和幅值谱。功率 谱表示振动功率随振动频率进行分布的情况，物理 意义比较清楚。幅值谱表示对应于各频率的谐波振 动分量所具有的振幅，应用时比较直观。幅值谱上 谱线高度就是该频率分量的振幅大小。
1) 按髙、中、低三个频段进行分析，初步了 解主故障发生的部位；
2) 按工频、超谐波、次谐波进行分析，用以 确定故障的范围：对中、平衡、松动类故障均与工 频(也称基频、转频)的整数倍或分数倍有着密切的 关联；
3) 按频率成分的来源进行分析，如：零部件 共振的频率成分、随机噪声干扰成分、非线性调制 生成的和差频成分等；
4) 按特征频率进行分析，振动特征频率是各 振动零部件有故障时必定产生的频率成分。
3实施分析
3.1测试系统简介
针对水泵的振动测试主要采用NI USB-9234 数据采集卡作为硬件、以北京东方振动与噪声技术 研究所的DASP软件为软件支持、以三相加速度传 感器和速度传感器作为振动数据采集端与笔记本电 脑组成一套测试系统。测试系统如图3所示。
3.2水泵的测点位置
水泵的主要测点位置如图4所示。测点位置应 选在振动能量向弹性基础或系统其它部件进行传递 的地方，并且每个测点都要在三个互相垂直的方向 (7JC平、垂直、轴向)进行振动测量。因此，在水泵 振动测试中，我们采用三相加速度传感器、速度传感 雛为振动数据采集端，主要测试部位有水泵轴承
底座以及出口法兰处，其中以轴承座处的测点为主要 测点，底座和出口法兰处的测点称为辅助测点。
4.1数据采集
搭建水泵振动试验台，试验台整体如图所示 (图删略-编者），试验台水泵性能参数如表1所 示。该水栗轴系自振频率：
f=n/60=2950/60=49.17 Hz
在搭建的水泵振动试验台上，按照前述测点位 置安装传感器，联接数据采集前端。在实测过程 中，保证传感器与被测结构良好固定，保证联接牢 固，振动过程中不出现松动。安装表面平整，不能 有油污、尘土、碎屑。同时，传感器安装后，固定 信号线缆，保证测试过程中不出现松动，以确保测 试结果的准确性。设置采样频率为10.24 kHz,采 样长度30 S，分别采集水泵正常和水泵不同故障下 的时域信号。
1) 当出现转子不对中时，水泵在水平轴向、 水平径向以及垂直方向振动有效值、基频幅值及叶 频幅值明显增大，在水平径向、水平轴向整体振动 幅值增加显著；
2) 当地脚螺栓松动时，水泵垂直方向的振动 幅值明显增大；
3) 当不平衡出现时，其特征与不对中相似， 7JC泵振动有效值、基频幅值及叶频幅值增大，尤其 在水平轴向上，振动有效值明显增大。
某水泵在大修后返厂发现其水平方向振动过 大，尤其当转速达到4100 r/min后，随转速升高振 动增大明显。测量栗驱动端、非驱动端轴承和泵体 的振动速度信号，对采集的信号进行频谱分析，从 其频谱图明显可以看出，轴频成分是最主要的振动
成分，驱动端、非驱动端轴承座处 振动有效值和轴频振动幅值明显。可以判断水泵存 在不平衡问题。
表2为水泵不同状态下的有效值及频率幅值对比，通过比较频谱、振动有效值、频率幅值可以得出：
6结论
本文通过模拟水泵运行过程中出现的水泵故障 展开研究，经过分析可以得到如下结论：
1) 振动是水泵系统中普遍存在的问题，也是 影响水泵正常运行的突出问题，在实际工作中必须 严格控制系统的振动；
2) 通过获取的频谱与故障频谱对比是判断早 期故障的重要手段，但水栗振动诱因复杂，后续工 作要注意不断完善水泵振动故障的特征频谱；
3利用信号处理技术可以更加深入地展现振 动特征，有利于故障的准确诊断。
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尽管离心泵故障发生原因比较复杂，但是通过对水泵整体振动的分析，具体对振动信号的分辩，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，就可以对故障过行诊断;
小编主要通过3种方法:信号分析法、数据分析法、实际分析法，最合得出了一个结论……
1.信号分析方法
1.1傅里叶变换
1.2频谱分析法的核心DFT算法——FFT-FT算法
1.3频谱分析方法
2.数据分析法
3.实际振动分析法
本文通过模拟离心泵运行过程中出现的水泵故障，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、嗓声大、监制维护工作难度大。
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、轴向振动等候振以及振动诱因有自由振动、受迫振动、自激振随机振动以及共振。
由于水泵振动的诱因复现根据水泵的振动特征简要介绍水泵振动故障严其产生原因。
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情况。
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:
电机转子与水泵转笋的角速度不同，中国的联轴器容易产生一个弯矩，弯矩的作用是尽量级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3种情况。
所谓的不平衡:是由于转子部件质量偏心或转I部件出现缺损造成的。
转子质量偏心通常是由于轵子的结构设计不合理、不均匀、制造误差以屋安装误差等原因造成的。
转子部件出现转子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同连续力系，造成转子的挠度曲线为一连续的三维曲线。在高转速下，即使数量稷甲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
上面为转子力学模型
显然，不平衡的离心惯性力越大，振动就越剧烈
1.3座联接松动
座联接松动容易导致水袋阻抗偏低，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，振幅将发生急剃变大或变小。
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
工程中所制的信号一般用时域来描述，称为时城信号。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。将时城信号通过数学处理变换为频域分析的方法称为频谱分析。
频谱分析是旋转机城故障诊断中使用最广泛的信号处理、特征提取方法之一*。
2.1傅里叶变换是进行频率结构分析的重要工具，它可以辨别或区分组成任意波形的一些不同频率的正弦波和它们各自的振幅。对于一个时域信号X(t)，其傅里叶正变换为
傅里叶变换是从时域到频域，或从频域到时域的信号转换。
傅里叶变换是从时域到频域，或从频域到时域 的信号转换。任何连续测量的时域信号，都可以表 示为不同频率正弦波信号的无限叠加。在使用傅里 叶变换分析信号时，要保证连续时间信号满足狄里 赫莱条件：
1)在任意周期内，连续时间周期信号必须绝对可积；
2)在任意有限区间内，连续时 间周期信号具有有限个起伏变化，•
3)在X(t)的任意有限区间内，只有有限个不连续点，而在这些 不连续点上，信号值是有限的。
2.2频谱分析法的核心DFT算法——FFT-FT算法
离散傅里叶变换 DFT(Discrete Fourier Transform) 是计算机作傅里叶运算引 出的专用名词 ，离 散采样信号的傅里叶(Fourier)分析是振动信号频谱 分析的基础。
设信号的离散时域采样样本为X(n), n=0，1， …，N-1是采样点，N是信号长度。则信号的离散 傅里叶变换(DFT)为
在计算机中直接进行傅里叶变换(DFT)的运算 量与信号长度N的乎方成正比，运算量太大，工 程应用时一般采用快速傅里叶变换(FFT)算法， FFT算法通过仔细选择和重新排列中间结果，在速 度上有明显优势。对于采样频率为/、采样点数为 N的时间序列尤U)，其离散的傅里叶级数由式(1) 可表示为
由采样定理可知，系列xU)包含着0~y?2频段 的连续信息，因此，可以近似把上面的看作区间 (0~N/2)内连续变化的实数于是，上面 两式可以改写为
FFT是实施DFT的一种快速运算方式。可以 认为，DFT是一个周期离散时间序列与一个周期离 散频域序列的组合，借助于FFT算法利用计算机 完成，提供了一种快速频谱分析方法。FFT-FT得 出的细化谱的频率比较准确，其幅值误差量级仅为 0.02%左右、相位误差在0.1%左右，FFT-FT细化 谱对于fg差为0.5 A/的2个主频成分也能识别出 来。
2.3频谱分析方法
频谱分析常用的频谱是功率谱和幅值谱。功率 谱表示振动功率随振动频率进行分布的情况，物理 意义比较清楚。幅值谱表示对应于各频率的谐波振 动分量所具有的振幅，应用时比较直观。幅值谱上 谱线高度就是该频率分量的振幅大小。
1) 按髙、中、低三个频段进行分析，初步了 解主故障发生的部位；
2) 按工频、超谐波、次谐波进行分析，用以 确定故障的范围：对中、平衡、松动类故障均与工 频(也称基频、转频)的整数倍或分数倍有着密切的 关联；
3) 按频率成分的来源进行分析，如：零部件 共振的频率成分、随机噪声干扰成分、非线性调制 生成的和差频成分等；
4) 按特征频率进行分析，振动特征频率是各 振动零部件有故障时必定产生的频率成分。
3实施分析
3.1测试系统简介
针对水泵的振动测试主要采用NI USB-9234 数据采集卡作为硬件、以北京东方振动与噪声技术 研究所的DASP软件为软件支持、以三相加速度传 感器和速度传感器作为振动数据采集端与笔记本电 脑组成一套测试系统。测试系统如图3所示。
3.2水泵的测点位置
水泵的主要测点位置如图4所示。测点位置应 选在振动能量向弹性基础或系统其它部件进行传递 的地方，并且每个测点都要在三个互相垂直的方向 (7JC平、垂直、轴向)进行振动测量。因此，在水泵 振动测试中，我们采用三相加速度传感器、速度传感 雛为振动数据采集端，主要测试部位有水泵轴承
底座以及出口法兰处，其中以轴承座处的测点为主要 测点，底座和出口法兰处的测点称为辅助测点。
4.数据分析
4.1数据采集
搭建水泵振动试验台，试验台整体如图所示 (图删略-编者），试验台水泵性能参数如表1所 示。该水栗轴系自振频率：
f=n/60=2950/60=49.17 Hz
在搭建的水泵振动试验台上，按照前述测点位 置安装传感器，联接数据采集前端。在实测过程 中，保证传感器与被测结构良好固定，保证联接牢 固，振动过程中不出现松动。安装表面平整，不能 有油污、尘土、碎屑。同时，传感器安装后，固定 信号线缆，保证测试过程中不出现松动，以确保测 试结果的准确性。设置采样频率为10.24 kHz,采 样长度30 S，分别采集水泵正常和水泵不同故障下 的时域信号。
1) 当出现转子不对中时，水泵在水平轴向、 水平径向以及垂直方向振动有效值、基频幅值及叶 频幅值明显增大，在水平径向、水平轴向整体振动 幅值增加显著；
2) 当地脚螺栓松动时，水泵垂直方向的振动 幅值明显增大；
3) 当不平衡出现时，其特征与不对中相似， 7JC泵振动有效值、基频幅值及叶频幅值增大，尤其 在水平轴向上，振动有效值明显增大。
5.实际水泵振动分析
某水泵在大修后返厂发现其水平方向振动过 大，尤其当转速达到4100 r/min后，随转速升高振 动增大明显。测量栗驱动端、非驱动端轴承和泵体 的振动速度信号，对采集的信号进行频谱分析，从 其频谱图明显可以看出，轴频成分是最主要的振动
成分，驱动端、非驱动端轴承座处 振动有效值和轴频振动幅值明显。可以判断水泵存 在不平衡问题。
表2为水泵不同状态下的有效值及频率幅值对比，通过比较频谱、振动有效值、频率幅值可以得出：
6结论
本文通过模拟水泵运行过程中出现的水泵故障 展开研究，经过分析可以得到如下结论：
1) 振动是水泵系统中普遍存在的问题，也是 影响水泵正常运行的突出问题，在实际工作中必须 严格控制系统的振动；
2) 通过获取的频谱与故障频谱对比是判断早 期故障的重要手段，但水栗振动诱因复杂，后续工 作要注意不断完善水泵振动故障的特征频谱；
3利用信号处理技术可以更加深入地展现振 动特征，有利于故障的准确诊断。
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