真空泵狀態監測方法及監測系統研究

王宣宇

WANG Xuan-yu

（河南洛陽欒川鉬業集團股份有限公司，洛陽 471542）

0 引言

設備在線監測與故障診斷系統以現代科學中的系統論、控制論、可靠性理論、失效性理論為基礎，以傳感器、計算機等為技術手段結合監測對象的特殊性，有針對地對各運行參數進行連續監測，對設備狀態做出實時評價，對故障提前預報并做出診斷，減少停機或避免事故擴大化，使企業對設備的維修管理從計劃性維修、事故性維修過渡到以狀態監測為基礎的預防性維修，提高企業設備管理現代化水平，創造巨大經濟效益[1,2]。水環真空泵為選礦廠過藥車間的關鍵設備，真空泵由泵體、葉輪、軸、側蓋、分配器等零件構成。為了及時進行故障預報、及早做出診斷，因此把自動在線監測方式的設備監測方式應用到水環式真空泵運行狀態的監測中是十分必要和可行的。

1 振動診斷技術概述

振動診斷在設備中，或基本上不拆遷中的所有設備，測試設備，振動信號，運行和控制設備的情況下應用十分廣泛，該技術是目前運行的狀態，都未能確定位置，原因及預測未來技術的預測。它具有以下特點：1）設備的操作同步振動信號，故障信息可以在振動信號中。2）容易實現在線監測和診斷。3）作為高故障率增加振動的跡象，失敗常見的癥狀有明顯的振動特性，易于識別。4）檢測手段，方法，理論已經比較成熟。5）該方法簡單，操作方便，投資少。

監測點的選擇應以科學的那些最能夠運行的測量點設備狀態的設備作出全面介紹振動的真實反映。一般應在環繞及其外部，以及互相垂直在三個方向上，選擇一個測試點，在機器振動敏感點進行選擇。該測量點的數量可以反映機器的主要上線運行。測量下列一般原則為基礎點的選擇[3]：1）機械振動敏感點，機器距離最近的臨界點的核心部件，容易出現退化的薄弱環節。2）機器的支點剛度等為基礎，軸承等。3）大型設備的測試點選擇的設備應能反映所有狀況，在設備的前，后，上，下，左，右，中間應該有一個測點。4）選定測試點應注意的環境。如果振動，高溫，高壓點，出風口源等。

2 真空泵在線監測系統結構

軸承振動對軸承的損傷很敏感，例如剝落、壓痕、銹蝕、裂紋、磨損等都會在軸承振動測量中反映出來，所以，通過采用特殊的軸承振動測量器（頻率分析器等）可測量出振動的大小，測得的數值因軸承的使用條件或傳感器安裝位置等而不同。通常，軸承的溫度隨著軸承運轉開始慢慢上升，1.2小時后達到穩定狀態。軸承的正常溫度因機器的熱容量，散熱量，轉速及負載而不同。如果潤滑、安裝不合適，則軸承溫度會急驟上升，會出現異常高溫，這時必須停止運轉，采取必要的防范措施[4]。

2.1 監測測點選擇

至于皮帶驅動方式，振動測試主要是在側面和軸承振動，具體的測量點選擇：驅動側的圓柱滾子軸承水平振動和垂直振動，非驅動側的振動水平圓柱滾子軸承，垂直振動；驅動側的圓柱滾子軸承溫度；非驅動端圓柱滾子軸承溫度；軸的軸向位移。

真空泵從長期運行過程中來看，由于葉輪積灰，軸承失效和真空泵振動較大，嚴重威脅安全生產。因此，振動測量在振動敏感地點進行選擇。真空泵傳動側、非傳動側滾動軸承的水平振動、垂直振動信號，選用磁電式振動速度傳感器拾取，軸位移由電渦流傳感器測量。

2.2 系統的總體結構

基于上述分析，為了使得整個系統得到可靠、穩定以及具有可擴展性的要求，提出系統的整體設計方案如圖1所示。其中主要包括兩個模塊。模塊一主要包括：利用EN3 800內集成的現場信號進行預處理、A/D轉換功能，同時把從傳感器拾取的振動信號，通過接到EN3 800后背板上的接線端子上進行處理，這樣不僅僅簡化系統體積，同時也使得整個系統測量過程顯得比較靈活簡單，界面比較友好。通過實時監測得到的各種振動信號，可以更具需要靈活處理，同時進行一系列的勢分析、資料列表、事件統計列表、報警事件列表、累計列表；顯示方式多樣。模塊二主要利用EN3800振動監測分析系統。開放相應的上位機軟件，進行分析和診斷的過程，即為詳細分析診斷EN3800采集到的結果。

圖1 監測系統結構圖

此外，本系統硬件和軟件功能擴展性極強，能夠根據用戶需要適當調整，為用戶提供全面及時周到的服務。采用當代最先進的微電子技術，集成化程度高，體積小，抗干擾能力強，可靠性高，安裝方便。提供數據分析功能，計算任一通道的最大值、最小值、平均值和報警次數等，為了解機組狀態的變化提供了有利手段。帶有RS-232及RS-485通訊接口，能夠直接與計算機和DCS系統通訊，可以滿足聯網的需要。

3 真空泵典型振動信號分析

3.1 實測典型振動信號分析

通過上述分析，我們對于新購置的一套真空泵的實測振動信號進行分析，由于是新泵，其葉輪、泵體、主軸為不銹鋼材料，使用優質軸承，潤滑良好，所以在運行過程中比較正常、平穩。但是在在起車和停車過程中某一轉速下振動值超過振動標準，出現較大的振動，分析可能原因為轉子經過臨界轉速時產生較大的共振。通過上述方法，捕捉到的異常振動波形，是正常運行時出現的振動，時間2009年2月25日16：45開始，經過波形分析，首先軸向位置發生了明顯變化，由0.05mm變化到0.09mm，約8分鐘后傳動端和非傳動端軸承的垂直振動、水平振動同時開始增加，與ISO 10816-3旋轉機器振動烈度標準相比，實際振動值超過正常值十幾倍左右，軸位移從0.09mm變化到0.14mm，該狀態持續時間4分20秒。在此過程中軸承振動有起伏，兩側軸承振動幅度下降到一定程度，而各個測量點振動幅度基本上不超標，軸位置一直保持在0.12mm，之后兩側軸承振動幅值下降到一定水平（期間軸承振動有起伏），各測點的振動幅值基本上不超標準或超標幅度較小，但軸位置始終保持在0.13mm，該過程的時間長度為3分鐘50秒，然后真空泵又出現較大振動，振動值是旋轉機器振動烈度標準 4到8倍，此時軸位置基本維持在0.14mm，持續時間2分鐘20秒。然后振動幅值開始顯著下降，但此時依然超過振動標準，軸位置保持0.14或0.15mm，約4分鐘后才開始進入停車階段。

從上述振動分析結果來看，真空泵傳動側軸承的垂直與水平振動，遠遠高于非傳動側的振動；約為3～4倍左右，同時真空泵主軸方向出現0.2mm左右的軸向向竄動。兩次振動階段的累積時間接近7分鐘，這對于真空泵的正常運行顯得十分有害的。通過現場緊急停車仔細檢查真空泵發現，使電機輸出軸與真空泵主軸不平行，帶傳動不平穩，真空泵產生較大振動的原因主要是電動機地腳螺絲松動。

在振動監測中，困所監測的真空泵是新安裝的，泵體材質為不銹鋼，在幾個月的時間里不會形成葉片結垢、腐蝕等問題，轉子系統出廠時經過嚴格的動平衡，正常運行中振動值較小，在安全范圍中，表明真空泵轉子系統沒有質量偏心、質量缺損、軸彎曲等機械故障。并且軸承也工作正常，旋轉機械的升降速過程或降速過程是一種非平穩過程，對其測試信號進行分析需要用時頻分析方法。小波變換就是時頻分析方法的一種。

3.2 小波變換理論及其仿真

現在，小波分析已經在科技信息產業領域取得了令人矚目的成就。電子信息技術是六大高新技術中重要的一個領域，它的重要方面是圖象和信號處理。現今，信號處理已經成為當代科學技術工作的重要部分，信號處理的目的就是：準確的分析、診斷、編碼壓縮和量化、快速傳遞或存儲、精確地重構（或恢復）。從數學地角度來看，信號與圖象處理可以統一看作是信號處理（圖象可以看作是二維信號），在小波分析地許多分析的許多應用中，都可以歸結為信號處理問題。現在，對于其性質隨實踐是穩定不變的信號，處理的理想工具仍然是傅立葉分析。但是在實際應用中的絕大多數信號是非穩定的，而特別適用于非穩定信號的工具就是小波分析。

現有一分段信號

其產生的時域波形圖如圖2所示，利用db2小波對其進行5層分解的得到各層逼近信號如圖2所示，5層分解得到的細節信號如圖3所示。

可以看到，原函數在t=1500處是連續且光滑的，其一階導數在此處連續，但二階導數不連續，這導致小波在t=1500處發生劇烈的變化。由此可用小波找出二階導數不連續點的位置，說明小波具有檢測到隱含在函數導數中的突變信息。

圖2 分段號時域波形

圖3 經db2小波5層分解后各層逼近信號

綜上所述，在圖3中，近似信號a1～a5逐漸的將兩個正弦波分離出來，因此小波分解的逼近信號反映了所分解信號的大致輪廓概貌和發展趨勢。經db2小波分解后的細節信號清晰的顯示出了該信號的頻率間斷，因此我們從這些信號上就能夠較好的判斷其信號突變點的出現時間和大概位置。這在我們對存在故障的復雜機械設備進行瞬時沖擊信號檢測時提供了較為有力的幫助。而從對分段信號所作的頻域圖可以看出，我們只能僅僅知道該信號所含的大概頻率，而這只是平穩信號所具有的頻率，我們不能夠從圖上得知整個信號變化的規律，同時也不知道信號發生突變的時間及位置。FFT不能同時顯示時間和頻率的譜圖，這就給具體的診斷過程帶來了不便。

由上可知，小波分析能更好的表示信號的全貌和發展趨勢，同時其在突變點監測上的優勢使其越來越多的應用在了非平穩沖擊信號的故障監測當中。而用FFT由于其在非平穩沖擊信號分析中的不足，使得其應用受到較大的局限，這就使得以小波分析為主要分析手段的時頻分析得到了普及。

4 結論

本文針對水環式真空泵，在理論和實踐上比較系統地研究了振動信號分析方法在真空泵狀態監測的應用，重點研究了真空泵狀態監測系統及其工程應用。通過對連續多個月振動信號數據的采集和分析，成功捕捉到了真空泵起車、停車以及運行狀態下的異常振動特征。實踐證明振動信號分析方法為真空泵安全平穩生產提供了保證。

[1] 王晨,王少萍.液壓系統故障診斷測控系統研制[J].制造業自動化, 2009,31(12)：108-110.

[2] 胡小平,黃之初,胡燕平,等.發動機狀態實時監測系統的研制[J].2001,23(9)：57-59.

[3] 周占懷, 茹秋生.振動測試方法及測試系統的研究[J].制造業自動化, 2006,28(12)： 89-91.

[4] 丁冠亮, 賈民平, 許飛云.基于DSP的旋轉機械狀態監測系統開發[J].制造業自動化, 2003,25(10)：21-23.