旋轉機械故障模擬試驗臺用于泥漿泵的故障診斷

丁同領 河南省地礦局第一地質環境調查院

旋轉機械故障模擬試驗臺用于泥漿泵的故障診斷

丁同領 河南省地礦局第一地質環境調查院

在以振動傳遞路徑分析作為機械設備故障診斷基本技術的前提下，旋轉機械故障模擬試驗臺系統需要將變速驅動電機、調速器、軸、軸承、偏重轉盤（2只）及齒輪箱等連接起來作為鉆井泥漿泵診斷模型的基本試驗平臺。試驗平臺在前期調配階段可以以虛擬的方式進行模擬構建，在診斷步驟實施之前，預先使用旋轉機械故障模擬試驗臺來進行鉆井泥漿泵頻率和振動能量分布情況的判定。利用3NB—1300C型鉆井泥漿泵作為診斷模型進行故障診斷時，必須有效區分旋轉機械故障模擬試驗臺和實際情況之間的差異性，并精準選擇出檢測點。

鉆井泥漿泵；故障診斷；模擬試驗臺；振動傳遞路徑

1 模擬試驗臺的構建

在以振動傳遞路徑分析作為機械設備故障診斷基本技術的前提下，旋轉機械故障模擬試驗臺系統需要將變速驅動電機、調速器、軸、軸承、偏重轉盤（2只）及齒輪箱等連接起來作為鉆井泥漿泵診斷模型的基本試驗平臺。虛擬試驗平臺在信號采集和故障診斷之前需要將數據存儲服務器、傳感器（3個加速度、激光轉數儀）、接線端子、電纜線、信號調理器、采集軟件、采集卡、故障診斷軟件等有機組合起來。試驗平臺在前期調配階段可以以虛擬的方式進行模擬構建，比如以75～1450r/min轉速模擬不同速度和不同條件下鉆井泥漿泵有可能出現的故障問題。試驗平臺的信息采集系統和故障診斷系統需要對現場振動信號進行及時采集、信號保存、信號實時的顯示、頻域信號分析、序列信號分析以及軸承精密診斷時各類參數的計算等。對于軸承精密診斷功能、壽命預測功能、倒譜計算功能、靜平衡與動平衡計算功能，以及各類參數計算的功能需要該模擬試驗臺在構建的過程中進行功能囊括及設定。

2 故障診斷實施步驟

在診斷步驟實施之前，預先使用旋轉機械故障模擬試驗臺來進行鉆井泥漿泵頻率和振動能量分布情況的判定。按照活塞缸套組件故障試驗、軸瓦磨損故障試驗、泵閥組件人造故障試驗、曲軸主軸承人造故障試驗的數據調查和計算來看，600～900Hz為鉆井泥漿泵整體振級水平的高頻段，400Hz為曲軸工作特征頻段，活塞缸套處測點在此階段的能量較為集中，其振動的情況同時也表示著相應組件的震動水平。泵頭處振動能量一部分集中在中低頻段的80～180Hz，泵閥組件和十字頭上方測點在此處比較集中。主軸承處則集中在0～60Hz低頻段。

設定鉆井泥漿泵時以流量波動幅度比較小、功率比重比較高，并在石油鉆井中普遍應用的3NB—1300C型鉆井泥漿泵作為診斷判定的模型，在旋轉機械故障模擬試驗臺的設定中，3NB—1300C型鉆井泥漿泵動力端作為振動傳遞路徑的發端，經過中間3個缸的信息傳遞，液力端可以作為信息傳遞的被動方，經過試驗的數據分析和診斷，對比3NB—1300C型鉆井泥漿泵故障機理來查找和檢驗故障點。按照虛擬模型所覆蓋的層面以及診斷的需要，對鉆井泥漿泵進行故障診斷需要從3NB—1300C型鉆井泥漿泵整體傳遞路徑的模型角度入手，確定機組的主要障礙以及障礙信息傳遞的路徑，并按照3NB—1300C型鉆井泥漿泵工作原理進行3缸單作用泥漿泵模擬試驗，分析典型故障及測試信號，最后按照信號和模型布置測點，分析出故障點所在的位置，得出相應的結論。

按照3NB—1300C型鉆井泥漿泵模型來布置測點，需要相關人員在不同頻率的情況下對不同組的信號進行及時檢測和記錄，以此來作為信號分析和故障判斷的參考依據。在測試的過程中對于3NB—1300C型鉆井泥漿泵和傳感器之間的鏈接處要進行嚴密的檢查，以避免在運行過程中因為松動而出現故障隱患。當傳感器被固定好之后，按照測點的布置圖進行振動測試，信號采集要在機組振動開始后信號較為穩定的期間實施。就3NB—1300C型鉆井泥漿泵的整體振動信息傳遞而言，3個缸所表示的3條傳遞路徑上不同的測點可以構成不同的時域圖，對所有時域圖的信息進行綜合性判斷時，3NB—1300C型鉆井泥漿泵的故障信息傳遞才可以被完整的掌控。

對比3條傳遞路徑，并對3NB—1300C型鉆井泥漿泵振動測試信號進行整體性的信號采集、分析及處理后，可以獲得3條渠道垂直、水平、軸向時域的對比值。經過對比分析發現，缸1水平值為0.3869，缸2為0.2148，缸3為0.2410，軸向有效值分別為1.0916、0.3188和0.3770。而在垂直有效值方面3個缸的有效值表現為0.6620、0.2289和 0.1890。由此可見，缸1的三個方向最大幅度值均高于其他兩缸，因此，其可以作為3NB—1300C型鉆井泥漿泵的主要故障判斷路徑，但是由于其他兩缸的水平、軸向、垂直有效值的表現存在差異性，因此缸1的有效值并不能完全作為3NB—1300C型鉆井泥漿泵唯一的判斷標準。

從參數點角度入手，在3NB—1300C型鉆井泥漿泵的旋轉機械故障模擬試驗臺構建時，選擇單缸振動作為路徑傳遞模型，則缸1上可以布置5個檢測點，分別與曲軸連桿軸瓦組件、應近動力端的部分、應活塞缸套組件、近液力端、泵閥組件一一對應，并進行相應的信息和信號的采集和處理。單缸振動的路徑模型主要從柱塞缸套組件和泵閥組件之間、泵閥組件和曲軸連桿軸瓦組件之間進行不斷的信息傳遞，從各個監測點有效值和震動烈度參數的檢測和有效對比來看，曲軸連桿軸瓦組件、近動力端部分、泵閥組件的最大峰值分別為15.0000G、10.0000G、4.0000G，其振動的烈度分別為27.75、18.50、24.67，基本大于標準值，而檢測點3和4的值屬于不合格的狀態，由此可見，機組機械故障是絕對存在的。由于故障值及傳播能力主要從故障點向兩邊來逐漸遞減，那么檢測點1就有可能是故障點的所在。作為單缸診斷，缸1的5個檢測點均被控制在低頻階段，按照鉆井泥漿泵的故障機理理論來看，在0～60Hz內主軸承振動的情況比較明顯，由此可推斷3NB—1300C型鉆井泥漿泵存在內外環或者滾珠方面故障，如磨損等。

3 注意事項

利用3NB—1300C型鉆井泥漿泵作為診斷模型進行故障診斷時，必須有效區分旋轉機械故障模擬試驗臺和實際情況之間的差異性，并精準選擇出檢測點。在振動傳遞路徑分析法使用時，目前較為便捷的使用和評判方式主要是較為單一的檢測和診斷，對于兩條或者多條的故障診斷研究，就需要從更為復雜的角度深入分析。當前所使用的振動傳遞路徑分析法和旋轉機械故障模擬試驗臺的故障診斷方案，主要是對較為典型的故障進行診斷和分析，但是尚未有一種方式可以完全覆蓋到鉆井泥漿泵所有故障的診斷和分析，因此，在實踐的過程中還需要進一步地加大研究力度，嘗試將振動傳遞路徑分析法和旋轉機械故障模擬試驗臺的故障診斷方案應用到鉆井泥漿泵的故障診斷中來。

（欄目主持 焦曉梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.12.059