某型水泵故障診斷與分析*

田 波

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064)

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某型水泵故障診斷與分析*

田 波

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064)

水泵是應(yīng)用較為廣泛的機(jī)械設(shè)備,對(duì)其開展故障診斷研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)某水泵出現(xiàn)的異常振動(dòng)噪聲問題,通過對(duì)振動(dòng)噪聲線譜數(shù)據(jù)分析,尋找故障主要原因,對(duì)工程實(shí)踐中故障診斷進(jìn)行指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)中樣本水泵空氣噪聲指標(biāo)和烈度指標(biāo)均超過限定值,進(jìn)行水泵故障診斷研究并整改,最終空氣噪聲和烈度值均降到合理的范圍內(nèi),對(duì)今后的水泵故障診斷研究具有一定的實(shí)際意義。

故障診斷; 水泵; 烈度; 噪聲

Class Number U672

1 引言

水泵是管路系統(tǒng)中常用的設(shè)備,在實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的輸送,壓力傳輸?shù)耐瑫r(shí)也是產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的來源[1～2]。對(duì)于一般的設(shè)備,振動(dòng)的頻率主要有設(shè)備的軸頻和葉頻。按照相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),穩(wěn)態(tài)條件下對(duì)設(shè)備的振動(dòng)和空氣噪聲量級(jí)均要求在一定的限值范圍內(nèi)[3～5]。

2013年,某設(shè)備廠實(shí)驗(yàn)室對(duì)同型兩臺(tái)水泵進(jìn)行振動(dòng)噪聲檢測(cè)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng),水泵采用出口憋壓方式運(yùn)行。水泵運(yùn)行時(shí)空氣噪聲A聲級(jí)達(dá)到96dB,烈度達(dá)到7.6mm/s,高于設(shè)計(jì)值。設(shè)備安裝狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行工況均與設(shè)備廠確認(rèn)無誤。

2 測(cè)試系統(tǒng)和試驗(yàn)設(shè)備

2.1 測(cè)試系統(tǒng)

本次試驗(yàn)均采用B&K公司提供數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加速度傳感器、空氣噪聲傳感器。設(shè)備振動(dòng)信號(hào)與噪聲信號(hào)通過傳感器接入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,并經(jīng)過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理。圖1是測(cè)試系統(tǒng)連接示意圖。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)連接框圖

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

水泵額定工況運(yùn)行時(shí)功率為30kW,流量為100m3/h,轉(zhuǎn)速為2970轉(zhuǎn)/分。水泵機(jī)腳通過上層隔振器側(cè)掛安裝在筏架[6]上,筏架通過下層隔振器[7]彈性安裝在試驗(yàn)基座上;管路采用撓性接管彈性安裝。

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

振動(dòng)測(cè)點(diǎn)說明:

圖2中下層基座上的測(cè)點(diǎn)3、4均測(cè)量下層隔振器安裝方向即y方向的振動(dòng);測(cè)點(diǎn)5、6分別位于機(jī)組對(duì)角處;測(cè)點(diǎn)3、4位于下基座上靠近隔振器部位。機(jī)組振動(dòng)烈度測(cè)點(diǎn)7位于電機(jī)外殼上,測(cè)點(diǎn)8位于泵體上。測(cè)點(diǎn)3、4、5、6、7、8均測(cè)量x、y、z三個(gè)方向的振動(dòng),參與烈度的計(jì)算。測(cè)點(diǎn)1上下、2上下布置在機(jī)組的進(jìn)出水口撓性接管處,測(cè)量軸向和徑向振動(dòng)[8]。

參照GB/T 16291.1—2012的方法[8]，并根據(jù)實(shí)際情況做簡(jiǎn)略處理。評(píng)價(jià)小組為實(shí)驗(yàn)室中4名男生、5名女生。首先配制5種標(biāo)準(zhǔn)滋味溶液，分別為0.35%谷氨酸鈉溶液、1%蔗糖溶液、0.7%氯化鈉溶液、0.08%檸檬酸溶液、0.5% L-異亮氨酸溶液。評(píng)價(jià)員首先對(duì)5種標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行品嘗鑒定，然后分別對(duì)2種醬油進(jìn)行滋味鑒定，0～10分制。定量分析結(jié)果以雷達(dá)圖顯示。

x、y、z三個(gè)方向的定義:與水泵機(jī)組安裝平面垂直方向用x標(biāo)記;沿機(jī)組軸線方向用y標(biāo)記;垂直于xy平面的方向用z標(biāo)記。

圖2 水泵浮筏減振裝置振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置圖

噪聲測(cè)點(diǎn)說明:

圖3中測(cè)點(diǎn)1～4為噪聲測(cè)點(diǎn),離機(jī)組表面距離均為0.5m。其中1～3號(hào)測(cè)點(diǎn)離地面高為1.6m,4號(hào)測(cè)點(diǎn)布置在機(jī)組上方1m處。

圖3 水泵噪聲測(cè)點(diǎn)布置圖

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表1 水泵運(yùn)行空氣噪聲A聲級(jí)、總聲級(jí)(20Hz～10kHz) 單位:dB

表2 水泵運(yùn)行振動(dòng)烈度(10Hz～1kHz)對(duì)比 單位:mm/s

表3 水泵運(yùn)行振動(dòng)加速度級(jí)(10Hz～10kHz)對(duì)比 單位:dB

本次測(cè)量的數(shù)據(jù)與在同型設(shè)備相同工況數(shù)據(jù)的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)空氣噪聲聲壓級(jí)差別達(dá)到10dB,運(yùn)行的烈度數(shù)值異常,初步判斷設(shè)備運(yùn)行異常。

3.1 空氣噪聲聲壓級(jí)分析

通過空氣噪聲聲壓級(jí)1/3oct數(shù)據(jù)以及對(duì)比曲線圖4上可以明顯看出在250Hz、315Hz中心頻帶,差值達(dá)到17dB、16dB,水泵在315Hz頻帶達(dá)到了103dB,對(duì)聲壓總級(jí)有明顯影響,20Hz頻帶聲壓級(jí)高出5dB,如表4所示。

表4 空氣噪聲總聲級(jí)1/3oct平均數(shù)據(jù)對(duì)比 單位:dB

圖4 空氣噪聲總聲級(jí)1/3oct平均數(shù)據(jù)對(duì)比 單位:dB

分析水泵四個(gè)測(cè)點(diǎn)的空氣噪聲聲壓級(jí),測(cè)點(diǎn)1、2的噪聲數(shù)據(jù)較大,可以初步判定,空氣噪聲具有明顯的指向性,噪聲源位于泵體左側(cè),可能是出口管路。

3.2 機(jī)腳振動(dòng)分析

分析水泵出口管路振動(dòng)測(cè)點(diǎn)線譜。主要線譜298Hz峰值最大值測(cè)點(diǎn)是出口端上軸向,峰值顯著大于管路出口端下軸向、進(jìn)口端,甚至大于泵體上振動(dòng)測(cè)點(diǎn)8的y方向,判斷噪聲源部位就在出口管路與泵體附近。出口管路振動(dòng)是引起空氣噪聲較大的原因。

結(jié)合對(duì)比泵泵體出口管路與泵體的軸向振動(dòng)線譜數(shù),出口端測(cè)點(diǎn)298Hz振動(dòng)峰值(圖6)大于樣本泵振動(dòng)峰值(圖5),但是在空氣噪聲測(cè)點(diǎn)的315Hz頻帶值反而只有84dB。說明單頻298Hz是引起空氣噪聲在此頻段較高的原因,但并不是引起總聲級(jí)超標(biāo)的最主要原因。

樣本水泵出口端測(cè)點(diǎn)120Hz～298Hz頻率存在譜包,而對(duì)比水泵并沒有(圖5)。這也符合樣本水泵空氣噪聲聲壓級(jí)在200Hz頻帶～315Hz頻帶數(shù)值普遍偏高的現(xiàn)象。

考慮到泵采用出口端憋壓來模擬壓差,并且管路在此處存在較大彎曲,推斷可能由于管路中空氣沒有排空。調(diào)整出口閥的開度,空氣噪聲線譜在200Hz、315Hz中心頻帶1/3oct值有所降低,但并沒有降低到合理的范圍內(nèi)。

圖5 樣本泵兩個(gè)工況管路速度線譜

圖6 對(duì)比泵兩個(gè)工況管路速度線譜

3.3 振動(dòng)烈度分析

振動(dòng)烈度測(cè)點(diǎn)5、6、7、8的Z方向數(shù)值均大于其他方向數(shù)值。布置在泵體上的8號(hào)點(diǎn),振動(dòng)速度達(dá)到了9.03mm/s,對(duì)比泵只有3.49mm/s。對(duì)比振動(dòng)速度線譜,主要頻率對(duì)應(yīng)峰值為22Hz:4.59mm/s、50Hz:1.20mm/s、298Hz:1.22mm/s;0.5MPa時(shí)主要頻率對(duì)應(yīng)峰值為:23Hz:1.69mm/s、49Hz:0.92mm/s、297Hz:0.74mm/s。

分析認(rèn)為49Hz、50Hz是水泵的軸頻(電機(jī)轉(zhuǎn)速2970轉(zhuǎn)/分);297Hz、298Hz為水泵的葉頻。通過對(duì)比圖7可以看出,兩工況運(yùn)行主要頻率一致,軸頻(50Hz)、二倍軸頻(100Hz)、葉頻(298Hz)處均有峰值。影響烈度的主要頻率為22Hz,而且此中心頻率空氣噪聲亦較大。

圖7 兩泵測(cè)點(diǎn)8z振動(dòng)速度線譜

分析水泵基座測(cè)點(diǎn)3、4數(shù)據(jù),主要峰值線譜出現(xiàn)在16Hz、22Hz、50Hz、297Hz,其中16Hz為背景數(shù)據(jù),峰值大小與背景工況峰值相當(dāng);22Hz背景峰值遠(yuǎn)小于泵體峰值見圖8。可以判定22Hz并不是由于背景或者基座傳遞產(chǎn)生。分析烈度測(cè)點(diǎn)Z方向與管路進(jìn)出口撓性接管上下端22Hz線譜,測(cè)點(diǎn)8z振動(dòng)幅值最大,進(jìn)出口撓性接管下端最小(圖9),22Hz由管路遠(yuǎn)端產(chǎn)生的可能性較小。分析同一型號(hào)的其他水泵,發(fā)現(xiàn)同一轉(zhuǎn)速,無明顯22Hz峰值。可以認(rèn)為22Hz不是泵體的安裝頻率[7]。

圖8 泵基座速度線譜圖

圖9 22Hz水泵各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度對(duì)比

22Hz頻率是由泵體自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生。22Hz略低于半軸頻25Hz,電機(jī)與泵體連接部位設(shè)計(jì)有一軸承,并且在運(yùn)行時(shí)溫度升高較快,故障可能與軸承有關(guān)。

經(jīng)了解,軸承為滾珠軸承,排除軸承渦動(dòng)故障[9]。滾珠軸承的故障頻率一般分為外圈頻率,內(nèi)圈頻率,保持體頻率,滾珠頻率等。由于現(xiàn)場(chǎng)缺乏軸承的具體尺寸和安裝咬合角度,故只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得到上述部件的頻率[10]。外圈的振動(dòng)頻率一般為轉(zhuǎn)頻的0.4倍左右,大概為20Hz,與22Hz比較接近。判斷可能是軸承安裝或者外圈體有缺陷[11]。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)重新調(diào)整軸承安裝狀態(tài),運(yùn)行時(shí)22Hz振動(dòng)明顯減小,空氣噪聲線譜在200Hz、315Hz中心頻帶1/3oct值降低到合理的范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

故障設(shè)備在運(yùn)行時(shí),會(huì)出現(xiàn)一種或者幾種現(xiàn)象,通過簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)比對(duì)和線譜分析能夠找到故障的來源。結(jié)合設(shè)備振動(dòng)噪聲測(cè)試的經(jīng)驗(yàn),設(shè)備運(yùn)行需要關(guān)注:設(shè)備安裝狀態(tài),機(jī)腳,基座的平整度,隔振器的安裝是否達(dá)到要求;管路走向,閥門開度,憋壓方式是否正常;設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),轉(zhuǎn)速,壓力,運(yùn)行時(shí)間等。

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A Water Pump Fault Diagnosis and Analysis

TIAN Bo

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064)

Water pump is a widely used machine and the fault diagnosis research of water pump has great realistic significance. Aiming at the abnormal noise and vibration problems of water pumps, the vibration and noise spectral line data is analyzed, finding the main fault reason, and guiding for the engineering practice fault diagnosis. Experimental sample pump air noise indicators and intensity indicators are more than the limit value, conducting pump fault diagnosis and rectification, and finally air noise intensity values were reduced to a reasonable extent, which has a certain practical significance for the water pump fault diagnosis research.

fault diagnosis, water pump, vibration intensity, noise

2015年2月4日,

2015年3月17日

田波,男,碩士研究生,工程師,研究方向:振動(dòng)噪聲控制。

U672

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.043