羅茨真空泵狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)應用

王 浩，王福維，謝 星

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 62100）

0 引言

真空系統(tǒng)是動力系統(tǒng)的重要組成部分，主要功能是提供真空環(huán)境，其主要設備是羅茨真空泵。受工作環(huán)境影響及設備自身運行損耗，羅茨真空泵時常出現(xiàn)超溫、異響、卡死等情況，設備故障率較高，影響保障效率。同時，羅茨真空泵維修工作采用故障后維修及計劃維修的模式，會產生維修不足以及維修過度的情況，因此，結合羅茨真空泵裝備特點，應用狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，能節(jié)省維修經費，提高維修效能，保障設備安全。

1 羅茨真空泵結構特點

羅茨真空泵是一種無內壓縮的旋轉變容式真空泵。真空系統(tǒng)選用的羅茨真空泵均為臥式結構，泵的進氣口在上，排氣口在下，其中JZJQ3750-321A 型氣冷式羅茨真空泵機組在側面有返冷氣口。羅茨泵在2 個半圓形的泵腔內有2 個形狀對稱的轉子，轉子形狀有兩葉（ZJQ3750、ZJQ1200）和三葉（ZJQ600、ZJQ400）的。2 個轉子平行地安裝在一對軸上，由一對傳動比為1 的同步齒輪帶動作等速同步反向旋轉。轉子與轉子、轉子與泵殼之間均保持一定的間隙而互不接觸，其間有0.15～1.0 mm 的間隙，泵腔靠間隙密封，因而運轉時的摩擦損失很小，摩擦消耗功率極低。

由于羅茨泵泵腔內無摩擦，轉子轉速高，一般為1500～3000 r/min，而且轉子不必用油潤滑，可實現(xiàn)無油清潔的抽氣過程。泵的潤滑部位僅限于軸承、齒輪、以及動密封處。泵沒有往復運動，平穩(wěn)、轉速高、尺寸小，可獲得大的抽速，故泵的抽速很高，而且結構簡單、運行經濟。

現(xiàn)階段羅茨真空泵的主要故障原因：一是上游試驗段排放的雜質隨試驗氣流進入到泵腔及密封件內，造成泵體卡死、軸承故障等；二是機械本身的運行損耗，導致軸承、密封環(huán)等器件達到運行壽命損壞以及隨著運行振動造成地腳螺栓松動、轉子不對中等故障。

2 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)應用

2.1 系統(tǒng)簡介

在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)，對設備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測和分析診斷，從而實現(xiàn)主動保護與預知維修的目的，達到提高設備連續(xù)運轉周期和減少停機維修時間和成本的效果。

系統(tǒng)主要包括設備監(jiān)測所需要的振動傳感器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)應用管理器、遠程狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)軟件，能夠在線實時分析診斷設備運行時出現(xiàn)的機械類故障（包括軸承故障、不平衡、不對中、磨損、結構松動、結構共振等故障）、氣蝕類故障，為設備安全運行及科學維修提供決策支持，幫助優(yōu)化設備的運行。

系統(tǒng)在真空系統(tǒng)的羅茨真空泵兩端支撐軸承垂直方向上分別安裝一只振動傳感器，驅動端軸向安裝一只振動傳感器，并接入振動數(shù)據(jù)采集器，如圖1 所示。在同一個振動測點，監(jiān)測系統(tǒng)顯示兩種信號，分別為加速度信號A 和速度信號V。

故障診斷專家系統(tǒng)主要包括故障特征自動獲取模塊、故障推理模塊、人機交互模塊、案例庫模塊，系統(tǒng)構架如圖2 所示。

（1）故障特征自動獲取模塊以遠程監(jiān)測診斷系統(tǒng)為基礎，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得機組實時與歷史運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用信號處理與征兆獲取手段提取機組故障特征。

（2）故障推理模塊包含知識庫（規(guī)則表、事實表、故障表）和規(guī)則推理引擎。知識庫是專家系統(tǒng)的核心，以機組診斷經驗為基礎，將專家經驗形象化，建立常見故障表、故障特征事實表和故障推理規(guī)則表，并結合現(xiàn)場不斷更新的故障案例，豐富完善已有的知識庫。規(guī)則推理引擎是故障診斷專家系統(tǒng)的關鍵，規(guī)則推理過程通過模式匹配完成，由已獲得的故障特征匹配事實表中的相應事實屬性，最終推出基于該事實的結論。

（3）人機交互模塊是建立人與專家系統(tǒng)聯(lián)系的平臺，包含兩方面的功能，一方面完善專家系統(tǒng)故障特征獲取，通過人機對話獲得故障特征自動獲取模塊無法獲得的機組結構、工藝量變化等信息；另一方面，可將專家系統(tǒng)診斷的故障反饋給使用者，及時采取必要的檢維修手段。

（4）案例庫模塊實現(xiàn)了案例學習與轉化為規(guī)則的功能。現(xiàn)場案例的積累與學習是專家系統(tǒng)知識積累的重要手段，也是專家系統(tǒng)具備自學習功能的重要體現(xiàn)。

真空系統(tǒng)羅茨真空泵采用離心泵故障診斷方法。離心泵的主要診斷故障包括：泵軸支撐處軸承的磨損、軸承跑套、軸不對中、軸不平衡、流體激振和汽蝕等故障。

2.2 應用實例

某日真空廠房保障過程中，羅茨真空泵狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)于10:49 發(fā)現(xiàn)異常并發(fā)出報警，10:52 現(xiàn)場運行人員緊急關機過程中發(fā)現(xiàn)ZJQ3750 羅茨真空泵發(fā)出異聲并伴隨濃烈白煙。

圖1 傳感器安裝位置

圖2 專家診斷系統(tǒng)構架

通過故障診斷專家系統(tǒng)分析速度及加速度頻譜發(fā)現(xiàn)，泵驅動端和非驅動端速度值、加速度值在10:49 開始同時迅速升高，在10:53 停機前，速度最大值達34 mm/s，加速度最大值達到336 m/s2。振動高時，速度譜、加速度包絡譜均顯示為轉頻及其諧頻，特別是速度譜中X2、X4 倍頻明顯，說明轉子已經發(fā)生實際嚙合，發(fā)生了較嚴重的碰磨。系統(tǒng)診斷羅茨泵軸承發(fā)生突發(fā)性故障，使間隙增大，并導致同步齒輪或轉子發(fā)生碰磨故障，加劇了振動程度。故障診斷專家系統(tǒng)建議檢查羅茨泵軸承狀態(tài)及同步齒輪、轉子磨損狀態(tài)。將機組ZJQ3750 羅茨真空泵拆解后發(fā)現(xiàn)機泵轉子已經打碎，軸承磨損嚴重，如圖3 所示，與故障專家診斷系統(tǒng)結論相符。

圖3 拆解的故障羅茨真空泵

3 結束語

羅茨真空泵狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的應用，對羅茨真空泵的維修保養(yǎng)工作具有重要指導意義，能夠實現(xiàn)故障預判以及狀態(tài)檢測，極大地節(jié)省人力及物力成本，但目前還存在一些制約。一方面是現(xiàn)有的專家?guī)旒肮收显\斷是基于離心泵特點的整體判斷，使用中需要注重收集數(shù)據(jù)和案例，建成基于羅茨真空泵本身特性的專家?guī)煸\斷系統(tǒng)；另一方面是現(xiàn)有人員對設備的振動數(shù)據(jù)不敏感，對故障分析的機理不清晰，不能充分利用好羅茨真空泵狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，工作中要繼續(xù)加強該系統(tǒng)的培訓，增強人員的理解及使用。