立式泵機(jī)組振動現(xiàn)場測試與分析

吳安凱，莫岳平，王玉杰，王建明，毛新平，任學(xué)強(qiáng)

（1.揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.山西省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，山西 太原 030024；3.廈門品方工程項目管理有限公司山西省分公司，山西 太原 030000；4.山西省平遙縣水利局，山西 平遙 031100）

近年來隨著信號分析技術(shù)的發(fā)展，振動信號的獲取得到了很大程度的進(jìn)步，尤其是在水泵系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)方面，為使機(jī)組設(shè)備能延長使用壽命，得到安全穩(wěn)定的運(yùn)行，國內(nèi)外科研人士研究方向大部分都是關(guān)于水泵機(jī)組開機(jī)和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及其振動故障診斷。學(xué)者們在實踐中提出的眾多診斷手段，也取得十分理想的分析結(jié)果。國外在檢測振動故障技術(shù)研究方面已取得較多的實踐成功經(jīng)驗，如美國GEBently公司的System1系統(tǒng)平臺[1]、瑞士Vibro-Meter公司的VM600系統(tǒng)[2]都主要用于振動方面；SYSTEM2多功能維修工作站[3]，是由德國DB公司研制的，它主要用于分析機(jī)組振動方面的故障。國內(nèi)對于故障診斷與監(jiān)測的研究開始比較晚，由于設(shè)備的特殊性，提出振動監(jiān)測也只有幾十年的歷史，20世紀(jì)90年代開始的智能化故障診斷技術(shù)，發(fā)展迅速，已從過去只監(jiān)測振動和擺度到現(xiàn)在通過環(huán)境溫度、壓力大小和磁場強(qiáng)度等眾多項目監(jiān)測來進(jìn)行分析。應(yīng)用比較廣泛、成熟的穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)主要有華科同安TN8000、華水機(jī)HJS系統(tǒng)等[4]。然而，目前國內(nèi)在泵站管理上，大型立式水泵機(jī)組監(jiān)測診斷系統(tǒng)仍處于研究開發(fā)階段。

本研究為提高水泵機(jī)組運(yùn)行安全性，針對機(jī)組運(yùn)行時存在的振動情況對現(xiàn)場4組泵站進(jìn)行振動測試。通過振動信號采集處理系統(tǒng)，對水泵機(jī)組進(jìn)行振動傳感器檢測位置調(diào)試安裝，獲得上、下機(jī)架振動值，再對獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而進(jìn)行故障診斷。

1 工程概況

杜河提水工程是晉城市“井”字型大水網(wǎng)骨干水源工程之一，工程取水位位于杜河水庫大壩上游1 600 m處的沁河左岸。其主要任務(wù)是開發(fā)新的供水水源，解決部分工業(yè)園區(qū)用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水。為了掌握機(jī)組在不同揚(yáng)程運(yùn)行時的狀況，驗證機(jī)組在不同上下游水位組合工況下的抽水性能[5]，在杜河泵站現(xiàn)安裝立式軸流泵4臺機(jī)組，設(shè)計揚(yáng)程293 m，單機(jī)流量0.57 m3/s。同時為克服機(jī)組運(yùn)行中的不穩(wěn)定性，對水泵機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場測試，分析振動原因。

2 振動信號采集處理系統(tǒng)組成

在了解立式泵機(jī)組常見振動故障現(xiàn)象產(chǎn)生原因以及相關(guān)振動檢測方法以后，根據(jù)項目的相關(guān)要求以及具體情況，決定以壓電式速度傳感器作為振動信號的采集裝置，加入對應(yīng)的信號調(diào)理電路來處理采集到的振動信號并輸出給軟件設(shè)計部分，通過軟件部分進(jìn)行顯示處理，完成此次信號采集，如圖1所示。

圖1 信號處理電路框圖

第一部分中第一模塊經(jīng)過電荷轉(zhuǎn)換電壓電路之后，輸出為電壓信號，但由其信號微弱，需要放大電壓信號；本項目中第二模塊由于用到壓電薄膜的諧振頻率很低，在抗干擾電路中，選用低通濾波電路最為常見；第三模塊當(dāng)收集信號時，避免不了受到外界環(huán)境（如電磁波）和其他電氣設(shè)備干擾，其中市電中50 Hz的工頻干擾最為突出，它無時無刻地以電磁波的形式向外擴(kuò)散和傳播，因此設(shè)計1個50 Hz的工頻陷波電路，主要作用是濾掉50 Hz這一特定頻率的干擾信號，使得其他正常的有效信號能夠不受影響；在最后模塊輸出部分設(shè)計1個過載指示電路。它的功能是監(jiān)測信號調(diào)理電路的電壓輸出范圍，為了保證后續(xù)電壓能處于微處理器的允許輸入范圍。接下來第二部分就是數(shù)據(jù)采集、顯示、處理及分析系統(tǒng)，其作用是獲取信號并顯示具體振動值，同時進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析[6-7]。

3 振動信號采集處理裝置選型與安裝

3.1 振動信號采集處理裝置選型

本次測量振動的配套硬件設(shè)備型號、性能為：ZHJ-2D壓電式速度傳感器。主要技術(shù)參數(shù)：電荷靈敏度4.0 mV/mm/s，測量范圍1 270 mm/s，外形尺寸Φ25.4×57 mm，頻率響應(yīng)2.0～8.0 kHz，傳輸距離305 m，工作溫度-40℃～+150℃，相對濕度≤90%。

3.2 振動信號采集處理裝置安裝

在本次實驗項目振動測試與分析中，測點設(shè)置和安裝是接收水泵機(jī)組在運(yùn)行時的工況狀態(tài)信息最重要的環(huán)節(jié)之一。這不僅需要結(jié)合水泵機(jī)組設(shè)備結(jié)構(gòu)的特點，其中為了實現(xiàn)本文裝置安裝的合理與準(zhǔn)確性，還必須選擇最有代表性的測點。在運(yùn)行調(diào)試中需根據(jù)水泵機(jī)組運(yùn)行故障振動來進(jìn)行正確選擇。測點的設(shè)置直接影響到振動信號采集的真實性和整個系統(tǒng)的診斷分析，既要求能夠監(jiān)測機(jī)組的最大振動部位，同時還要有能夠反映機(jī)組運(yùn)行情況的參數(shù)變化[8-9]。

測點設(shè)置：機(jī)組電機(jī)振動水平方向測點3個，1圈的每九十度1個，上機(jī)架軸承垂直振動1個；機(jī)組水泵振動下機(jī)架垂直，水平各1個；轉(zhuǎn)軸擺度的測量可以通過在同一平面相互垂直2個方向安裝2個壓電式速度傳感器。安裝位置如圖2所示。

圖2 傳感器安裝位置圖

4 現(xiàn)場測試與分析

4.1 現(xiàn)場測試

2021年度結(jié)合工程對杜河泵站4臺機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場安裝、調(diào)試、測試分析，分別對水泵機(jī)組電機(jī)振動（上機(jī)架處）和水泵振動（下機(jī)架處）進(jìn)行振動值測試。本文以7月-8月1#機(jī)組振動數(shù)據(jù)為例，測試結(jié)果見表1。

表1 機(jī)組振動數(shù)據(jù)

4.2 測試結(jié)果分析

從現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)來看，機(jī)組振動水平振動測點3個，即水平-垂直-軸向三向；電機(jī)振動機(jī)組上機(jī)架水平2方向振動值明顯超出正常范圍值（0.076 MM），并且大于其他水平部位方向的振動值，而水平1、水平3方向振動值相當(dāng)，振動值也符合要求。在排除螺絲松動的情況下，說明機(jī)組上機(jī)架的振動情況與水力有關(guān)，水流的方向?qū)е罗D(zhuǎn)子不平衡，在順?biāo)鞣较蛏险駝又递^大。機(jī)組下機(jī)架垂直振動也是處于一個穩(wěn)定值狀態(tài)，皆屬于正常振動值范圍。水泵電機(jī)層下機(jī)架擺度測點兩者是垂直的，高度差十幾公分，都是在電機(jī)水泵靠背輪下方剛開始處于穩(wěn)定值，之后擺度值增大，分析原因是造成了軸承、機(jī)械密封損傷，軸承磨損松動而振動增大。用壓電式傳感器測量軸相對于軸承的振動（非接觸式），軸的振動幾乎不傳遞到外殼，所以測外殼的振動不能反映出設(shè)備實際的振動大小。而滾動是剛性接觸，與之不同，機(jī)器真實的振動幾乎全部能傳遞到軸承外殼上。

5 結(jié)束語

本次現(xiàn)場測試在水泵振動信號與故障關(guān)聯(lián)研究的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)選改造的振動信號檢測裝置，對項目現(xiàn)場水泵機(jī)組的振動信號進(jìn)行采集、分析和處理，以獲得水泵機(jī)組運(yùn)行時的有效診斷。本文通過的是分析上、下機(jī)架不同方向的振動值大小，而在眾多診斷手段中，許多學(xué)者通過波形、頻譜以及相位分析進(jìn)行振動監(jiān)測。這是電力設(shè)備故障診斷中核心的部分，對于故障范圍的研究和診斷的思維方式，目前學(xué)者們?nèi)孕枰鹬匾暎タ穗y關(guān)。