系統思維在解決泵振動異常中的應用

李 毅

（華南藍天航空油料有限公司湖南分公司，湖南長沙 410075）

0 引言

泵機組是重要的能量轉換及介質輸送設備，是國民經濟中應用最廣泛、最普遍的通用機械之一，在企業的正常生產運行中發揮著舉足輕重的作用。而泵機組一旦發生故障，對企業而言不僅僅是經濟上的損失，嚴重時甚至會造成難以承受的災難性后果。隨著自動化程度的提高，溫度、振動、壓力等運行參數監測儀表以及與PLC、上位機HMI 軟件組成的自控系統得到了比較成熟的應用，泵機組也從傳統的人工巡檢、檢維滯后，向實時在線監控、主動預警轉變，雖然可靠性得到了明顯提升，但整個系統變得更加復雜，對檢維護人員的排故查因提出了更高的要求。

本文介紹了現場高壓輸油泵機組運行中出現振動示值不穩、嚴重影響正常作業的現象，檢維修人員合理利用系統思維，采取有針對性的故障查因及解決方法，能夠快速、準確地找到故障點，保障高壓輸油泵機組穩定運行的案例，為設備保障人員的檢維護工作提供思路，從而更好地服務安全生產。

1 高壓輸油泵振動示值不穩概況

某現場高壓輸油泵機組一用一備，分別安裝有4 個振動傳感器和4 個溫度傳感器，用來監控泵機組運行時軸承、機械密封等部位的工況。高壓輸油泵型號為KDY400-100×3，轉速2980 r/min，流量360 m3/h，揚程270 m，電機的電壓和功率分別為10 kV、355 kW。

某日故障時，上位機監控系統中顯示的泵機組運行時振動值的情況如圖1 所示。其中，振動變送器型號為VIB-15c，類型為三角剪切壓電晶體，頻響精度±5%，測量范圍0～25 mm/s，頻率為10 Hz～1 kHz。

圖1 某高壓輸油泵機組振動監測情況

通常情況下，傳感器將采集到的數據，通過電流信號傳輸至PLC 的I/O 模塊，并通過上位機監控軟件，實現人員的實時監控（圖2）。使用單位可以依據廠家推薦值或歷史運行情況均數值，分別設置每個測點的高限（5.5 mm/s）及高高限值（7.1 mm/s），從而實現報警預警、聯鎖停機等功能。

圖2 傳感器工控系統邏輯

從圖2 可以看出，傳感器測試得到的數值在傳輸至上位機監控電腦進行實時顯示的過程中，涉及到多種硬件及處理軟件，因此在出現顯示數值超出設定工作范圍值時，不能單純地認為一定是泵機組出現機械故障，如軸承磨損、安裝問題等。雖然這些故障比較常見，在現場設備的歷史故障檔案中也占比較高，但新設備、新系統的使用也會產生新的故障類型。傳統的故障檢維修思路就會存在一些不足，容易使檢維修人員陷入死胡同的境地。因此，為了找準故障點，需要從整個系統出發，分節點、有重點地進行針對性測試及排除，以便快速找到故障原因。

2 系統思維在解決振動示值不穩故障中的應用

系統思維是指在思考和處理問題的時候，把對象互相聯系的各個方面及其結構和功能進行系統認識的一種思維方法。這種方法嚴謹高效，不失原則性和靈活性，有助于立足整體、抓住要害。系統思維主要由要素、結構、環境和功能等部分組成，在運用系統思維解決復雜問題時，首先可以從結構入手，將系統的基本組成結構進行單元要素化，再根據不同要素的特定功能，分析其對于系統整體的影響。在分析要素的同時，還要充分考慮其所處的不同環境對系統產生的影響。

按照上述思路，結合控制邏輯圖，可以將上位機監控系統進行要素分解，從泵機組、線路、傳感器、自控系統這4 個方面給出排除方法及解決思路。

2.1 泵機組影響因素的排除

泵機組存在的影響因素可以分為內部因素和外部因素，內部因素如泵腔內轉子、軸承、連接螺栓等，外部因素如安裝同心度、管道安裝應力、散熱風扇等，都可能對泵機組運行時的振動產生明顯的影響，有的甚至比較難以發現，如散熱風扇所帶來的頻率共振現象。通過對泵機組4 個點的振動數值變化情況進行分析，可以明顯看出，除泵驅動端測試點外，另外3 個測點的振動值處于允許的運行工況，且一直相對平穩，但由于超標的振動引起交變負荷作用產生的交變應力非常大，該應力會導致輸油泵產生疲勞損壞，對輸油泵危害很大，嚴重時會造成整泵報廢，因此振動的問題不容忽視。

通過利用VIB-07 多功能振動分析儀，對上述振動監測點分別進行振動值動態比對、軸承狀態BG 值、BV 值監測、噪聲監聽以及對泵機組安裝同心度，附件連接及基座螺栓緊固情況，聯軸器膜片間隙情況進行檢查，綜合分析測試結果后，初步判斷該泵機組驅動端振動示值不穩并非泵機組本身所導致，排除機械方面的因素。

2.2 系統線路因素的分析

線路的故障日常檢維修中不常出現，但卻也是最難發現的，因為線路方面往往涉及不同的施工方，如泵機組供應商、安裝施工方、電氣儀表施工單位，這三方中某一方沒有按照安裝要求進行施工或施工標準不高，就會給設備的正常運行帶來隱患。例如，該系統所用的振動傳感器在接線方面就有儀表的24 V 負極應與4～20 mA 信號的負極共地連接的特殊說明。因此傳感器至現場接線箱、現場接線箱至PLC 機柜間以及I/O 模塊之間，所涉及的線路存在接地不良、屏蔽性能不足或者動力線路間相互干擾等均有可能導致振動示值不穩的情況發生。針對這一情況，采取先整體后局部的排除思路，通過在振動信號進監控系統的末端，利用多用表對信號的電流進行動態監測，發現只有驅動端這個測點的電流呈現跳動顯示情況，與振動示值不穩的情況一致，因此基本上可以判斷，該故障點處于線路至傳感器之間。

為了進一步厘清要素之間的影響關系、找準故障點，通過更換傳感器至接線箱之間線路、檢查箱體內部接地情況、線路屏蔽層完好情況、利用接線箱至PLC 機柜間預留線路分別進行測試，最終測試的結果均將故障原因指向振動傳感器。

2.3 振動傳感器的故障解決過程

該系統中所選用振動傳感器類型為剪切式，作為一種在線式的高精度傳感器，其對于安裝有著比較嚴格的要求，如振動傳感器的軸線應與振源的射線共線并盡可能采取水平安裝，變送器芯件應與變送器殼體絕緣且應具有防松動措施等，這些要求在實際情況中往往容易被安裝及使用單位忽視，因此，有時能找到故障點，卻始終無法解決問題。在這個案例中同樣也遇到了這樣的困擾。

發現振動示值不穩，在排除泵機組自身的機械故障后，已經采取互換振動傳感器的方式進行了初步測試，即將泵機組其他三處運行穩定的振動傳感器安裝至泵驅動端處，同時將原安裝在泵驅動端處的振動傳感器安裝至被替換監測點處，測試的結果表明振動示值不穩點仍然出現在泵驅動端處，且被替換處的振動值顯示穩定，進行了多個點的互換，結果與之前的一致。這樣的測試結果表明，原該處振動傳感器及其線路并不是引起振動示值不穩的原因，與前面測試及判斷的結果明顯相違背。為了進一步查明故障點，現場又采取單獨給泵驅動端振動傳感器供電，并通過多用表現場監測運行電流，結果表明振動示值不穩的原因還是集中在振動傳感器。

查閱文獻資料發現，安裝時不同的預緊力會對剪切式的振動傳感器的靈敏度和頻率響應產生明顯影響。如果預緊力較小，則傳感器的剛度下降，導致共振頻率降低，使得頻率響應上限降低，誤差變大。當預緊力增加到一定程度，接近零件結構和敏感元件的承受極限時，將導致零件變形或損壞，引起剛度下降，頻率響應上限降低和誤差增大。因此，在安裝時振動傳感器應選擇最優預緊力，而這個要求明顯超出了相關單位的認知范圍。最終，現場對泵驅動端振動傳感器的固定鎖緊螺栓進行調整，降低預緊力、增加過盈量，持續運行測試后，振動示值不穩的故障得以解決。

3 結束語

振動的理論和測量方法比較成熟、簡單易行，因此在設備的狀態監測和故障診斷技術中，振動監測技術是普遍采用的基本方法。隨著新技術的投用，尤其是作為信息技術三大支柱之一的傳感器技術的不斷成熟及應用，一方面，顯著提升了設備運行可靠性，為工業自動化的發展進步提供了堅實支撐；另一方面，傳感器自身的高可靠性、長期的穩定性及抗惡劣環境及抗誤報警的能力還有待驗證，同時作為檢維修單位人員的相關專業知識也還存在明顯不足。

傳統的簡單診斷能力已不能滿足復雜系統的查因排故需求，設備故障診斷技術不僅要對設備的狀態是否正常作出判斷，更重要的是對故障的原因、部位及嚴重程度作出準確評估，從而指導現場做好預防性維修的工作。現場的檢維修人員不能墨守成規，在設備檢維修作業過程中要開拓思路，大膽、靈活應用科學高效的思維方法，提升在復雜系統中抓住重點、厘清難點的能力，并充分運用設備狀態監測和精密診斷技術，不斷強化企業的本質安全。