應(yīng)用振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障分析診斷技術(shù)提高泵站設(shè)備管理水平

趙順萍¹，肖澤²,孫凝¹,徐巖¹  (1.北京市自來(lái)水集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京100031；2.觀為監(jiān)測(cè)技術(shù)無(wú)錫有限公司，江蘇

無(wú)錫214000)

摘要：水泵機(jī)組安全、可靠、高效地運(yùn)行事關(guān)供水企業(yè)發(fā)展。如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常運(yùn)行的泵組，查找故障原因，并據(jù)此提出科學(xué)的檢修方案、避免盲目維修，已成為設(shè)備管理人員的重要課題。主要對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障分析診斷技術(shù)在大型水泵機(jī)組中的應(yīng)用進(jìn)行研究，并通過(guò)某水廠加壓泵組的故障實(shí)例，系統(tǒng)地闡述了振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障分析診斷技術(shù)在泵組安全運(yùn)行、科學(xué)檢修、提高設(shè)備管理和維護(hù)中所取得的效果。

如何在確保設(shè)備安全運(yùn)行的前提下減少維修量，是降低供水企業(yè)生產(chǎn)成本的重要途徑。通過(guò)建立基于振動(dòng)監(jiān)測(cè)和故障分析診斷的維修管理體制是有效手段之一。

以往對(duì)水泵機(jī)組采用巡回檢查的方式，往往不能發(fā)現(xiàn)早期隱患，更不能準(zhǔn)確地分析診斷異常泵組的故障性質(zhì)、部位、原因，致使早期輕微故障逐漸惡化為重大故障，并給企業(yè)造成直接及間接的經(jīng)濟(jì)損失。

1 開(kāi)展水泵機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)的目的

隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，水泵機(jī)組可能出現(xiàn)如軸承損傷、聯(lián)軸器對(duì)中不良、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡故障、轉(zhuǎn)子軸彎曲、設(shè)備基礎(chǔ)剛性下降（地腳松動(dòng)）、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子碰摩等各類(lèi)機(jī)械磨損或故障，造成機(jī)械設(shè)備運(yùn)行效能降低，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致災(zāi)難性事故。設(shè)備“健康體檢”能及早發(fā)現(xiàn)并準(zhǔn)確判斷故障原因、部位、性質(zhì)和嚴(yán)重程度，并對(duì)維護(hù)和檢修策略提出建議，避免非計(jì)劃停車(chē)，確保水泵機(jī)組處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。具體主要表現(xiàn)為以下4個(gè)方面：

① 實(shí)現(xiàn)安全供水。泵組振動(dòng)情況直接反映運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)論是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化還是國(guó)內(nèi)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化組織，針對(duì)不同設(shè)備都制定了以振動(dòng)速度有效值大小來(lái)判定設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否良好的標(biāo)準(zhǔn)，如ISO—2372、ISO—10816是針對(duì)離心式設(shè)備振動(dòng)控制值的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；GB 10068—2000則是我國(guó)針對(duì)電動(dòng)機(jī)制定的相關(guān)質(zhì)量驗(yàn)收的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。類(lèi)似的標(biāo)準(zhǔn)還有很多，均是通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備振動(dòng)情況并在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上判定機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，查找其故障隱患，及早排除、避免故障發(fā)展為事故。供水機(jī)組是水廠的核心設(shè)備，直接影響供水能力的發(fā)揮，特別是在高峰供水期間，設(shè)備的完好至關(guān)重要。

② 實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。水泵機(jī)組是水廠最大的耗能設(shè)備，而機(jī)組振動(dòng)幅度增大，往往會(huì)消耗更多的能量，也就意味著某些部件處于高耗能狀態(tài)。舉例來(lái)說(shuō)，設(shè)備聯(lián)軸器對(duì)中不良，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)變大。對(duì)于運(yùn)行的設(shè)備只有通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析才能判斷其聯(lián)軸器狀態(tài)，對(duì)中故障不僅增大能耗，而且會(huì)導(dǎo)致軸承過(guò)度磨損，進(jìn)而引起填料密封的過(guò)度消耗。以上現(xiàn)象出現(xiàn)在某水廠五號(hào)機(jī)組，通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，查找并消除了故障隱患，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

③ 實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制。應(yīng)用振動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)設(shè)備購(gòu)置、安裝、檢修等作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行“健康體檢”，根據(jù)國(guó)家或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)、質(zhì)量驗(yàn)收，保證設(shè)備符合國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行量化管理，做到依法驗(yàn)收，這樣可最大限度地加強(qiáng)質(zhì)量管理，為企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。

④ 實(shí)現(xiàn)科學(xué)檢修。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的判定，以相關(guān)國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的振動(dòng)參數(shù)為依據(jù)；對(duì)于振動(dòng)超標(biāo)的設(shè)備，維修人員面臨是否需要立刻修、修哪里、如何修等問(wèn)題。因此分析振動(dòng)超標(biāo)的原因、部位、性質(zhì)顯得尤為重要；在維修工作完成后，檢修質(zhì)量是否達(dá)到要求，振動(dòng)監(jiān)測(cè)也是驗(yàn)收手段之一。

2 供水泵組常見(jiàn)故障

供水泵站設(shè)備主要由配水泵組與加壓泵組構(gòu)成,其常見(jiàn)故障現(xiàn)象及其原因和風(fēng)險(xiǎn)分析如下。

① 聯(lián)軸器對(duì)中不良

兩個(gè)相連接的機(jī)器軸線同軸度偏離過(guò)大，或軸承安裝傾斜或偏心，即為對(duì)中不良。造成不對(duì)中的原因：裝配不當(dāng)、調(diào)整不夠、基礎(chǔ)損壞、熱脹等。對(duì)中不良將使聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸及其軸承產(chǎn)生附加載荷，其結(jié)果會(huì)引起機(jī)器的振動(dòng)、軸承的過(guò)早磨損、機(jī)械密封的失效，甚至造成聯(lián)軸器螺栓或膜片斷裂，引發(fā)人身傷亡事故。

② 轉(zhuǎn)子葉輪不平衡

不平衡是由于轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均勻或因毛坯缺陷、加工及裝配中產(chǎn)生的誤差造成的，不平衡質(zhì)點(diǎn)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)無(wú)法相互抵消產(chǎn)生離心力，從而引起振動(dòng)。振動(dòng)再傳遞到軸承上，使軸承上各點(diǎn)每旋轉(zhuǎn)一周承受一次作用力。造成轉(zhuǎn)子不平衡的原因：葉輪制造時(shí)幾何尺寸不同心或質(zhì)量分布不均、安裝中鍵或軸頸不同心、泵軸水平靜止安放過(guò)久或受熱不均，造成臨時(shí)或永久變形、工作介質(zhì)中的雜質(zhì)在葉輪表面沉積；零部件配合過(guò)松、原有平衡配重脫落。轉(zhuǎn)子不平衡會(huì)加大機(jī)組振動(dòng)，導(dǎo)致其他部件連鎖損傷。葉輪不平衡故障易與基礎(chǔ)松動(dòng)、轉(zhuǎn)軸彎曲、角度不對(duì)中、轉(zhuǎn)子過(guò)臨界轉(zhuǎn)速故障相混淆，需通過(guò)振動(dòng)數(shù)據(jù)分析加以區(qū)分。

③ 滾動(dòng)軸承故障

滾動(dòng)軸承是水泵機(jī)組中最常用也是容易產(chǎn)生故障的部件之一。目前應(yīng)用軸承特征頻率來(lái)識(shí)別其故障是簡(jiǎn)單有效的方法。造成軸承故障的原因有：制造缺陷、安裝不當(dāng)、磨損等。軸承故障會(huì)造成機(jī)組振動(dòng)增大，可能隨軸承損傷而報(bào)廢，其他相關(guān)正常部件壽命也可能急劇衰減；而高頻的振動(dòng)損傷常具有隱蔽性、突發(fā)性，可能造成抱軸卡死等事故。

④ 基礎(chǔ)松動(dòng)

水泵機(jī)組固定地腳螺栓松動(dòng)、斷裂，以及支撐結(jié)構(gòu)裂紋會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)剛性下降。主要原因有螺栓剛性不足、鋼制框架焊口開(kāi)裂、基礎(chǔ)找平斜鐵脫落等�；�礎(chǔ)松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)急劇加大，改變系統(tǒng)固有頻率，如果振動(dòng)頻率與固有頻率接近，則可能引發(fā)系統(tǒng)共振，造成機(jī)組結(jié)構(gòu)性損傷。

3 供水泵站加壓泵組振動(dòng)監(jiān)測(cè)

北京市自來(lái)水集團(tuán)有限責(zé)任公司應(yīng)用振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障分析診斷技術(shù)，對(duì)供水泵站的關(guān)鍵機(jī)組開(kāi)展振動(dòng)監(jiān)測(cè)，定期對(duì)機(jī)組進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)數(shù)據(jù)分析查找相關(guān)泵組的故障隱患，并對(duì)故障機(jī)組制定檢修計(jì)劃和具體的檢修方案，對(duì)檢修的機(jī)組做到“心中有數(shù)”，最大化地實(shí)現(xiàn)科學(xué)檢修。下面以某水廠4#加壓泵組為例，闡述應(yīng)用振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)檢修的過(guò)程。

3.1 機(jī)組運(yùn)行情況

2014年5月對(duì)泵站機(jī)組進(jìn)行的例行振動(dòng)監(jiān)測(cè)中，發(fā)現(xiàn)4#加壓泵組振動(dòng)異常。

① 水泵參數(shù)：水泵型號(hào)為600S32A,軸承型號(hào)均為6316。

② 電機(jī)技術(shù)參數(shù)：型號(hào)為Y3556-6,額定功率為250 kW,額定轉(zhuǎn)速為986 r/min；軸承型號(hào)為N322（驅(qū)動(dòng)端）、6322（非驅(qū)動(dòng)端）。

3.2 泵組振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)加壓泵組結(jié)構(gòu)，選擇電機(jī)和水泵軸承座部位作為振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各軸承測(cè)點(diǎn)在徑向的水平和垂直方向布置振動(dòng)加速度傳感器各一支，且在聯(lián)軸器兩端軸承軸向測(cè)點(diǎn)各布置1支振動(dòng)加速度傳感器，采集不同測(cè)點(diǎn)及不同方向的振動(dòng)數(shù)據(jù)(具體布置見(jiàn)圖1)。

圖1 泵組振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)包括振動(dòng)速度、加速度、解調(diào)信號(hào)的頻譜和波形，由專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)采集器完成，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，由專(zhuān)門(mén)的分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并給出分析和診斷結(jié)果。

3.3 分析與診斷

振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析顯示，4#加壓泵組電機(jī)驅(qū)動(dòng)端（聯(lián)軸器側(cè)）、非驅(qū)動(dòng)端軸承測(cè)點(diǎn)均可見(jiàn)異常振動(dòng)沖擊，沖擊間隔為轉(zhuǎn)子工頻，波形模擬聽(tīng)診噪聲異常；機(jī)組整體振動(dòng)烈度（振動(dòng)速度有效值）較小，且為轉(zhuǎn)子工頻及其倍頻，疑似電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與定子存在碰摩；不完全排除軸承間隙增大的可能性。建議：擇機(jī)檢查電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與定子是否存在碰摩，并檢查軸承情況。譜圖見(jiàn)圖2~5。

圖2 電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)速度譜圖

圖3 電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端加速度時(shí)域波形

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)速度譜圖

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)端加速度時(shí)域波形

圖2中電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)速度幅值較小，且以轉(zhuǎn)子工頻及其諧波為主，表明存在旋轉(zhuǎn)部件松動(dòng)的可能，疑似軸承間隙增大。

圖3中電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端加速度時(shí)域波形出現(xiàn)明顯的沖擊現(xiàn)象，且沖擊頻率為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率（工頻），疑似轉(zhuǎn)子與定子發(fā)生碰摩。

4 泵組電機(jī)解體情況

根據(jù)振動(dòng)監(jiān)測(cè)和故障診斷數(shù)據(jù)分析，判定4#加壓泵組的電機(jī)存在轉(zhuǎn)子與定子碰摩的可能，同時(shí)不排除滾動(dòng)軸承損傷的隱患。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子碰摩，可能造成相關(guān)繞組燒毀等更為嚴(yán)重的事故，建議盡快對(duì)電機(jī)進(jìn)行解體檢查�，F(xiàn)場(chǎng)維修維護(hù)人員根據(jù)振動(dòng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，及時(shí)對(duì)泵組電機(jī)進(jìn)行解體檢修，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子沿圓周360°確實(shí)存在明顯的碰摩痕跡；軸承也存在間隙較大的問(wèn)題。維護(hù)更換電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端軸承，啟動(dòng)泵組并進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)復(fù)查，其檢修前明顯的加速度沖擊消失,見(jiàn)圖6、7。

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)子解體后的圖片

圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)端加速度時(shí)域波形

圖6表明，電機(jī)轉(zhuǎn)子存在明顯的碰摩痕跡；圖7表明檢修后電機(jī)相關(guān)測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)域波形圖，異常的沖擊已經(jīng)消失。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際案例證明，振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障分析診斷技術(shù)的應(yīng)用，為泵站機(jī)組的運(yùn)行監(jiān)護(hù)提供了高效、可靠的現(xiàn)代化技術(shù)手段。通過(guò)對(duì)異常機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)測(cè)和分析，準(zhǔn)確判定導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)增大的主要因素，并以此為依據(jù)指導(dǎo)科學(xué)檢修，檢修方向直指故障部位，避免了盲目拆檢，節(jié)省了人力、物力，提高了檢修的準(zhǔn)確性和有效性。

隨著振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障分析診斷技術(shù)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用，通過(guò)對(duì)機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)的分析，設(shè)備管理人員能夠及時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行情況，針對(duì)異常機(jī)組及早進(jìn)行分析和診斷，將故障隱患控制在萌芽狀態(tài)，避免機(jī)組隱患發(fā)展成設(shè)備故障而導(dǎo)致設(shè)備事故，極大地提高了供水行業(yè)泵站設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的管理水平。

（本文發(fā)表于《中國(guó)給水排水》雜志2015年第6期“運(yùn)行與管理”欄目）

微信掃一掃

獲得更多內(nèi)容