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SUCCESS CASE

案例分析:注水泵典型故障频谱分析技巧

【摘要】:
注水泵是油田注水的主力设备,其特点是:压力高,数量多,便于维护,但维护工作量大。因此,如何减少注水泵的故障,保障注水泵的安全平稳运行,是设备管理人员面前一个亟待解决的课题。笔者使用便携式振动数据采集仪对注水泵进行多年的监测诊断,探索和总结出注水泵常见故障的频谱特征。

注水泵是油田注水的主力设备,其特点是:压力高,数量多,便于维护,但维护工作量大。因此,如何减少注水泵的故障,保障注水泵的安全平稳运行,是设备管理人员面前一个亟待解决的课题。笔者使用便携式振动数据采集仪对注水泵进行多年的监测诊断,探索和总结出注水泵常见故障的频谱特征。

一、测点布置及特征频率计算参数 

1、测点布置

         五缸注水泵是电动机驱动的。电动机前端盖采用短圆柱滚子轴承,后端采用球轴承。泵的曲轴两端采用圆锥滚子轴承,中间采用圆柱滚子轴承。电动机的测点主要选在两个轴承部位,每个测点采集水平和垂直两个方向的振动速度数据。另外,在电动机的前端盖处水平位置采集轴承的峰值能量 值,后端由于风扇罩子的阻隔,无法采集。泵体上在 3个轴承部位水平方向(即柱塞运动方向)采集速度和加速度值,如图 1所示。由于转速较低,一般选各测点的频率上限为 400HZ。为了便于区分胶带振动频率和曲轴振动频率,分辨率应高于0.5HZ。

       图一:测点位置布置示意图

2、 特征频率计算参数

电动机转速:1482r/min;

泵转速:370r/min;

小胶带轮直径:320mm;

大胶带轮 直径:1280mm;

胶带长度 :5080mm;

电动机转速频率 :24.7hz;

泵转速频率 :6.17hz;

曲轴振动频率  :30.8hz;

单根胶带的振动频率  :4.88hz 组胶带(8根)的振动频率为39hz。

二、常见故障的频谱特征

1、 电动机橇座支撑不稳固

        泵在运行过程中经常发生电动机轴从胶带轮与前端盖之间的退刀槽处断裂的事故,轴承处的轴径为95mm。测试发现,许多电动机的振幅超过11.2mm/s,部分电动机的振幅超过28mm/s,主导频率24.8hz,是电动机的转速频率。根据电动机的结构及安装方式,可以排除轴向窜动的故障,电动机转子不平衡的可能性也很小。在橇座上采集振动数据,其振幅与电动机上的振幅很接近,频谱与电动机上的频谱一致。估计是橇座刚度低所致,用两块盘根压盖垫到电动机橇座下方,再次测试,振幅就降到7.1mm.s以下。可见,是长期剧烈振动造成轴的疲劳断裂。据此,提出了对五缸注水泵电动机底座增加支撑的方案。橇座加固后,电动机再没有发生过断轴事故。仅此一项,每年节省维修费用10万元以上。在此之后安装的注水泵橇座虽有改进,但运行时间稍长,加固部位就出现松动。为此,设计了一种带自锁的可调高度的支撑,易于安装,调整方便,支撑可靠。

       有时频谱图上可能出现主导频率是电动机转速频率的0.5倍频或3 倍频的谱线,振幅大于 11.2mm/s。这也是松动的特征,需要检查电动机地脚螺栓松紧程度以及地脚、支撑槽钢等是否稳固。

2、 两胶带轮偏斜

        电动机和泵的两个胶带轮出现偏斜,是出现频次较多的一种故障,主导频率是单根胶带频率的4、6、7、8, 倍频,即19、,28、33、38hz。频谱图上显示的胶带频率可能比计算的频率稍低,这是受胶带滑差率的影响。有时是某一倍频的胶带频率占主导,或许会伴随一些其它倍频的胶带频率。出现这种故障的原因主要是:在检修时,两个胶带轮达到四点一线,胶带的张紧力也符合要求。然而胶带在运行一段时间后,出现了松弛现象,为了保证胶带的张紧力,就调整电动机基座两端的两条顶丝。这时胶带张紧力达到了要求,而两胶带轮出现了偏斜。如果调整胶带张紧力时,保证两胶带轮达到四点一线,按现在的调整方法,就需要把胶带轮的罩子拆卸下来。而采用仪器,则不用拆卸胶带轮护罩,直接卡在胶带轮槽内,用激光束进行调整,快捷、易用、精度高,易于在现场推广使用。

        然而,在电动机的振动频谱上出现主导频率是胶带的振动频率,主要故障并非一定是胶带轮偏斜。如果电动机的振幅超过18mm/s,而泵的振幅在 7.1mm/s左右,这很可能是电动机橇座支撑不够稳固,使胶带轮偏差增大所致,仅仅调整胶带轮对正是无法降低电动机振幅的。

3、 曲轴轴向窜动量过大

        夏季气温高,电动机和泵也产生大量的热,导致泵的温度偏高。为此,采用增大曲轴两端圆锥滚子轴承轴向间隙的方法,以降低泵的发热量。若调整不当,过大的轴向间隙也产生很大的振动,振幅甚至超过11.2mm/s,表现在频谱上,主要是曲轴转速的4 倍频,即24.4hz。因此,在泵上测得主导频率24.4hz,并且振幅较大时,往往对应泵曲轴两端轴承轴向间隙过大的故障。这种故障出现多次,由于泵振动剧烈,与之连接的高压管线也随之振动,危害甚大。

        如果在电动机和泵的频谱上,主导频率是胶带的振动频率,电动机的振幅在正常范围内,而泵的振幅过高,超过11.2mm/s。这种情况不是胶带轮的偏斜故障,而是大胶带轮轴向摆动引起的。

4、 曲轴轴瓦间隙偏大

        曲轴轴瓦磨损导致间隙增大,在频谱上主要出现曲轴转频的 3、4、5、6、7 倍频,有时3 倍频是主导频率,有时5倍频是主导频率,其它倍频分量的幅值一般较低。可以通过比较3个测点振幅及主导频率幅值确定哪个轴瓦间隙大。由于泵的质量大,振幅一般7.1mm/和11.2mm/s之间,不会太大。

5、轴承损坏

        电动机和水泵轴承的测试与诊断,采用峰值能量 技术,还是比较准确可靠。轴承的故障频率可根据其外圈、内圈、滚子直径、滚子数目和转速计算出。

6、 阀的故障

        泵的进液阀是由聚四氟乙烯材料制成的环形阀。进液阀工作时产生的冲击不易传递出来,其损坏情况可通过进口压力表的波动判断,但要考虑进口氮气稳压器压力不足产生的影响。排液阀是圆形刚片,其损坏也可用 峰值能量监测,在谱图上主要是泵的转频及其倍频,谱线幅值从低频到高频逐渐降低。排液阀损坏严重时,其声音可用起子搭在耳朵上听出。