鐘功祥，廖光平，張 洋

（西南石油大學(xué)石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500）

1 引言

作為油田中廣泛應(yīng)用的一種機(jī)械設(shè)備，往復(fù)泵的性能直接影響油田作業(yè)效率[1]。由于其工作環(huán)境惡劣，往復(fù)泵一旦異常順損壞，就會(huì)導(dǎo)致作業(yè)停滯，降低開采效率，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[2]。泵閥作為往復(fù)泵液力端的關(guān)鍵零部件，又是泵的最薄弱環(huán)節(jié)，在工作過程中經(jīng)常發(fā)生故障，影響正常施工因此，有必要對(duì)往復(fù)泵閥進(jìn)行故障診斷研究。往復(fù)泵故障診斷方法有很多，其關(guān)鍵在于如何有效提取故障特征以及根據(jù)故障特征準(zhǔn)確判斷故障類型[3-4]。目前最常用的方法是利用振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行故障診斷，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析得到幅值域參數(shù)以及頻域參數(shù)，當(dāng)泵閥發(fā)生故障時(shí)，這些參數(shù)會(huì)有明顯變化，以此作為特征向量進(jìn)行診斷[5-7]。由于往復(fù)泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，激振源太多，包含泵閥沖擊以及慣性載荷沖擊等各類振動(dòng)，導(dǎo)致故障診斷困難。因此，提出一種新的往復(fù)泵泵閥故障診斷系統(tǒng)，運(yùn)用油田上常用的有桿泵故障診斷示功圖法，以液體壓力為源信號(hào)，從源頭上減少各類干擾因素以降低故障診斷難度。

2 往復(fù)泵泵閥故障診斷系統(tǒng)

往復(fù)泵泵閥故障診斷系統(tǒng)工作原理為：在三缸往復(fù)泵的每一個(gè)泵端蓋上和柱塞上的卡箍上，分別安裝有一個(gè)壓力傳感器和位置傳感器，壓力傳感器檢測(cè)泵內(nèi)柱塞所受液體壓力值，位置傳感器檢測(cè)往復(fù)泵柱塞位置，由此得到泵柱塞所受液體載荷和柱塞位移，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀將采集到的傳感器信號(hào)經(jīng)濾波處理以后傳遞給微型計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)上繪制出往復(fù)泵實(shí)際示功圖，通過研究不同特征顯示的往復(fù)泵示功圖，就可以對(duì)往復(fù)故障進(jìn)行診斷。泵閥故障測(cè)試系統(tǒng)的元件布置，如圖1 所示。

圖1 泵閥故障測(cè)試系統(tǒng)元件布置圖Fig.1 Component Layout of Pump Valve Fault Test System

2.1 測(cè)量?jī)x器的選擇

試驗(yàn)研究的對(duì)象是油田用的三缸往復(fù)式注水泵，采用自來水作為往復(fù)泵工作的循環(huán)液體，試驗(yàn)選用山東濰坊生建機(jī)械廠生產(chǎn)的3DS-1/12.5 型高壓柱塞泵，其電機(jī)功率37kW，泵速210min-1，排量為7m3/h，吸入壓力0.05MPa，排出壓力12.5MPa，柱塞直徑45mm。信號(hào)采集是往復(fù)泵液力端故障診斷的前提，本試驗(yàn)用的各種測(cè)量?jī)x器的型號(hào)，如表1 所示。

表1 測(cè)量?jī)x器選型Tab.1 Type Selection of Measuring Instruments

2.1.1 壓力傳感器

需要三個(gè)壓力傳感器，由于壓力傳感器需要通過接觸泵內(nèi)液體測(cè)量泵內(nèi)壓力，又要避免泵缸內(nèi)液體泄漏，為便于傳感器的安裝與拆卸，分別在三個(gè)泵缸端蓋上安裝一個(gè)接頭，當(dāng)需要測(cè)量泵內(nèi)壓力時(shí)，把壓力傳感器接在接頭另一端即可，壓力傳感器安裝圖，如圖2 所示。

圖2 壓力傳感器安裝圖Fig.2 Pressure Sensor Installation Diagram

2.1.2 位置傳感器

采用測(cè)量接近開關(guān)間接測(cè)量往復(fù)泵柱塞位移，它是一種位置傳感器，檢測(cè)距離為2mm，用以記錄柱塞的往復(fù)次數(shù)，從而獲得往復(fù)泵柱塞單個(gè)沖程的采樣點(diǎn)數(shù)。位置傳感器安裝，如圖3 所示。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：將位置傳感器用膠固定在柱塞上的卡箍處，在缸套上直接貼小磁鋼。位置傳感器可以隨柱塞一起往復(fù)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)周期內(nèi)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，位置傳感器有兩次移動(dòng)到小磁鋼的位置，數(shù)據(jù)采集儀就可以獲得2 個(gè)脈沖信號(hào)，通過相鄰脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔就可以確定泵柱塞一個(gè)沖程的周期。

圖3 位置傳感器的現(xiàn)場(chǎng)安裝圖Fig.3 Site Installation Map of Position Sensor

2.1.3 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀

在采集原始信號(hào)時(shí)，三缸往復(fù)泵需要6 個(gè)傳感元件，要使6個(gè)信號(hào)同時(shí)輸送，則必須至少6 個(gè)通道，本試驗(yàn)采用康CBOOK2000E 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，適用于（16～32）通道電壓輸入，能夠滿足本實(shí)驗(yàn)需求。

2.2 采樣頻率設(shè)置

測(cè)量?jī)x器選擇完后，即可按圖1 進(jìn)行試驗(yàn)平臺(tái)搭建，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。壓力和位置信號(hào)均為連續(xù)的模擬信號(hào)，必須要轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的離散的數(shù)字信號(hào)，所以需要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行采樣，合理的采樣頻率能夠真實(shí)反映原始信號(hào)x（t）的狀態(tài)。采樣即將連續(xù)信號(hào)x（t）按一定時(shí)間間隔Δt 逐點(diǎn)取瞬時(shí)值的離散化過程，采樣頻率設(shè)置越高，即采樣點(diǎn)數(shù)越多，信號(hào)還原性越好，但過高會(huì)降低信號(hào)完整性，且計(jì)算量大；采樣頻率設(shè)置太低，導(dǎo)致漏掉原始性。采樣頻率應(yīng)滿足：

式中：fs—測(cè)試信號(hào)的最高頻率；Δt—采樣間隔時(shí)間；fx—測(cè)試信號(hào)的最高頻率。

在本試驗(yàn)泵中，泵工作頻率為3.5Hz，根據(jù)實(shí)測(cè)往復(fù)泵信號(hào)特征，頻率一般在1KHz 以下，本試驗(yàn)中分別在1kHz、2kHz、5kHz三種采樣頻率下的示功圖進(jìn)行對(duì)比，如圖4 所示。

圖4 不同頻率下的泵示功圖Fig.4 Pump Power Diagram at Different Frequencies

采樣頻率為1kHz 時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)較少，信號(hào)特征不明顯；采樣頻率為2kHz 時(shí)，信號(hào)顯示效果較好。采樣頻率為5KHz 時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)過于密集，效率低；故本實(shí)驗(yàn)設(shè)定采樣頻率設(shè)置為2KHz。

3 故障特征提取

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)儀采集的三缸原始?jí)毫π盘?hào)和位置信號(hào)，如圖5所示。由圖中可知，壓力原始信號(hào)是隨時(shí)間變化的不規(guī)則波形，且波形中包含了干擾源不規(guī)則隨機(jī)信號(hào)，故需要對(duì)原始?jí)毫π盘?hào)進(jìn)行濾波和平滑處理以便后續(xù)示功圖的繪制。

圖5 原始?jí)毫π盘?hào)和位置信號(hào)Fig.5 Original Pressure Signal and Position Signal

3.1 濾波處理

基于對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的優(yōu)良分析性能，使得小波分析在機(jī)械故障診斷系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[8]。本實(shí)驗(yàn)采用小波分解濾波法去除壓力信號(hào)中的干擾信號(hào)來提取有用的壓力信號(hào)，小波分解層數(shù)反映了信號(hào)提取真實(shí)度，本試驗(yàn)采用小波基sym4，小波分解層數(shù)5 層對(duì)原始波形提取故障特征，濾波處理前后效果圖，如圖6 所示。

圖6 濾波前后壓力信號(hào)對(duì)比圖Fig.6 Contrast Diagram of Pressure Signal Before and After Filtering

3.2 光滑處理

對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行分解提取后，還要對(duì)分解后的數(shù)據(jù)進(jìn)行光滑處理，消除數(shù)據(jù)中多余的鋸齒型振蕩波，以此得到相對(duì)平滑的曲線，方便后續(xù)示功圖的繪制。采用五點(diǎn)三次平滑濾波法，其計(jì)算公式如下。處理后的數(shù)據(jù)，如圖7 所示。

式中：k—數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，i=3，4，5，…，k-2；yi—原始?jí)毫Γ籶i—處理后的壓力。

圖7 光滑處理前后數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.7 Data Comparison Before and After Smooth Processing

4 示功圖

在一個(gè)沖程內(nèi)，以柱塞位移S 為橫坐標(biāo)，柱塞所受液體壓力F 為縱坐標(biāo)繪制的關(guān)于F，S 封閉曲線，稱為示功圖[9-10]。

4.1 理論示功圖

在不考慮活塞所受摩擦力，泵內(nèi)液體不可壓縮，泵可完全充滿，泵閥無滯后現(xiàn)象等條件下，往復(fù)泵的理論示功圖，如圖8 所示[11]。

圖8 泵理論示功圖Fig.8 Theoretical Indicator Diagram of Pump Theory

由理論示功圖可知，A、C 點(diǎn)反映往復(fù)泵最右端、最左端的工作狀態(tài)，B、D 點(diǎn)反映了排出閥、吸入閥的工作狀態(tài)，它們?cè)谝欢ǔ潭壬戏从沉送鶑?fù)泵的工況，以吸入閥、排除閥發(fā)生漏失時(shí)分析示功圖規(guī)律。

4.1.1 吸入閥發(fā)生漏失

柱塞從左往右開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，柱塞的運(yùn)動(dòng)速度小于吸入閥的漏失速度，泵內(nèi)壓力不能迅速增加，排出閥不能及時(shí)打開，導(dǎo)致加載線AB 變緩，當(dāng)柱塞速度大于吸入閥漏失速度時(shí)，泵內(nèi)壓力增加到B 點(diǎn)（柱塞最大載荷）時(shí)，排出閥打開，泵開始排油，此時(shí)壓力不變，形成排出壓力BC 線。

4.1.2 排出閥發(fā)生漏失

柱塞從右向左開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，柱塞左行速度小于排除閥漏失速度，泵內(nèi)壓力不能降低緩慢，吸入閥不能及時(shí)打開，導(dǎo)致卸載線CD 變緩，當(dāng)柱塞速度大于排出閥漏失速度時(shí)，泵內(nèi)壓力減小到D點(diǎn)（柱塞最小載荷）時(shí)，吸入閥打開，泵吸油。此時(shí)壓力不變，形成吸入壓力線DA。

4.2 實(shí)際示功圖

柱塞作用力F 與柱塞行程S 的乘積，即為往復(fù)泵的示功圖圖形面積。壓力值P 由壓力傳感器獲得，柱塞位移S 由位置傳感器獲得。本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集儀是同時(shí)采集上述兩種信號(hào)，即位移與壓力數(shù)據(jù)同步，由此繪制出往復(fù)泵工作時(shí)的實(shí)際示功圖。

柱塞所受的液體壓力F：

式中：Si—第i 個(gè)柱塞沖程；i—該點(diǎn)采樣點(diǎn)數(shù)；N—一個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)。

繪制出的往復(fù)泵正常工況下的示功圖，如圖9 所示。從圖中可知正常工況下的實(shí)際示功圖并不是規(guī)則的矩形，這是由于實(shí)際工況下，示功圖受到泵柱塞慣性力、振動(dòng)、泵閥滯后以及摩擦等因素影響。振動(dòng)和空氣等因素會(huì)導(dǎo)致BC、DA 線輕微波動(dòng)，泵不完全充滿和泵閥滯后現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致AB、CD 輕微傾斜。當(dāng)往復(fù)泵泵閥出現(xiàn)不同故障時(shí)，泵缸內(nèi)的壓力信號(hào)將呈現(xiàn)出不同的波動(dòng)規(guī)律，就會(huì)得到不同的示功圖，通過研究往復(fù)泵示功圖的規(guī)律，即可分析出往復(fù)泵的故障情況。

圖9 正常工作時(shí)的示功圖Fig.9 Indicator Diagram of Normal Working

本試驗(yàn)在吸入閥和排除閥、兩閥同時(shí)發(fā)生漏失三種故障情況下對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，其他故障方法原理一致。三種故障下的往復(fù)泵示功圖，如圖10 所示。無論哪種漏失，示功圖面積都有所減小。由圖中可知，當(dāng)吸入閥發(fā)生漏失時(shí)，示功圖變化主要表現(xiàn)為：加載線AB 變緩，排出壓力曲線BC 斜向下，吸入壓力曲線DA比正常工況下整體上升。排出閥發(fā)生漏失時(shí)的示功圖主要表現(xiàn)為卸載線CD 明顯變緩，排出壓力曲線BC 斜向上，吸入壓力曲線DA 整體略上升。兩閥均發(fā)生漏失時(shí)，其示功圖吸入壓力曲線DA與排出壓力曲線BC 依然平行，只是DA 略高，BC 略低，示功圖面積減小，加載線AB 和卸載線CD 都變緩，但依然保持平行，這是因?yàn)槲腴y、排除閥漏失作用相互抵消。圖中所表現(xiàn)的特征與前面理論分析所述基本一致，且示功圖特征便于識(shí)別，由此可以證明本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基于示功圖法往復(fù)泵故障診斷系統(tǒng)合理。

圖10 不同故障下的示功圖Fig.10 The Indicator Diagram of Different Faults

5 結(jié)論

（1）通過對(duì)比基于振動(dòng)信號(hào)特征法往復(fù)泵泵閥故障診斷法存在激振源干擾因素過多的不足，設(shè)計(jì)出一種基于示功圖法的往復(fù)泵泵閥故障診斷系統(tǒng)，并對(duì)測(cè)量元件進(jìn)行選型，從源頭上減少各類干擾因素以降低故障診斷難度；（2）對(duì)采集的原始故障特征信號(hào)進(jìn)行濾波、平滑處理后得到有效的故障特征信號(hào)，得出無故障時(shí)示功圖，并分析當(dāng)吸入閥、排除閥發(fā)生漏失時(shí)示功圖變化規(guī)律；（3）繪制泵閥三種不同故障特征下的示功圖，發(fā)生任何一種漏失，都導(dǎo)致示工圖面積減小，當(dāng)閥發(fā)生漏失時(shí)示功圖所表現(xiàn)的特征與理論分析所述基本一致，且示功圖特征便于識(shí)別，得出該故障診斷系統(tǒng)的合理性。