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(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030024；3.廈門(mén)品方工程項(xiàng)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(lái)隨著信號(hào)分析技術(shù)的發(fā)展，振動(dòng)信號(hào)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(zhǎng)使用壽命，得到安全穩(wěn)定的運(yùn)行，國(guó)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(kāi)機(jī)和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及其振動(dòng)故障診斷。學(xué)者們?cè)趯?shí)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(guó)外在檢測(cè)振動(dòng)故障技術(shù)研究方面已取得較多的實(shí)踐成功經(jīng)驗(yàn)，如美國(guó)GEBently公司的System1系統(tǒng)平臺(tái)[1]、瑞士Vibro-Meter公司的VM600系統(tǒng)[2]都主要用于振動(dòng)方面；SYSTEM2多功能維修工作站[3]，是由德國(guó)DB公司研制的，它主要用于分析機(jī)組振動(dòng)方面的故障。國(guó)內(nèi)對(duì)于故障診斷與監(jiān)測(cè)的研究開(kāi)始比較晚，由于設(shè)備的特殊性，提出振動(dòng)監(jiān)測(cè)也只有幾十年的歷史，20世紀(jì)90年代開(kāi)始的智能化故障診斷技術(shù)，發(fā)展迅速，已從過(guò)去只監(jiān)測(cè)振動(dòng)和擺度到現(xiàn)在通過(guò)環(huán)境溫度、壓力大小和磁場(chǎng)強(qiáng)度等眾多項(xiàng)目監(jiān)測(cè)來(lái)進(jìn)行分析。應(yīng)用比較廣泛、成熟的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)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(guó)內(nèi)在泵站管理上，大型立式水泵機(jī)組監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)仍處于研究開(kāi)發(fā)階段。

本研究為提高水泵機(jī)組運(yùn)行安全性，針對(duì)機(jī)組運(yùn)行時(shí)存在的振動(dòng)情況對(duì)現(xiàn)場(chǎng)4組泵站進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。通過(guò)振動(dòng)信號(hào)采集處理系統(tǒng)，對(duì)水泵機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)傳感器檢測(cè)位置調(diào)試安裝，獲得上、下機(jī)架振動(dòng)值，再對(duì)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(kù)大壩上游1 600 m處的沁河左岸。其主要任務(wù)是開(kāi)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(shí)的狀況，驗(yàn)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(tái)機(jī)組，設(shè)計(jì)揚(yáng)程293 m，單機(jī)流量0.57 m3/s。同時(shí)為克服機(jī)組運(yùn)行中的不穩(wěn)定性，對(duì)水泵機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析振動(dòng)原因。

2 振動(dòng)信號(hào)采集處理系統(tǒng)組成

在了解立式泵機(jī)組常見(jiàn)振動(dòng)故障現(xiàn)象產(chǎn)生原因以及相關(guān)振動(dòng)檢測(cè)方法以后，根據(jù)項(xiàng)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(dòng)信號(hào)的采集裝置，加入對(duì)應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路來(lái)處理采集到的振動(dòng)信號(hào)并輸出給軟件設(shè)計(jì)部分，通過(guò)軟件部分進(jìn)行顯示處理，完成此次信號(hào)采集，如圖1所示。

圖1 信號(hào)處理電路框圖

第一部分中第一模塊經(jīng)過(guò)電荷轉(zhuǎn)換電壓電路之后，輸出為電壓信號(hào)，但由其信號(hào)微弱，需要放大電壓信號(hào)；本項(xiàng)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(jiàn)；第三模塊當(dāng)收集信號(hào)時(shí)，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(wú)時(shí)無(wú)刻地以電磁波的形式向外擴(kuò)散和傳播，因此設(shè)計(jì)1個(gè)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(hào)，使得其他正常的有效信號(hào)能夠不受影響；在最后模塊輸出部分設(shè)計(jì)1個(gè)過(guò)載指示電路。它的功能是監(jiān)測(cè)信號(hào)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(lái)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(hào)并顯示具體振動(dòng)值，同時(shí)進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析[6-7]。

3 振動(dòng)信號(hào)采集處理裝置選型與安裝

3.1 振動(dòng)信號(hào)采集處理裝置選型

本次測(cè)量振動(dòng)的配套硬件設(shè)備型號(hào)、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(cè)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(duì)濕度≤90%。

3.2 振動(dòng)信號(hào)采集處理裝置安裝

在本次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目振動(dòng)測(cè)試與分析中，測(cè)點(diǎn)設(shè)置和安裝是接收水泵機(jī)組在運(yùn)行時(shí)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(diǎn)，其中為了實(shí)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(cè)點(diǎn)。在運(yùn)行調(diào)試中需根據(jù)水泵機(jī)組運(yùn)行故障振動(dòng)來(lái)進(jìn)行正確選擇。測(cè)點(diǎn)的設(shè)置直接影響到振動(dòng)信號(hào)采集的真實(shí)性和整個(gè)系統(tǒng)的診斷分析，既要求能夠監(jiān)測(cè)機(jī)組的最大振動(dòng)部位，同時(shí)還要有能夠反映機(jī)組運(yùn)行情況的參數(shù)變化[8-9]。

測(cè)點(diǎn)設(shè)置：機(jī)組電機(jī)振動(dòng)水平方向測(cè)點(diǎn)3個(gè)，1圈的每九十度1個(gè)，上機(jī)架軸承垂直振動(dòng)1個(gè)；機(jī)組水泵振動(dòng)下機(jī)架垂直，水平各1個(gè)；轉(zhuǎn)軸擺度的測(cè)量可以通過(guò)在同一平面相互垂直2個(gè)方向安裝2個(gè)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(chǎng)測(cè)試與分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2021年度結(jié)合工程對(duì)杜河泵站4臺(tái)機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試、測(cè)試分析，分別對(duì)水泵機(jī)組電機(jī)振動(dòng)（上機(jī)架處）和水泵振動(dòng)（下機(jī)架處）進(jìn)行振動(dòng)值測(cè)試。本文以7月-8月1#機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)為例，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)來(lái)看，機(jī)組振動(dòng)水平振動(dòng)測(cè)點(diǎn)3個(gè)，即水平-垂直-軸向三向；電機(jī)振動(dòng)機(jī)組上機(jī)架水平2方向振動(dòng)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(dòng)值，而水平1、水平3方向振動(dòng)值相當(dāng)，振動(dòng)值也符合要求。在排除螺絲松動(dòng)的情況下，說(shuō)明機(jī)組上機(jī)架的振動(dòng)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?dòng)值較大。機(jī)組下機(jī)架垂直振動(dòng)也是處于一個(gè)穩(wěn)定值狀態(tài)，皆屬于正常振動(dòng)值范圍。水泵電機(jī)層下機(jī)架擺度測(cè)點(diǎn)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(kāi)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(dòng)而振動(dòng)增大。用壓電式傳感器測(cè)量軸相對(duì)于軸承的振動(dòng)（非接觸式），軸的振動(dòng)幾乎不傳遞到外殼，所以測(cè)外殼的振動(dòng)不能反映出設(shè)備實(shí)際的振動(dòng)大小。而滾動(dòng)是剛性接觸，與之不同，機(jī)器真實(shí)的振動(dòng)幾乎全部能傳遞到軸承外殼上。

5 結(jié)束語(yǔ)

本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試在水泵振動(dòng)信號(hào)與故障關(guān)聯(lián)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)選改造的振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)裝置，對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)水泵機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、分析和處理，以獲得水泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)的有效診斷。本文通過(guò)的是分析上、下機(jī)架不同方向的振動(dòng)值大小，而在眾多診斷手段中，許多學(xué)者通過(guò)波形、頻譜以及相位分析進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。這是電力設(shè)備故障診斷中核心的部分，對(duì)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)。