李 穎

（中國石油大慶煉化公司，黑龍江大慶 163400）

0 引言

基于頻譜分析理論的軸流泵振動(dòng)故障診斷是近幾年來比較熱門的研究方向之一。對(duì)于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型而言，當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)對(duì)水流產(chǎn)生提升力時(shí)，其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)受到周期性激勵(lì)作用時(shí)，轉(zhuǎn)速會(huì)隨著推力和轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡力的作用而發(fā)生變化；在這種情況下，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子中心線之間會(huì)出現(xiàn)一條頻率曲線。該曲線可用來表征轉(zhuǎn)子受力產(chǎn)生的周期性脈動(dòng)頻率響應(yīng)情況，通過對(duì)其的分析，還可以獲得軸流泵在不同工況下工作時(shí)產(chǎn)生的各種振動(dòng)信號(hào)及其特征參數(shù)信息[1]。

1 預(yù)聚合軸流泵振動(dòng)高經(jīng)過

預(yù)聚合軸流泵2-P210 為Lawrence 制造的軸流泵，功率18.5 kW，額定轉(zhuǎn)速2940 r/min，軸承型號(hào)為7311×2/6210×1，預(yù)聚合軸流泵2-P210，是某煉化企業(yè)關(guān)鍵設(shè)備且無備用泵（為獨(dú)生子設(shè)備），主要作用是為反應(yīng)器R210 提供循環(huán)。

2020 年10 月12 日23：27，預(yù)聚合軸流泵2-P210 安全密封罐2-Z212 液位2LI2103 液位下降，安全密封罐壓力2PI2103升至0.141 MPa，外操到現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)機(jī)封泄漏。安全密封罐現(xiàn)場補(bǔ)油，機(jī)泵振動(dòng)、聲音、軸功率及機(jī)封PLAN53C 方案增壓活塞標(biāo)尺等無異常變化，通過對(duì)安全密封罐壓力調(diào)整，機(jī)封恢復(fù)密封狀態(tài)，監(jiān)護(hù)運(yùn)行。

2020 年10 月13 日，2-Z212 液位以約每小時(shí)5%的速度下降，對(duì)2-P210 泵加密巡檢監(jiān)護(hù)，液位低及時(shí)補(bǔ)油，保證2-Z212 液位控制在60%～80%。此時(shí)機(jī)泵振動(dòng)、聲音等無異常變化。

2020 年10 月23 日，DCS 上振動(dòng)值上漲，機(jī)泵現(xiàn)場振動(dòng)有所上升，現(xiàn)場有異響。

2020 年10 月28 日，DCS 上的振動(dòng)值迅速上漲、達(dá)到20 mm/s，機(jī)泵現(xiàn)場離線監(jiān)測振動(dòng)值為6 mm/s。

2020 年11 月2 日，裝置按計(jì)劃停工，11 月3 日，2-P210 泵開始檢修。

2 滾動(dòng)軸承振動(dòng)故障監(jiān)測與診斷

2.1 滾動(dòng)軸承的失效形式

滾動(dòng)軸承由內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾動(dòng)體、保持架等4 個(gè)主要部件組成，按其破壞模式可劃分為4 類。

（1）疲勞剝落。由于交變載荷的作用，軋輥與軋輥接觸面接觸表面的金屬層逐漸剝落并逐漸擴(kuò)大，因此產(chǎn)生了凹陷。如果不停地旋轉(zhuǎn)，則會(huì)造成大面積剝落。

（2）磨耗。如果滾動(dòng)軸承的密封不到位，使灰塵、細(xì)小顆粒等進(jìn)入，或潤滑不到位，就會(huì)引起與軸承的接觸面的摩擦或磨擦，增大軸承的振動(dòng)和噪聲

（3）裂紋或斷裂。由于材料有缺陷或熱處理不當(dāng)，配合過盈過大，軸承表面有凹陷，從而引起應(yīng)力集中，造成軸頸開裂。

（4）凹陷。當(dāng)外來細(xì)顆粒物質(zhì)入侵球體和滾道時(shí)，球體表面上會(huì)出現(xiàn)凹陷。此外，過大的沖擊載荷使接觸表面發(fā)生局部塑性變形，使接觸表面產(chǎn)生凹陷。當(dāng)?shù)鬃潭ú粍?dòng)的時(shí)候，外部的沖擊就會(huì)在軌道上造成均勻的凹坑，即使負(fù)載不大，也會(huì)在周圍環(huán)境的振動(dòng)下形成凹坑[2]。

2.2 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理

（1）滾動(dòng)軸承故障的基本頻率。內(nèi)圈滾道回轉(zhuǎn)頻率為fi=N/60，外圈滾道回轉(zhuǎn)頻率為f0、一般為0。

（2）滾動(dòng)軸承故障的通過頻率。通過頻率是指，滾動(dòng)軸承元件出現(xiàn)局部損傷時(shí)，設(shè)備在運(yùn)行中就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)頻率，稱為故障特征頻率，又稱軸承通過頻率[3]。軸承的通過頻率及計(jì)算公式見表1，其中，軸承節(jié)徑D 是滾動(dòng)軸承體中心所在的圓的直徑，d 為滾動(dòng)體的平均直徑；接觸角α 是滾動(dòng)體受力方向與內(nèi)外垂直線的夾角；z 為滾動(dòng)體或滾動(dòng)體的數(shù)目。

表1 軸承的通過頻率及計(jì)算公式

2.3 滾動(dòng)軸承的信號(hào)特征

（1）軸承內(nèi)圈損傷。如果在不存在徑向空隙的情況下，出現(xiàn)剝落、裂紋和點(diǎn)蝕等破壞時(shí)，將產(chǎn)生脈沖振動(dòng)。一般情況下，由于點(diǎn)蝕部位與滾子碰撞的部位和碰撞的部位，其振幅值會(huì)出現(xiàn)周期改變，也就是幅度的調(diào)整。

（2）軸承外圈損傷。當(dāng)滾動(dòng)體在運(yùn)動(dòng)中通過時(shí)，在其運(yùn)動(dòng)的影響下，其表面會(huì)發(fā)生剝落、開裂、點(diǎn)蝕等損傷，進(jìn)而產(chǎn)生碰撞和振動(dòng)。由于點(diǎn)蝕位置與載荷方向之間的相對(duì)位置不變，在這一時(shí)刻不發(fā)生振幅調(diào)整。

（3）軸承滾動(dòng)體損傷。在滾動(dòng)軸承中，如果出現(xiàn)了剝落、裂紋和點(diǎn)蝕等破壞，且這些破壞的部位穿過了滾動(dòng)軸承的內(nèi)外圈，則會(huì)引起滾動(dòng)軸承的沖擊振動(dòng)。在不存在徑向間隙的情況下，將發(fā)生一次沖擊振動(dòng)。由于滾動(dòng)軸承一般都具有徑向間隙，所以，與內(nèi)環(huán)出現(xiàn)點(diǎn)蝕的情形類似，也會(huì)出現(xiàn)幅度調(diào)制，這取決于點(diǎn)蝕與內(nèi)外環(huán)碰撞接觸的位置，但幅度調(diào)制是按照滾珠體的旋轉(zhuǎn)頻率來實(shí)現(xiàn)的。

（4）軸流泵2-P210 軸承特征頻率。根據(jù)表1，可以得出泵中軸承的基本頻率及特征頻率（表2）[4]。

表2 軸承特征頻率 Hz

2.4 機(jī)泵無線系統(tǒng)分析

機(jī)泵采用北京佳訊飛鴻電氣股份有限公司研發(fā)的無線監(jiān)測系統(tǒng)，從圖1 可以看出泵殼體振動(dòng)烈度頻繁波動(dòng)，振動(dòng)值不穩(wěn)定。分析機(jī)泵驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承受交變載荷影響，其滾動(dòng)體與保持架產(chǎn)生不良沖擊，波形頻譜整體體現(xiàn)中期磨損特征。

圖1 泵驅(qū)動(dòng)端速度有效值趨勢圖

從圖2 可以看出，機(jī)泵驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承包絡(luò)頻譜以軸承型號(hào)為7311 的滾動(dòng)體諧波頻率主導(dǎo)，包絡(luò)波形底部的寬帶噪聲逐漸升高。

圖2 泵驅(qū)動(dòng)端包絡(luò)頻譜圖

2020 年10 月28 日機(jī)泵驅(qū)動(dòng)端加速度峰值及包絡(luò)峰值由頻繁波動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)穩(wěn)定升高，且包絡(luò)波形頻譜底部的寬帶噪聲持續(xù)升高，且滾動(dòng)體故障頻率信號(hào)越來越明顯（圖3、圖4）。判斷軸承滾動(dòng)體已經(jīng)磨損，建議立即檢修，檢修時(shí)應(yīng)重點(diǎn)檢查軸承滾動(dòng)體，保持架及機(jī)封的磨損情況。

圖3 泵驅(qū)動(dòng)端加速度峰值趨勢圖

圖4 泵驅(qū)動(dòng)端包絡(luò)峰值趨勢圖

2.5 離線監(jiān)測分析

離線監(jiān)測采用的是北京博華信智科技發(fā)展有限公司制造的BH550 綜合分析診斷儀。10 月23 日至10 月30 日，振動(dòng)值變化情況如表3。

表3 振動(dòng)值變化情況

由于此次軸流泵振動(dòng)升高主要是由于機(jī)封泄漏導(dǎo)致，振動(dòng)主要體現(xiàn)在機(jī)泵端，因此選取機(jī)泵驅(qū)動(dòng)端水平方向振動(dòng)3H、機(jī)泵驅(qū)動(dòng)端垂直方向振動(dòng)3V、機(jī)泵非驅(qū)動(dòng)端水平方向振動(dòng)4H、機(jī)泵非驅(qū)動(dòng)端垂直方向振動(dòng)4V 振動(dòng)數(shù)值形成振動(dòng)值變化圖表（圖5）。從圖5 可以看出，10 月28 日機(jī)泵驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)數(shù)值大幅上漲。本次機(jī)泵振動(dòng)升高主要體現(xiàn)在機(jī)泵驅(qū)動(dòng)端，而機(jī)泵驅(qū)動(dòng)端各個(gè)方向測點(diǎn)中又以水平方向最為典型，因此本文選取10 月27 日—10 月29 日機(jī)泵驅(qū)動(dòng)端水平振動(dòng)進(jìn)行頻譜分析。

圖5 振動(dòng)值變化曲線

從泵驅(qū)動(dòng)端水平方向頻譜圖可以看出，頻譜主要體現(xiàn)在50 Hz，即1 倍頻，表現(xiàn)出機(jī)泵不平衡問題（圖6）?？紤]為由于機(jī)泵機(jī)封泄漏、沖洗丙烯進(jìn)入密封腔內(nèi)，造成密封腔壓力升高，引起機(jī)泵不平衡問題。同時(shí)可以看出，底部的寬帶噪聲逐漸升高，機(jī)泵逐漸劣化。但是離線監(jiān)測頻譜中并未發(fā)現(xiàn)軸承故障頻率，原因可能是由于驅(qū)動(dòng)端測點(diǎn)位置是白鋼材料、測振儀探頭不能直接吸附，測振儀采集精度受到影響。

圖6 泵驅(qū)動(dòng)端水平方向頻譜圖

3 軸流泵拆解驗(yàn)證

11 月3 日，對(duì)2-P210 集裝機(jī)封解體后發(fā)現(xiàn)，機(jī)封內(nèi)PLAN53C軸套內(nèi)2 個(gè)O 形圈全部斷裂（圖7），機(jī)封端面完好，可判斷PLAN53C軸套O 形圈失效造成沖洗丙烯從PLAN53C 軸套與軸間泄漏至PLAN52 腔內(nèi)，造成密封腔壓力升高，與停工前判斷一致。

圖7 取出破損的O 形圈

由于PLAN52 安全密封罐內(nèi)串入丙烯，導(dǎo)致密封油稀釋和缺失，造成密封腔內(nèi)軸承潤滑不良，致使軸承滾動(dòng)體嚴(yán)重磨損（圖8）。

圖8 磨損的軸承

通過機(jī)泵無線監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)預(yù)聚合軸流泵進(jìn)行監(jiān)測能夠更早的發(fā)現(xiàn)軸承故障，更清楚機(jī)泵運(yùn)行狀態(tài)，為檢修提出合理建議。離線監(jiān)測預(yù)聚合軸流泵能夠看出劣化趨勢，但在軸承故障診斷方面還有所欠缺。

4 檢修后運(yùn)行狀態(tài)

更換了機(jī)封、軸承后，重新啟動(dòng)2-P210 泵，泵驅(qū)動(dòng)端速度有效值維持在1.3 mm/s 左右，運(yùn)行趨勢穩(wěn)定（圖9）；驅(qū)動(dòng)端加速度峰值維持在15 m/s2左右，趨勢穩(wěn)定（圖10）；驅(qū)動(dòng)端包絡(luò)峰值維持在15 m/s2左右，趨勢穩(wěn)定（圖11）。因此，2-P210 泵的本次檢修效果很好，整體運(yùn)行平穩(wěn)。

圖10 檢修后泵驅(qū)動(dòng)端加速度峰值趨勢圖

圖11 檢修后泵驅(qū)動(dòng)端包絡(luò)峰值趨勢圖

5 結(jié)束語

通過對(duì)某煉化企業(yè)軸流泵振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過在線監(jiān)測系統(tǒng)與離線監(jiān)測采集的速度有效值、加速度峰值及包絡(luò)峰值進(jìn)行分析比對(duì)，并結(jié)合設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中表現(xiàn)出的故障特征，綜合診斷機(jī)泵驅(qū)動(dòng)端加速度峰值及包絡(luò)峰值由頻繁波動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)穩(wěn)定升高，且包絡(luò)波形頻譜底部的寬帶噪聲持續(xù)升高，且滾動(dòng)體故障頻率信號(hào)越來越明顯，判斷軸承滾動(dòng)體已經(jīng)磨損。軸流泵的拆解情況也驗(yàn)證了頻譜分析的結(jié)果，并在檢修后成功消除了軸流泵故障，對(duì)軸流泵未來的運(yùn)行有一定借鑒作用。

將振動(dòng)頻譜分析應(yīng)用到日常工作中，要保證數(shù)據(jù)的采集的準(zhǔn)確性，即振動(dòng)的測點(diǎn)選擇要正確，能完全體現(xiàn)出故障的最合適位置。另一方面，測點(diǎn)的材料也要考慮。本文在線監(jiān)測的探頭耦合在測點(diǎn)位置，故障頻譜就被很好地保存下來，而離線監(jiān)測時(shí)測振儀無法吸附在白鋼材料上面，需要用手來保持?jǐn)?shù)據(jù)的采集，就沒有采集到軸承故障頻率，這樣在線監(jiān)測與離線監(jiān)測相結(jié)合，可以大大提高故障診斷的準(zhǔn)確性。