旋转设备中的振动方式主要分为两种:一是自激振动, 表现为机械振动的频率与其旋转部分 (即转子) 的转速存在差异, 从而导致转子与定子在相对运动中存在不断相互作用的交变力, 特别是在机组运行过程中升速或超速 (大于临界转速) 的情况下突然发生, 这经常是构成突发性故障的主要原因;二是强迫振动, 它是由于设备联轴器在对中、耦合过程时误差过大, 安装偏差或转轴出现一定程度的弯曲造成的, 其振动特征频率为转子的转频及其倍频, 本文案例所描述的故障主要为此类型的振动。

目前水厂配水泵的振动数据采用便携式振动数据采集仪, 若干加速度传感器探头固定在设备特定的振动点, 进行数据采集存储, 并将数据导入至计算机, 分析比对设备振动的特征频谱和已有故障类型的频谱数据库, 找出异常点, 从而有目的进行维修。

早期的振动信号数据的处理分析技术主要是模拟分析, 随着数字信号处理技术的不断发展, 目前逐步过渡到计算机分析, 速度和性能上得到有效提升。其中快速傅里叶变换 (FFT) 的频谱分析在各种分析方法中最有效, 也是应用最广的振动数据处理分析技术。

复合振动一般可认为是若干个不同频率简谐振动的叠加, 其采用的数学方法是傅里叶变换。假设F (t) 是一个周期为T的函数, 表示成由三角函数组成的傅里叶级数的形式见式 (1) :

式中 F (t) ——周期信号;

a/2 ——直流分量;

a_m、b_m ——m次谐波的幅值;

t ——时间;

ω ——频率。

它是由直流分量a/2和一系列谐波分量组成。这些谐波分量频率都是基频ω= (2π) /T的整数倍, 根据函数F (t) 收敛这一特性, 因此可以采用快速傅里叶变换 (FFT) , 把旋转机械连续的时域波形信号转换成为频域波形 (一般以半倍频为倍数的频谱) 形式, 每种频率的数量多少与分布情况对应不同的故障, 通过对振动频谱特征进行分析, 就可以找出机械设备所存在的问题。

近一段时期, 由于对形成故障的机理分析还有不同的观点, 在确定水泵机组具体故障原因时误判时有发生。例如当联轴器对中出现问题时, 频域波形中的1×、2×倍频会出现峰值, 并且机组载荷越大, 其相应的振峰值幅也越大, 但反之就不能认为1×、2×倍频高于其他倍频就是联轴器对中的问题, 有可能是转子与定子碰摩、设备共振、轴弯曲等原因引起的。只有对故障现象与振动频率之间的内在关系有了深刻的理解, 才能防患于未然, 排除或将故障损害降到最低。

某水厂承担4万m³/d的供水任务。由于水泵已使用24年, 且该地区发展迅速, 用水居民增多, 供水工况发生变化, 导致原水泵效率降低, 能耗增加。为提高供水能力, 保障供水安全, 对配水机房6台配水机组进行更新改造, 其中5#配水机组在改造完成后出现了振动超标现象, 影响了设备的安全稳定运转。

5#配水机组基本参数:电机功率75 kW (YE2-280S-4) ;电机转速1 480转/min;电机电压380 V;电机驱动端轴承6317 (洛阳LYC) ;电机自由端轴承6317 (洛阳LYC) ;水泵型号250S39 (单级双吸卧式离心泵) ;水泵驱动端轴承6309 (洛阳LYC) ;水泵自由端轴承6309 (洛阳LYC) ;联轴器螺栓数量8条。

配水泵由电动机驱动, 二者通过弹性柱销联轴器相连, 该联轴器具有结构简单, 便于维护, 扭矩传递大的特点。不足之处是对被联接两轴间的相对位移缺乏有效补偿, 如果泵轴与电机轴不在同一条直线上, 轴、联轴器和轴承就会存在附加应力, 从而产生磨损, 轻则设备振动增大、温度上升, 严重时会导致轴承的损坏。此外, 由于该联轴器为硬连接, 在传递载荷时难以吸收振动和应对冲击, 因此该联轴器对两轴对中性有很高的要求。

设备轴承座振动测量采用的是压电式加速度传感器, 属于惯性式传感器。原理是利用某些物质的压电效应, 当物体的振动传递到加速度传感器时, 压电元件上受力不断变化。当被测振动频率远低于加速度传感器的固有频率时, 由于力的变化正比于被测加速度, 由此便可测出被测物体的振动加速度, 通过积分得到振动速度。振动采集加速度传感器频率响应范围为0.5 Hz～14 kHz, 通过信号线连接至分析仪, 使用非常方便。

振动监测人员每隔一定周期都要对水泵机组的振动情况进行数据采集记录并导入数据库, 且可随时分析数据库中的信息, 目前集团设备监测数据存入设备健康管理系统, 便于相关技术人员查看。

采用新西兰某公司生产的VB7高级双通道振动分析仪。由振动分析仪采集信号, 将信号输入Ascent诊断分析软件。机组设10个振动测点, 分别是水泵电机的驱动端和非驱动端轴承, 测点布置如图l所示, 图1中各点编号是测量位置, 字母代表位置角度, 其中测点1、2位于水泵非驱动端, 3、4、5位于水泵驱动端, 6、7、8位于电机驱动端, 9、10位于电机非驱动端。

选择测量点时应注意以下方面: ①测量点应尽可能接近需诊断零部件的所在位置;②一般将传感器安装在轴承座或靠近轴承承载区测量旋转部件的振动信号;③传感器不应安装在保护罩、轴承盖之类的轻薄零件上;④尽量减少传感器与被测零件间的机械分界面。

安装传感器应注意:

(1) 振动频率高于5 kHz以上时, 传感器不应采用磁座吸附的安装方式, 而应采用胶粘或螺钉连接刚性安装方式。如果设备表面温度较高, 应采用云母片等材质隔热。

(2) 由于振动在不同部件、不同方向的传播特性相异, 故应采取多位置、多方向的方式测量振动信号。

由于电机转速n为1 480转/min, 因此可计算出主轴旋转频率f见式 (2) :

一般来说, 低频时设备振动强度与位移成正比;中频时振动强度与速度成正比;高频时振动强度与加速度成正比。因此, 对表征设备状态的振动主要频率在10～1 000 Hz时, 按振动速度分析;1 000 Hz以上按振动加速度分析。水厂的水泵机组转速为24.7 Hz, 按振动速度进行分析。

测点8位置的电机轴向振动见图2, 振动最高值达到了4.309 mm/s, 垂直和水平方向则无明显变化。图3中测点5位置为水泵轴向振动, 振动幅值高达8.016 mm/s, 远远超过了《泵的振动测量与评价方法》 (GB/T 29531-2013) 中所规定的第二类泵C级4.5 mm/s的限值。

根据图2驱动端轴向振动速度谱图频率分布, 测点的振动频率以1×倍频为主, 同时在50 Hz处振动有小幅升高, 从图2中还可以发现, 在125 Hz左侧附近出现了第二峰值。

根据图3泵驱动端轴向振动速度谱图频率分布, 水泵轴向测点的振动频率同样以1×倍频为主, 且振动峰值极高, 其他频谱表现不明显。为获取更多的机组振动信息, 缩小设备故障范围, 对相位进行了数据采集, 包括联轴器两端轴向同方向相位角, 其中水泵侧为317°, 电机侧为138°, 两者相位差为179°。

电机振动故障原因主要分为电气和机械两方面, 从图2中可以看出, 电机在50 Hz处振动有一不明显的小高峰, 虽然50 Hz为市电频率, 可能会存在谐波成分, 但是采用断电法监测到电机振动幅值并未立即降低, 由此初步排除了电机存在电气方面的故障。

根据设备状态监测进行分析, 可能设备联轴器同轴性存在一定偏差, 其相关理论, 两个相连设备轴线不重合或不平行, 轴承安装倾斜或偏心, 即为不同轴。不同轴的原因可能是基础损坏、调整误差大、装配不合理、受热膨胀或联轴器端面不平等。联轴器角度对中不良振动速度谱见图4。

不同轴分为3种形式, 即角度不同轴、平行不同轴、角度和平行均不同轴。其中角度不同轴的特点主要有以下3个方面:

(1) 耦合的轴产生弯矩, 轴向1×、2×、3×倍频处出现稳定高峰, 通常可达到径向振动的50%以上。

(2) 轴向1×振动幅值与径向振动一样或者大于径向振动时, 则说明故障非常严重。

(3) 联轴器两端轴向相位差为180°。

该水厂5#配水机组的频谱特征和上述理论非常吻合, 且联轴器两端轴向振动表现为反向振动。结合运行状况, 诊断认为有可能是水泵联轴器不同轴。

滚动轴承主要由内圈、外圈、滚动体和保持架组成, 是机械中的易损件。在运行过程中, 可由于安装不当、润滑不良、过载等原因引起损坏, 或是正常运行过程中出现疲劳和磨损等现象而引起轴承失效, 致使设备不能正常工作。

而轴承的失效主要表现为轴承的振动与噪声加剧, 发热量增大, 振动特征发生变化。而轴承失效形式也是以某个零件或几个零件产生缺陷的形式出现, 主要为轴承内圈、外圈、滚动体和保持架故障。因此, 当轴承运行过程中出现问题时, 不同缺陷位置会产生一系列特定频率特征的重复冲击, 并有其特有的振动频率和振动特征, 而此故障频率可以根据轴承几何结构与尺寸进行计算。

通过电机速度谱分析, 发现在125 Hz左侧附近出现了第二峰值, 由于已经排除了电机存在电气故障的可能性, 而在同频率的状态下, 水泵并没有该振动峰值, 因此把关注点转向了电机轴承是否会存在问题。

该电机轴承采用洛阳轴承厂 (LYC) 生产的6317型号的深沟球轴承, 通过轴承手册查询具体参数如表1。

根据滚动轴承特征频率的理论, 在假定外圈固定, 内圈随传动轴旋转, 滚动体个数为N, 内、外圈与滚动体之间为纯滚动。在外圈固定的情况下, 其通过频率分为以下4种。

内圈通过频率见式 (3) :

外圈通过频率见式 (4) :

滚动体通过频率见式 (5) :

保持架通过频率见式 (6) :

式中 N——滚动体数目;

d_b ——滚动体直径;

D ——轴承节径;

β ——接触角;

f_r ——内外圈的相对转动频率, 当外圈固定时, 即为轴的转动频率。

根据上述公式对深沟球轴承通过频率进行计算, 见式 (7) :

同理可计算出 f_o=76.5 Hz, f_b=51.9 Hz, f_c=9.5 Hz。

利用式 (7) 计算出轴承1×倍频通过频率, 乘以相应的倍数可得出该轴承其他倍频的通过频率, 并列出图表进行比照, 有了这些频率, 就可以根据故障轴承产生的异常振动来判断故障类型。

通过表2, 发现轴承内圈通过频率与电机速度振动谱图125 Hz左侧的峰值极为接近, 因此初步判断轴承内圈存在故障隐患。

为分析结论的正确性, 水厂对5#号机组进行了检查, 发现联轴器确实存在角度偏差的现象, 其原因是联轴器的质量问题, 左右半联并不是同一对, 其端面存在角度误差, 其结果是如果对中时端面平齐必然导致电机轴和水泵轴出现角度差, 且电机侧半联轴器沿轴向内孔存在裂纹, 上述原因造成水泵机组在运行中出现了严重的振动。同时电机驱动端轴承经拆解发现内圈出现点蚀的痕迹, 见图5。

在对联轴器和电机轴承进行更换后, 用Vm-63a手持式测振仪测得水泵驱动端 (5#测点) 轴向振动值为1.8 mm/s, 且声音正常。在室温为21 ℃时, 用红外测温仪测得的该处温度值为42 ℃。根据《城镇供水厂运行、维护及安全技术规程》 (CJJ 58-2009) 相关规定要求, 运行状态合格。此次设备维修发现了轴承缺陷, 说明进行设备振动监测诊断技术能够发现水泵机组内部的故障并准确判断出故障位置, 检修的针对性更强, 而常规手段不易做到。

运用振动监测技术对旋转设备特别是水泵机组内部故障的早期发现, 有着积极的意义。常规监测手段只能对外部特征明显、发展到一定阶段的设备故障进行检测, 对于部分潜在隐患却难以把握。而采用设备振动监测技术却可以有效解决。其次, 它能确保设备不因突发性事故导致损坏。设备故障规律一般表现为:早期缺陷形成之后会经历缓慢发展, 一旦出现特定条件, 故障则呈现出快速发展的趋势, 最终导致事故的发生。设备早期缺陷一旦被检测发现, 就可以根据设备状态决定是检修还是继续运行, 避免事故的发生。此次5#配水机组故障的诊断, 为水厂的设备检修维护工作发挥了重要作用, 有力保证了设备的完好, 确保安全供水。