引言
 
盡管離心泵故障發(fā)生原因比較復(fù)雜，但是通過對水泵整體振動的分析，具體對振動信號的分辯，例如軸承損壞、葉片磨損、泵軸與電機傳動軸 的質(zhì)量不平衡、不對中、軸彎曲等，就可以對故障過行診斷;

小編主要通過3種方法:信號分析法、數(shù)據(jù)分析法、實際分析法，最合得出了一個結(jié)論……

1.信號分析方法

1.1傅里葉變換
1.2頻譜分析法的核心DFT算法——FFT-FT算法
1.3頻譜分析方法

2.數(shù)據(jù)分析法

3.實際振動分析法

 
本文通過模擬離心泵運行過程中出現(xiàn)的水泵故障，搭建試驗臺測量采集離心泵不同狀態(tài)運行過程中的振動信號。利用傅里葉變換對振動信號進(jìn)行頻譜分析、提取出可以表征離心泵故障的特征信息。分析查找振動故障原因，為實際水泵運行維護(hù)提供一套解決方法。
 

1.水泵振動故障

 水泵工作現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，高溫、濕熱、嗓聲大、監(jiān)制維護(hù)工作難度大。
 
水泵內(nèi)部存在機械和水力產(chǎn)生的動態(tài)力，水泵的振動有多種特征。既有具有諧波、次諧波、低頻、工頻、高倍頻等頻率特征的振動，也有與頻率無關(guān)的振動振動方向有徑向振動、水平振動、垂直振動、軸向振動等候振以及振動誘因有自由振動、受迫振動、自激振隨機振動以及共振。
 
由于水泵振動的誘因復(fù)現(xiàn)根據(jù)水泵的振動特征簡要介紹水泵振動故障嚴(yán)其產(chǎn)生原因。
 
1.1轉(zhuǎn)子不對中
 
轉(zhuǎn)子不對中是水泵中常見的故障之一，水泵和電機轉(zhuǎn)子之間通過聯(lián)軸器進(jìn)行聯(lián)接，由于安裝不達(dá)標(biāo)、轉(zhuǎn)子彎曲、軸承中心線偏移或偏斜、軸承與轉(zhuǎn)子的間隙以及承受載荷后轉(zhuǎn)子與軸承的變形等原因，導(dǎo)致水泵軸中心線與電機軸中心線不處于同一條直線上，從而使水泵中心軸線與電機中心軸線形成一定角度、最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不對中，進(jìn)而產(chǎn)生振動并導(dǎo)致機械故障。
 
 
轉(zhuǎn)子不對中可以分為下述三種情況。
 
第一種是平行不對中:
 
轉(zhuǎn)子的軸線之間產(chǎn)生相應(yīng)的徑向位移，每當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周，徑向彈力就會改變方向4次，即振動2次;所以其振動頻率為基頻的兩倍，此時轉(zhuǎn)子產(chǎn)生徑向振動。
 
第二種是偏角不對中:
 
電機轉(zhuǎn)子與水泵轉(zhuǎn)筍的角速度不同，中國的聯(lián)軸器容易產(chǎn)生一個彎矩，彎矩的作用是盡量級解電機軸與水泵軸之間的偏角。軸每旋轉(zhuǎn)一周，其彎矩的作用方向隨之改變一次，所以，角度不對中使轉(zhuǎn)子增加了軸向力，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在軸向產(chǎn)生振動。
 
第三種是平行偏角不對中。轉(zhuǎn)子軸線之間不僅存在徑向位移，同時還存在偏角位移，從而使轉(zhuǎn)子既產(chǎn)生徑向振動，又產(chǎn)生軸向振動。
 
圖1為不對中的3種情況。
 
 
 
所謂的不平衡:是由于轉(zhuǎn)子部件質(zhì)量偏心或轉(zhuǎn)I部件出現(xiàn)缺損造成的。
 
轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心通常是由于軹子的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、不均勻、制造誤差以屋安裝誤差等原因造成的。
 
轉(zhuǎn)子部件出現(xiàn)轉(zhuǎn)子通常是轉(zhuǎn)子在運行過程中由于腐蝕、磨損以及轉(zhuǎn)子受疲勞力的作用，使轉(zhuǎn)子零部件局部損傷、材料脫落等造成的。
 
其振動機理是，轉(zhuǎn)子各橫截面的質(zhì)心連線與各截面幾何中心的連線不重合，使轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時各截面的離心力構(gòu)成一個空同連續(xù)力系，造成轉(zhuǎn)子的撓度曲線為一連續(xù)的三維曲線。在高轉(zhuǎn)速下，即使數(shù)量稷甲小的質(zhì)量偏心也會產(chǎn)生很大的離心力。這個空間離心力系和轉(zhuǎn)子的撓度曲線是旋轉(zhuǎn)的。其旋轉(zhuǎn)的速度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相同，從而使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生工頻振動
 
 
 
 
上面為轉(zhuǎn)子力學(xué)模型
 
顯然，不平衡的離心慣性力越大，振動就越劇烈
 
 
1.3座聯(lián)接松動

座聯(lián)接松動容易導(dǎo)致水袋阻抗偏低，從而使水泵在運行過程中產(chǎn)生較大的振動。支座聯(lián)接松動主要有以下特征：支座聯(lián)接松動時，其水泵振動相對較強烈，且振動強度隨著轉(zhuǎn)速的改變較明顯，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某一極值時，振幅將發(fā)生急剃變大或變小。
 
支座聯(lián)接松動時，其軸心運動軌跡較為混亂。重心偏移，從而產(chǎn)生兩倍頻振動。甚至3倍、4倍、5倍以及更高倍頻的振動。
 

2信號分析方法

 工程中所制的信號一般用時域來描述，稱為時城信號。然而由于故障的發(fā)生、發(fā)展會引起信號頻率結(jié)構(gòu)的變化。
 
為了通過所測信號了解、觀測對象的動態(tài)行為，往往需要頻域信息。將時城信號通過數(shù)學(xué)處理變換為頻域分析的方法稱為頻譜分析。
 
頻譜分析是旋轉(zhuǎn)機城故障診斷中使用最廣泛的信號處理、特征提取方法之一*。
 
 
2.1傅里葉變換是進(jìn)行頻率結(jié)構(gòu)分析的重要工具，它可以辨別或區(qū)分組成任意波形的一些不同頻率的正弦波和它們各自的振幅。對于一個時域信號X(t)，其傅里葉正變換為
 
傅里葉變換是從時域到頻域，或從頻域到時域的信號轉(zhuǎn)換。
 
 
 
傅里葉變換是從時域到頻域，或從頻域到時域 的信號轉(zhuǎn)換。任何連續(xù)測量的時域信號，都可以表 示為不同頻率正弦波信號的無限疊加。在使用傅里 葉變換分析信號時，要保證連續(xù)時間信號滿足狄里 赫萊條件：
 
1)在任意周期內(nèi)，連續(xù)時間周期信號必須絕對可積；
 
2)在任意有限區(qū)間內(nèi)，連續(xù)時 間周期信號具有有限個起伏變化，•
 
3)在X(t)的任意有限區(qū)間內(nèi)，只有有限個不連續(xù)點，而在這些 不連續(xù)點上，信號值是有限的。
 
2.2頻譜分析法的核心DFT算法——FFT-FT算法
 
離散傅里葉變換 DFT(Discrete Fourier Transform) 是計算機作傅里葉運算引 出的專用名詞 ，離 散采樣信號的傅里葉(Fourier)分析是振動信號頻譜 分析的基礎(chǔ)。
 
設(shè)信號的離散時域采樣樣本為X(n), n=0，1， …，N-1是采樣點，N是信號長度。則信號的離散 傅里葉變換(DFT)為
 
 
在計算機中直接進(jìn)行傅里葉變換(DFT)的運算 量與信號長度N的乎方成正比，運算量太大，工 程應(yīng)用時一般采用快速傅里葉變換(FFT)算法， FFT算法通過仔細(xì)選擇和重新排列中間結(jié)果，在速 度上有明顯優(yōu)勢。對于采樣頻率為/、采樣點數(shù)為 N的時間序列尤U)，其離散的傅里葉級數(shù)由式(1) 可表示為
 
 
 
 
 
 
由采樣定理可知，系列xU)包含著0~y?2頻段 的連續(xù)信息，因此，可以近似把上面的看作區(qū)間 (0~N/2)內(nèi)連續(xù)變化的實數(shù)于是，上面 兩式可以改寫為
 
 
 
 
FFT是實施DFT的一種快速運算方式。可以 認(rèn)為，DFT是一個周期離散時間序列與一個周期離 散頻域序列的組合，借助于FFT算法利用計算機 完成，提供了一種快速頻譜分析方法。FFT-FT得 出的細(xì)化譜的頻率比較準(zhǔn)確，其幅值誤差量級僅為 0.02%左右、相位誤差在0.1%左右，F(xiàn)FT-FT細(xì)化 譜對于fg差為0.5 A/的2個主頻成分也能識別出 來。
 

2.3頻譜分析方法

 頻譜分析常用的頻譜是功率譜和幅值譜。功率 譜表示振動功率隨振動頻率進(jìn)行分布的情況，物理 意義比較清楚。幅值譜表示對應(yīng)于各頻率的諧波振 動分量所具有的振幅，應(yīng)用時比較直觀。幅值譜上 譜線高度就是該頻率分量的振幅大小。
 
1)      按髙、中、低三個頻段進(jìn)行分析，初步了 解主故障發(fā)生的部位；
 
2)      按工頻、超諧波、次諧波進(jìn)行分析，用以 確定故障的范圍：對中、平衡、松動類故障均與工 頻(也稱基頻、轉(zhuǎn)頻)的整數(shù)倍或分?jǐn)?shù)倍有著密切的 關(guān)聯(lián)；
 
3)      按頻率成分的來源進(jìn)行分析，如：零部件 共振的頻率成分、隨機噪聲干擾成分、非線性調(diào)制 生成的和差頻成分等；
 
4)      按特征頻率進(jìn)行分析，振動特征頻率是各 振動零部件有故障時必定產(chǎn)生的頻率成分。
 
3實施分析
 
3.1測試系統(tǒng)簡介
 
針對水泵的振動測試主要采用NI USB-9234 數(shù)據(jù)采集卡作為硬件、以北京東方振動與噪聲技術(shù) 研究所的DASP軟件為軟件支持、以三相加速度傳 感器和速度傳感器作為振動數(shù)據(jù)采集端與筆記本電 腦組成一套測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)如圖3所示。


3.2水泵的測點位置
 
水泵的主要測點位置如圖4所示。測點位置應(yīng) 選在振動能量向彈性基礎(chǔ)或系統(tǒng)其它部件進(jìn)行傳遞 的地方，并且每個測點都要在三個互相垂直的方向 (7JC平、垂直、軸向)進(jìn)行振動測量。因此，在水泵 振動測試中，我們采用三相加速度傳感器、速度傳感 雛為振動數(shù)據(jù)采集端，主要測試部位有水泵軸承
 
 
 
 
底座以及出口法蘭處，其中以軸承座處的測點為主要 測點，底座和出口法蘭處的測點稱為輔助測點。
 

4.數(shù)據(jù)分析

 4.1數(shù)據(jù)采集
 
搭建水泵振動試驗臺，試驗臺整體如圖所示 (圖刪略-編者），試驗臺水泵性能參數(shù)如表1所 示。該水栗軸系自振頻率：
 
f=n/60=2950/60=49.17 Hz
 
在搭建的水泵振動試驗臺上，按照前述測點位 置安裝傳感器，聯(lián)接數(shù)據(jù)采集前端。在實測過程 中，保證傳感器與被測結(jié)構(gòu)良好固定，保證聯(lián)接牢 固，振動過程中不出現(xiàn)松動。安裝表面平整，不能 有油污、塵土、碎屑。同時，傳感器安裝后，固定 信號線纜，保證測試過程中不出現(xiàn)松動，以確保測 試結(jié)果的準(zhǔn)確性。設(shè)置采樣頻率為10.24 kHz,采 樣長度30 S，分別采集水泵正常和水泵不同故障下 的時域信號。
 
 
 

 
1)      當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不對中時，水泵在水平軸向、 水平徑向以及垂直方向振動有效值、基頻幅值及葉 頻幅值明顯增大，在水平徑向、水平軸向整體振動 幅值增加顯著；
 
2)      當(dāng)?shù)啬_螺栓松動時，水泵垂直方向的振動 幅值明顯增大；
 
3)      當(dāng)不平衡出現(xiàn)時，其特征與不對中相似， 7JC泵振動有效值、基頻幅值及葉頻幅值增大，尤其 在水平軸向上，振動有效值明顯增大。
 

5.實際水泵振動分析

 某水泵在大修后返廠發(fā)現(xiàn)其水平方向振動過 大，尤其當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到4100 r/min后，隨轉(zhuǎn)速升高振 動增大明顯。測量栗驅(qū)動端、非驅(qū)動端軸承和泵體 的振動速度信號，對采集的信號進(jìn)行頻譜分析，從 其頻譜圖明顯可以看出，軸頻成分是最主要的振動
 
成分，驅(qū)動端、非驅(qū)動端軸承座處 振動有效值和軸頻振動幅值明顯?？梢耘袛嗨么?在不平衡問題。


表2為水泵不同狀態(tài)下的有效值及頻率幅值對比，通過比較頻譜、振動有效值、頻率幅值可以得出：
 
6結(jié)論
 
本文通過模擬水泵運行過程中出現(xiàn)的水泵故障 展開研究，經(jīng)過分析可以得到如下結(jié)論：
 
1) 振動是水泵系統(tǒng)中普遍存在的問題，也是 影響水泵正常運行的突出問題，在實際工作中必須 嚴(yán)格控制系統(tǒng)的振動；
 
2) 通過獲取的頻譜與故障頻譜對比是判斷早 期故障的重要手段，但水栗振動誘因復(fù)雜，后續(xù)工 作要注意不斷完善水泵振動故障的特征頻譜；
 
 
3利用信號處理技術(shù)可以更加深入地展現(xiàn)振 動特征，有利于故障的準(zhǔn)確診斷。

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