设备振动在线监测分析在西江引水工程中的应用

2012-07-05李志梅吕健群胡兆熊

自动化与信息工程 2012年3期

李志梅吕健群胡兆熊

（1.广东省自动化研究所 2.广州自来水公司）

1 引言

水泵、电机是泵站的重要机电设备，是生产过程中维护的重点。在生产过程中，水泵、电机故障大多是缓慢渐进形成的，如何在早期发现问题，及时处理故障，一直是运行维护中的难点。由于机组振动影响其使用寿命和安全稳定运行等可靠性指标[1]。水泵和电机的振动不仅反映和体现设备的运行状况，还可以显示设备的性能、制造和安装水平[2]。

西江引水工程是民生工程，对取水配水机组提出了很高的性能要求。为保证水泵机组设备处于最佳运行状态，在设备出现故障隐患时及早发现并准确判断故障原因，避免非计划停机，为安全运行和科学检修提供可靠依据[3]，西江引水工程建立了水泵机组在线振动监测与故障分析诊断系统。

西江引水工程分为下陈取水泵站和鸦岗配水两个泵站，各有十二台大型卧式水泵机组分别提供完整、独立的在线振动监测与分析系统。本文以下陈取水泵站为例做说明。本系统采用新西兰况得实仪器有限公司提供的振动监测模块（VbOnline）以及振动分析软件（Asscent）。

2 水行业泵组常见的典型故障及风险分析

常见的旋转机械故障一般分为轴承故障、联轴器不对中、转子不平衡、机械松动等情况[4]。

2.1 轴承故障

滑动轴承是水利泵组旋转机械中最常用部件之一，在运转过程中由于制造缺陷、安装不当、磨损等原因产生故障[3]。一般转机都是在匀速状态下运行，目前用故障特征频率来识别滑动轴承的故障是简单有效的方法。特别是泵组轴承，可以根据其结构计算出轴承故障特征频率，以便在日后的运行监测中，掌握轴承特征频率对应的振动量的变化，达到监测轴承故障发展情况的目的；对于电机轴承，则根据推力瓦块数量计算推力瓦故障特征频率，而电机轴承则符合一般滑动轴承特征。

滚动轴承也是泵组设备中最常用部件之一，亦容易产生故障[3]。滚动轴承在运转过程中会由于各种原因引起损坏，如装配不当、润滑不良、水分和异物侵入、腐蚀和过载等。滚动轴承故障常见于轴承内圈、外圈、滚柱/珠以及保持架等部位，主要表现有：疲劳剥落、磨损、塑性变形、锈蚀、断裂、胶合、保持架损坏等。通过识别不同部位的故障特征频率可以有效识别滚动轴承的各种故障。

2.2 联轴器不对中

对于泵组设备，两个相连接的机器因装配不当、调整不够、基础损坏、热胀或联轴节锁死等引起的轴线不平行或不重合，一个或多个轴承安装倾斜或偏心，即为不对中。不对中分为三种情况：平行不对中、角度不对中、平行和角度不对中。

2.3 转子不平衡

不平衡是转子质量分布不均匀造成的[3]。原因多为制造时几何尺寸不同心或质量分布不均匀；安装中斜键或轴颈不同心；轴水平安放过久或受热不均匀，造成临时或永久变形；离心机类机械工作时，物料填充不均匀；工作介质中的杂质在转子表面沉积；零部件配合过松；动平衡方法不当（高转速、低转速）；原有平衡配重脱落等。不平衡的那部分质量在转动中会产生离心力，离心力随着不平衡质量的旋转而引起振动。振动再传到轴承上，使轴承上的各点每旋转一周承受一次作用力。

2.4 机械松动

因螺栓断裂或松动、基础找平斜铁脱落、钢制框架焊口开裂、找正垫片脱落等引起设备固定地脚螺栓断裂或松动，甚至支撑结构裂纹造成基础支撑刚性下降。由此可能导致机组振动急剧加大，改变系统固有频率并可能引发系统共振，造成机组结构性损伤[3]。

3 应用实施

3.1 单机振动监测

为保证振动数据采集全面和日后故障分析诊断的准确性和充分性，对于各监测点同时采集水平和垂直方向的振动数据，各转子轴均配置一个轴向振动测量仪以监测轴系对中和轴向振动情况。因此每台泵组将采集十个测点的振动数据（电机自由端轴承配置两个测点（水平/垂直）、驱动端轴承配置三个测点（水平/垂直/轴向）、泵自由端轴承配置两个测点（水平/垂直）、驱动端轴承配置三个测点（水平/垂直/轴向））和一个转速信号。为实现基于条件的振动数据采集，加装霍尔效应传感器以测量转速。所有振动加速度传感器均引入 VbOnline模块，通过模块网络接口，将振动数据上传至中控室，进行在线分析。

3.2 泵站系统监测与分析

在线振动监测与分析系统由振动传感器、在线振动监测模块以及振动分析软件三部分组成。如图1所示，由十二台水泵机组的振动监测构成网络。每台大型水泵机组都经由一个VbOnline进行监测，VbOnline振动监测仪安装在泵组的LCU柜内。

在线振动监测仪的数据采集方式和采集定义可以根据需要由用户在计算机上设置，并可通过RS232接口现场下载或通过以太网络通讯接口远程下载。模块内部具有硬件积分功能，由加速度传感器获得振动加速度信号，并可通过硬件积分获得需要的振动速度和振动位移量值。

图1 取水泵站泵组振动状态在线监测与分析系统结构示意图

十二台VbOnline通过集成的以太网接口，经工业以太网交换机与布置在中控室的在线振动分析软件系统的客户机和服务器连成网络，采用TCP/IP工业以太网现场总线通讯方式，实现与自动控制系统的通讯，并为自动控制系统的人机界面软件提供振动的状态数据。

西江引水工程运行过程中，通过振动在线监测系统，进行机组振动状态分析。

电机驱动端水平方向和正常的电机驱动端水平方向解调频谱图见图2 、图3 。107#泵组振动幅值处于允许范围内，但电机驱动端轴承解调频谱中外环故障特征频率清晰可见，疑为电机驱动端轴承早期故障引起。解调频谱对轴承超早期、早期故障灵敏，解调频谱上出现轴承故障特征频率，表明轴承内部有微小损伤，如拆检，肉眼难以观测到该损伤。因此，解调谱图出现相关轴承故障特征频率时，并不完全代表该轴承必须要更换，还应根据其它谱图（如速度有效值谱图），甚至包括传统的听诊情况，综合考虑是否需要更换。故针对此种情况，应注意观察该轴承振动情况，特别应注意振动速度谱图中是否出现该轴承特征频率，且注意总体振动速度幅值是否明显变化，以确定更换轴承的最佳时机。分析结果建议，加强轴承保养工作，并注意振动速度谱图中是否出现轴承相关故障特征频率，如果速度谱图中发现其解调谱图中的轴承故障频率，应密切关注其发展趋势，当振动速度有效值幅值明显变化时，则应考虑更换机组轴承。