罗茨真空泵状态监测与故障诊断系统应用

王 浩，王福维，谢 星

（中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳 62100）

0 引言

真空系统是动力系统的重要组成部分，主要功能是提供真空环境，其主要设备是罗茨真空泵。受工作环境影响及设备自身运行损耗，罗茨真空泵时常出现超温、异响、卡死等情况，设备故障率较高，影响保障效率。同时，罗茨真空泵维修工作采用故障后维修及计划维修的模式，会产生维修不足以及维修过度的情况，因此，结合罗茨真空泵装备特点，应用状态监测与故障诊断系统，能节省维修经费，提高维修效能，保障设备安全。

1 罗茨真空泵结构特点

罗茨真空泵是一种无内压缩的旋转变容式真空泵。真空系统选用的罗茨真空泵均为卧式结构，泵的进气口在上，排气口在下，其中JZJQ3750-321A 型气冷式罗茨真空泵机组在侧面有返冷气口。罗茨泵在2 个半圆形的泵腔内有2 个形状对称的转子，转子形状有两叶（ZJQ3750、ZJQ1200）和三叶（ZJQ600、ZJQ400）的。2 个转子平行地安装在一对轴上，由一对传动比为1 的同步齿轮带动作等速同步反向旋转。转子与转子、转子与泵壳之间均保持一定的间隙而互不接触，其间有0.15～1.0 mm 的间隙，泵腔靠间隙密封，因而运转时的摩擦损失很小，摩擦消耗功率极低。

由于罗茨泵泵腔内无摩擦，转子转速高，一般为1500～3000 r/min，而且转子不必用油润滑，可实现无油清洁的抽气过程。泵的润滑部位仅限于轴承、齿轮、以及动密封处。泵没有往复运动，平稳、转速高、尺寸小，可获得大的抽速，故泵的抽速很高，而且结构简单、运行经济。

现阶段罗茨真空泵的主要故障原因：一是上游试验段排放的杂质随试验气流进入到泵腔及密封件内，造成泵体卡死、轴承故障等；二是机械本身的运行损耗，导致轴承、密封环等器件达到运行寿命损坏以及随着运行振动造成地脚螺栓松动、转子不对中等故障。

2 状态监测与故障诊断系统应用

2.1 系统简介

在线监测诊断系统，对设备运行状态进行实时监测和分析诊断，从而实现主动保护与预知维修的目的，达到提高设备连续运转周期和减少停机维修时间和成本的效果。

系统主要包括设备监测所需要的振动传感器、数据采集器、数据应用管理器、远程状态监测诊断系统软件，能够在线实时分析诊断设备运行时出现的机械类故障（包括轴承故障、不平衡、不对中、磨损、结构松动、结构共振等故障）、气蚀类故障，为设备安全运行及科学维修提供决策支持，帮助优化设备的运行。

系统在真空系统的罗茨真空泵两端支撑轴承垂直方向上分别安装一只振动传感器，驱动端轴向安装一只振动传感器，并接入振动数据采集器，如图1 所示。在同一个振动测点，监测系统显示两种信号，分别为加速度信号A 和速度信号V。

故障诊断专家系统主要包括故障特征自动获取模块、故障推理模块、人机交互模块、案例库模块，系统构架如图2 所示。

（1）故障特征自动获取模块以远程监测诊断系统为基础，通过数据采集系统获得机组实时与历史运行状态数据，利用信号处理与征兆获取手段提取机组故障特征。

（2）故障推理模块包含知识库（规则表、事实表、故障表）和规则推理引擎。知识库是专家系统的核心，以机组诊断经验为基础，将专家经验形象化，建立常见故障表、故障特征事实表和故障推理规则表，并结合现场不断更新的故障案例，丰富完善已有的知识库。规则推理引擎是故障诊断专家系统的关键，规则推理过程通过模式匹配完成，由已获得的故障特征匹配事实表中的相应事实属性，最终推出基于该事实的结论。

（3）人机交互模块是建立人与专家系统联系的平台，包含两方面的功能，一方面完善专家系统故障特征获取，通过人机对话获得故障特征自动获取模块无法获得的机组结构、工艺量变化等信息；另一方面，可将专家系统诊断的故障反馈给使用者，及时采取必要的检维修手段。

（4）案例库模块实现了案例学习与转化为规则的功能。现场案例的积累与学习是专家系统知识积累的重要手段，也是专家系统具备自学习功能的重要体现。

真空系统罗茨真空泵采用离心泵故障诊断方法。离心泵的主要诊断故障包括：泵轴支撑处轴承的磨损、轴承跑套、轴不对中、轴不平衡、流体激振和汽蚀等故障。

2.2 应用实例

某日真空厂房保障过程中，罗茨真空泵状态监测与故障诊断系统于10:49 发现异常并发出报警，10:52 现场运行人员紧急关机过程中发现ZJQ3750 罗茨真空泵发出异声并伴随浓烈白烟。

图1 传感器安装位置

图2 专家诊断系统构架

通过故障诊断专家系统分析速度及加速度频谱发现，泵驱动端和非驱动端速度值、加速度值在10:49 开始同时迅速升高，在10:53 停机前，速度最大值达34 mm/s，加速度最大值达到336 m/s2。振动高时，速度谱、加速度包络谱均显示为转频及其谐频，特别是速度谱中X2、X4 倍频明显，说明转子已经发生实际啮合，发生了较严重的碰磨。系统诊断罗茨泵轴承发生突发性故障，使间隙增大，并导致同步齿轮或转子发生碰磨故障，加剧了振动程度。故障诊断专家系统建议检查罗茨泵轴承状态及同步齿轮、转子磨损状态。将机组ZJQ3750 罗茨真空泵拆解后发现机泵转子已经打碎，轴承磨损严重，如图3 所示，与故障专家诊断系统结论相符。

图3 拆解的故障罗茨真空泵

3 结束语

罗茨真空泵状态监测与故障诊断系统的应用，对罗茨真空泵的维修保养工作具有重要指导意义，能够实现故障预判以及状态检测，极大地节省人力及物力成本，但目前还存在一些制约。一方面是现有的专家库及故障诊断是基于离心泵特点的整体判断，使用中需要注重收集数据和案例，建成基于罗茨真空泵本身特性的专家库诊断系统；另一方面是现有人员对设备的振动数据不敏感，对故障分析的机理不清晰，不能充分利用好罗茨真空泵状态监测与故障诊断系统，工作中要继续加强该系统的培训，增强人员的理解及使用。