真空泵状态监测方法及监测系统研究

2010-08-24王宣宇

制造业自动化 2010年15期

王宣宇

WANG Xuan-yu

（河南洛阳栾川钼业集团股份有限公司，洛阳 471542）

0 引言

设备在线监测与故障诊断系统以现代科学中的系统论、控制论、可靠性理论、失效性理论为基础，以传感器、计算机等为技术手段结合监测对象的特殊性，有针对地对各运行参数进行连续监测，对设备状态做出实时评价，对故障提前预报并做出诊断，减少停机或避免事故扩大化，使企业对设备的维修管理从计划性维修、事故性维修过渡到以状态监测为基础的预防性维修，提高企业设备管理现代化水平，创造巨大经济效益[1,2]。水环真空泵为选矿厂过药车间的关键设备，真空泵由泵体、叶轮、轴、侧盖、分配器等零件构成。为了及时进行故障预报、及早做出诊断，因此把自动在线监测方式的设备监测方式应用到水环式真空泵运行状态的监测中是十分必要和可行的。

1 振动诊断技术概述

振动诊断在设备中，或基本上不拆迁中的所有设备，测试设备，振动信号，运行和控制设备的情况下应用十分广泛，该技术是目前运行的状态，都未能确定位置，原因及预测未来技术的预测。它具有以下特点：1）设备的操作同步振动信号，故障信息可以在振动信号中。2）容易实现在线监测和诊断。3）作为高故障率增加振动的迹象，失败常见的症状有明显的振动特性，易于识别。4）检测手段，方法，理论已经比较成熟。5）该方法简单，操作方便，投资少。

监测点的选择应以科学的那些最能够运行的测量点设备状态的设备作出全面介绍振动的真实反映。一般应在环绕及其外部，以及互相垂直在三个方向上，选择一个测试点，在机器振动敏感点进行选择。该测量点的数量可以反映机器的主要上线运行。测量下列一般原则为基础点的选择[3]：1）机械振动敏感点，机器距离最近的临界点的核心部件，容易出现退化的薄弱环节。2）机器的支点刚度等为基础，轴承等。3）大型设备的测试点选择的设备应能反映所有状况，在设备的前，后，上，下，左，右，中间应该有一个测点。4）选定测试点应注意的环境。如果振动，高温，高压点，出风口源等。

2 真空泵在线监测系统结构

轴承振动对轴承的损伤很敏感，例如剥落、压痕、锈蚀、裂纹、磨损等都会在轴承振动测量中反映出来，所以，通过采用特殊的轴承振动测量器（频率分析器等）可测量出振动的大小，测得的数值因轴承的使用条件或传感器安装位置等而不同。通常，轴承的温度随着轴承运转开始慢慢上升，1.2小时后达到稳定状态。轴承的正常温度因机器的热容量，散热量，转速及负载而不同。如果润滑、安装不合适，则轴承温度会急骤上升，会出现异常高温，这时必须停止运转，采取必要的防范措施[4]。

2.1 监测测点选择

至于皮带驱动方式，振动测试主要是在侧面和轴承振动，具体的测量点选择：驱动侧的圆柱滚子轴承水平振动和垂直振动，非驱动侧的振动水平圆柱滚子轴承，垂直振动；驱动侧的圆柱滚子轴承温度；非驱动端圆柱滚子轴承温度；轴的轴向位移。

真空泵从长期运行过程中来看，由于叶轮积灰，轴承失效和真空泵振动较大，严重威胁安全生产。因此，振动测量在振动敏感地点进行选择。真空泵传动侧、非传动侧滚动轴承的水平振动、垂直振动信号，选用磁电式振动速度传感器拾取，轴位移由电涡流传感器测量。

2.2 系统的总体结构

基于上述分析，为了使得整个系统得到可靠、稳定以及具有可扩展性的要求，提出系统的整体设计方案如图1所示。其中主要包括两个模块。模块一主要包括：利用EN3 800内集成的现场信号进行预处理、A/D转换功能，同时把从传感器拾取的振动信号，通过接到EN3 800后背板上的接线端子上进行处理，这样不仅仅简化系统体积，同时也使得整个系统测量过程显得比较灵活简单，界面比较友好。通过实时监测得到的各种振动信号，可以更具需要灵活处理，同时进行一系列的势分析、资料列表、事件统计列表、报警事件列表、累计列表；显示方式多样。模块二主要利用EN3800振动监测分析系统。开放相应的上位机软件，进行分析和诊断的过程，即为详细分析诊断EN3800采集到的结果。

图1 监测系统结构图

此外，本系统硬件和软件功能扩展性极强，能够根据用户需要适当调整，为用户提供全面及时周到的服务。采用当代最先进的微电子技术，集成化程度高，体积小，抗干扰能力强，可靠性高，安装方便。提供数据分析功能，计算任一通道的最大值、最小值、平均值和报警次数等，为了解机组状态的变化提供了有利手段。带有RS-232及RS-485通讯接口，能够直接与计算机和DCS系统通讯，可以满足联网的需要。

3 真空泵典型振动信号分析

3.1 实测典型振动信号分析

通过上述分析，我们对于新购置的一套真空泵的实测振动信号进行分析，由于是新泵，其叶轮、泵体、主轴为不锈钢材料，使用优质轴承，润滑良好，所以在运行过程中比较正常、平稳。但是在在起车和停车过程中某一转速下振动值超过振动标准，出现较大的振动，分析可能原因为转子经过临界转速时产生较大的共振。通过上述方法，捕捉到的异常振动波形，是正常运行时出现的振动，时间2009年2月25日16：45开始，经过波形分析，首先轴向位置发生了明显变化，由0.05mm变化到0.09mm，约8分钟后传动端和非传动端轴承的垂直振动、水平振动同时开始增加，与ISO 10816-3旋转机器振动烈度标准相比，实际振动值超过正常值十几倍左右，轴位移从0.09mm变化到0.14mm，该状态持续时间4分20秒。在此过程中轴承振动有起伏，两侧轴承振动幅度下降到一定程度，而各个测量点振动幅度基本上不超标，轴位置一直保持在0.12mm，之后两侧轴承振动幅值下降到一定水平（期间轴承振动有起伏），各测点的振动幅值基本上不超标准或超标幅度较小，但轴位置始终保持在0.13mm，该过程的时间长度为3分钟50秒，然后真空泵又出现较大振动，振动值是旋转机器振动烈度标准 4到8倍，此时轴位置基本维持在0.14mm，持续时间2分钟20秒。然后振动幅值开始显著下降，但此时依然超过振动标准，轴位置保持0.14或0.15mm，约4分钟后才开始进入停车阶段。

从上述振动分析结果来看，真空泵传动侧轴承的垂直与水平振动，远远高于非传动侧的振动；约为3～4倍左右，同时真空泵主轴方向出现0.2mm左右的轴向向窜动。两次振动阶段的累积时间接近7分钟，这对于真空泵的正常运行显得十分有害的。通过现场紧急停车仔细检查真空泵发现，使电机输出轴与真空泵主轴不平行，带传动不平稳，真空泵产生较大振动的原因主要是电动机地脚螺丝松动。

在振动监测中，困所监测的真空泵是新安装的，泵体材质为不锈钢，在几个月的时间里不会形成叶片结垢、腐蚀等问题，转子系统出厂时经过严格的动平衡，正常运行中振动值较小，在安全范围中，表明真空泵转子系统没有质量偏心、质量缺损、轴弯曲等机械故障。并且轴承也工作正常，旋转机械的升降速过程或降速过程是一种非平稳过程，对其测试信号进行分析需要用时频分析方法。小波变换就是时频分析方法的一种。

3.2 小波变换理论及其仿真

现在，小波分析已经在科技信息产业领域取得了令人瞩目的成就。电子信息技术是六大高新技术中重要的一个领域，它的重要方面是图象和信号处理。现今，信号处理已经成为当代科学技术工作的重要部分，信号处理的目的就是：准确的分析、诊断、编码压缩和量化、快速传递或存储、精确地重构（或恢复）。从数学地角度来看，信号与图象处理可以统一看作是信号处理（图象可以看作是二维信号），在小波分析地许多分析的许多应用中，都可以归结为信号处理问题。现在，对于其性质随实践是稳定不变的信号，处理的理想工具仍然是傅立叶分析。但是在实际应用中的绝大多数信号是非稳定的，而特别适用于非稳定信号的工具就是小波分析。

现有一分段信号

其产生的时域波形图如图2所示，利用db2小波对其进行5层分解的得到各层逼近信号如图2所示，5层分解得到的细节信号如图3所示。

可以看到，原函数在t=1500处是连续且光滑的，其一阶导数在此处连续，但二阶导数不连续，这导致小波在t=1500处发生剧烈的变化。由此可用小波找出二阶导数不连续点的位置，说明小波具有检测到隐含在函数导数中的突变信息。

图2 分段号时域波形

图3 经db2小波5层分解后各层逼近信号

综上所述，在图3中，近似信号a1～a5逐渐的将两个正弦波分离出来，因此小波分解的逼近信号反映了所分解信号的大致轮廓概貌和发展趋势。经db2小波分解后的细节信号清晰的显示出了该信号的频率间断，因此我们从这些信号上就能够较好的判断其信号突变点的出现时间和大概位置。这在我们对存在故障的复杂机械设备进行瞬时冲击信号检测时提供了较为有力的帮助。而从对分段信号所作的频域图可以看出，我们只能仅仅知道该信号所含的大概频率，而这只是平稳信号所具有的频率，我们不能够从图上得知整个信号变化的规律，同时也不知道信号发生突变的时间及位置。FFT不能同时显示时间和频率的谱图，这就给具体的诊断过程带来了不便。

由上可知，小波分析能更好的表示信号的全貌和发展趋势，同时其在突变点监测上的优势使其越来越多的应用在了非平稳冲击信号的故障监测当中。而用FFT由于其在非平稳冲击信号分析中的不足，使得其应用受到较大的局限，这就使得以小波分析为主要分析手段的时频分析得到了普及。