旋转机械设备状态监测技术应用

甘 华，王超宾

长庆油田分公司超低渗透油藏第一项目部，甘肃长庆 745400

旋转机械设备状态监测技术应用

甘 华，王超宾

长庆油田分公司超低渗透油藏第一项目部，甘肃长庆 745400

工业领域中旋转机械的应用十分广泛，离心泵、发动机、电动机、汽轮机、压缩机等均属于大型旋转机械，而且在石化、冶金、核能以及煤炭、电力等行业中，旋转机械还是关键设备。随着机械工业的不断发展，机械设备越来越体现出轻型化、大型化、自动化、重载化的特点，而设备监测技术在降低机械设备故障率方面有着不容忽视的作用。本文就针对旋转机械设备的状态监测技术展开讨论。

旋转机械设备；状态监测；应用

1 机械设备状态监测技术概述

通常设备状态监测系统可以分为两部分，即硬件与软件。通常状态监测系统的软件部分包括旋转设备故障专家诊断软件、电机专家诊断软件、现场动平衡软件等，功能十分强大，可以进行状态采集与监测；而硬件部分则包括光电转速传感器、振动高频加速度传感器、主次回路电流传感器、振动通道、转速通道采集器、高性能的计算机以及专用的电缆等。所谓的设备状态监测技术，其主要内容包括三个方面，即设备的状态监测、故障的预测以及分析与诊断，具体的实施过程有四个步骤，即采集信号、处理信号、识别状态以及决策诊断。而设备的振动信号十分复杂，按照数据处理类型不同，可以分为确定性信号与非确定性信号两种，其中确定性信号直接用函数关系表述即可，通过频谱分析、理论计算确定出信号的特征频率，就可以确定出故障的位置与类型。振动分析仪的工作原理是通过电压加速传感器，把振动信号转换为电信号，处理、分析振动信号的过程就能够获取设备振动量的准确值，从而对设备的运行状态做出准确判断。

2 状态监测技术在旋转机械设备中应用

下文列出旋转机械设备常见的振动故障类型，并通过实际案例讨论状态监测技术在旋转机械设备中的应用。

2.1 转子不平衡

对于旋转机械而言，很多异常现象都是由于不平衡导致振动而引起故障，如果转子不平衡的问题得不到及时处理，会导致转子出现更大的故障，比如转子抱轴或者碰磨等。导致不平衡的原因多种多样，比如材料质地不均匀、制造或者安装过程误差值不合理、孔位置有缺陷、孔内径存在偏心或者偏磨损的问题、转子零部件脱落或者腐蚀等等。这些原因导致转子的惯性主轴与旋转轴线偏离而不平衡。在机械运行过程中，每转动一周，转子就会受到一次由于不平衡质量所产生的离心惯性力的冲击，经过长期离心惯性力的作用，转子就会出现强迫振动等异常现象，其振动频率等同于转子的旋转频率。由于转子不平衡而造成的振动其主要特征表现为：振动方向主要是径向，振动频率主要与转轴的旋转频率相同；水平方向与垂直方向的相位差几乎为90°。

实际案例：某日监测某型号重整泵，发现其机泵振动为D级，即联轴器端水平方向振动为每秒17.225mm，垂直方向振动为每秒18.839，机泵的正常运行受到严重影响。其振动呈现如下特点：首先联轴器端轴承振动频率主要为转轴频率，即1×fr和2×fr，其中幅值较大的1×f r水平方向振动幅值为每秒15.682，垂直方向振动幅值为每秒18.624；其次水平与垂直方向的相位差87°与，十分接近90°。由上述特征可以判断是转子不平衡导致的。检查了机泵叶轮的动平衡后即刻对该泵进行回装，再投入运行时状态正常，振动级别也由D级变为A级，振动明显有所降低。

2.2 流体涡流激振

有些离心泵为蜗形泵壳，蜗形外壳有一部分是卷曲的，当转子叶片通过该区域或者导叶前端附近时，水压力会有所变动，因为叶轮出口压力分布不均匀，相应的叶轮受到液体的反作用力也是不均匀的。所以叶轮与轴会由于叶轮转动时圆周处受到不均匀的作用力而产生噪音与振动。流体涡流激振的振动频率是叶轮叶片的数量与转速的乘积，或者倍速。

实际案例：某型号柴油加氢自投入使用其振动偏大的问题一直未得到彻底解决。某日对该泵进行监测，发现其机泵振动为D级，其联轴器端水平振动为每秒6.729mm，垂直方向振动值为每秒6.379mm。振动呈现如下特点：水平方向振动频率主要是轴频1×fr频、三倍频3×fr为主，其它频率的振幅变化不明显；垂直方向的振动频率主要是1×fr、三倍频3×fr，其它频率的振幅变化不明显。经过仔细检查发现该泵原有叶轮，其叶轮流道数为3，由此可见叶片过流频率即为三倍频3×fr，等于振动主频，可以判定其振动由于液流扰动引起。对该泵进行解体检查，发现机泵找正在正常范围，叶轮流道数为3；泵叶轮口环间隙为0.4mm；泵轴跳动最大值0.02mm；检测轴承状态良好，与离心泵检修标准相符。该泵实际的运行工艺参数为：水为介质，流量常温下为每小时250-300方，入口压力为0.1MPa～0.2MPa；出口压力为1.5MPa，转速为每分种2950r，功率11kW。经过现场检查确认该泵的实际运行压力、流量均超出了工艺要求的范围，存在裕量。因此在满足工艺压力要求的基础上，将叶轮外径进行切削加工，从原来的275mm减至250mm，使得叶轮外缘与蜗壳开始卷曲位置的距离增大，从而改变压力脉动，流体的固有频率就会发生改变，振动问题得到有效解决。

2.3 转子不对中

在安装旋转机械过程中，一定要保证安装位置对中，并且轴承标高要与转子轴心曲线运转要求相适应。如果旋转机械对中不良可能导致多种故障的发生，比如动、静部件会因摩擦造成转轴热弯曲；轴系临界转速发生改变，轴系振型发生变化或者引起共振；轴承载荷分布不均造成轴承工作状态恶化，最终导致半速涡动或者油膜振荡，严重的会使轴瓦温度升高而烧毁。转子不对中所产生的振动，其特点表现如下：振动最大的位置为紧靠联轴节两端的轴承；联轴节两端转子振动相位差接近180°；振动频率主要是转轴的旋转频率fr、二倍频2×fr以及三倍频3×fr；且随着负荷增大振动幅度会相应的增大。

实际案例：某日检测某型号汽油加氢泵，发现该泵振动偏大，联轴器端水平方向振幅值为每秒6.173mm，垂直方向振幅值为每秒2.086mm，呈现如下振动特点：水平方向的主要振动频率为2×fr；垂直方向主要振动频率为1×fr和2×f r；电机转子和泵轴水平方向的相位差接近180°，为167°。由此可以判断引起振动的原因为转子对中不良。对该泵进行检查发现转子对中水平偏差为0.78mm，垂直偏差则为0.55mm，与标准要求严重不符。处理该问题时根据该机泵的检修标准进行复查找正，水平方向为0.06mm，垂直方向为0.09mm。找正后该泵运行即恢复正常，振动级别也从D级降至A级。

3 结论

机械设备从设计、制造到最终的安装、运行以及日常维护与检修过程中，任意一个环节的偏差都有导致设备性能劣化出现故障的可能，而且设备的工作环境也各不相同，其内部会受到多种物理作用与化学作用，使其性能出现变化而出现故障。设备状态监测技术可以及时、全面的了解设备在运行过程中的状态，对其整体或局部的异常现象进行确定，发现隐患，查找原因，排除异常，并可以实现对故障发展趋势的预测。因此采用状态监测系统对其状态进行监测，不仅可以提高设备的维护水平，而且节约了维护成本。

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1674-6708（2012）59-0117-02