基于振动分析的注水泵共振故障诊断

李文生

（长庆油田分公司第三采油厂，陕西延安 717600）

0 引言

长庆油田采用上海华阳检测仪器有限公司产品对部分污水泵、注水泵、清水泵装置进行了连续状态监测。监测过程中发现2台注水泵电机振动超标，对振动根源进行分析。

1 柱塞泵结构概况

作为油田的重要设备，往复式柱塞泵运行状态是设备管理的重点。5DSB系列柱塞泵装置主要由驱动电机、皮带轮、柱塞泵、基座组成，其中柱塞泵分为动力端与液力端2部分[3]。柱塞泵型号5DSB-41.9/20，输送介质为含油污水，介质温度≤75℃，理论排量 43.07 m3/h，进口压力（0.1～1）MPa，出口压力 20 MPa，柱塞直径75 mm，往复次数260次/min，装置驱动电机转速1480 r/min，电机功率280 kW皮带轮减速比5.7，装置总重量710 kg。振动传感器安装位置：电机驱动端轴承垂直方向2V-v；泵前轴承垂直方向3V-v；泵后轴承垂直方向：4V-v。

2 电机振动异常分析

2.1 1#注水泵振动分析

1#注水泵 3 个振动测点（2V-v，3V-v，4V-v） 的振动速度分别为 10.447 mm/s，3.4 mm/s，2.5 mm/s。泵前轴承和后轴承测点按ISO 10816-3—2009标准评定为A区，属于振动良好，可长期安全运行。电机输出端轴承座径向振动通频幅值达10.447 mm/s，按ISO 10816-3—2009标准评定为C区[5]，属于振动报警区。对比其他电机，该测点温度偏高，应尽快安排维修。

从电机驱动端异常振动的波形和频谱中，16.25 Hz峰值非常突出，该频率对应电机转速。图1为该泵振动烈度的趋势图。从2018年4月4日至2018年4月26日，振动波动很大，反复在6 mm/s以下和8 mm/s之间跳动，无明显规律。

图2为正常状态时振动信号的频谱图，与异常时频谱中只有转频不同，电机振速正常时信号主要表现为低于16.25 Hz的2个峰值频率。

图3为异常时泵前轴承的振动频谱图。其中能明显发现16.25 Hz的频率分量，但强度显著低于电机驱动端，说明该频率应该是从电机驱动端传过来的。

2.2 2#注水泵振动分析

2#注水泵的电机端振动更为剧烈，但泵前、泵后轴承振动均较低。各测点振动强度见表1。

图4为电机端振动信号的时域波形及频谱。振动速度超标原因主要在于1×转频18.75 Hz幅值过大。可以看出，信号还经过幅值调制，以中心频率18.77 Hz，边带16.27/21.27 Hz为表现形式，并且在2×频处复现[6]。

观察测点振动趋势图如图5所示。该泵电机端振动仍然是在剧烈异常振动和正常状态间反复变化。正常时其频谱中主要是3个峰值16.25 Hz，18.75 Hz，21.25 Hz，强度相似（图6）。

图7是异常时泵前轴承的振动频谱图。其中幅度最高的也是18.75 Hz的频率分量，但强度明显低于电机驱动端。

可以看出，该测点的振动信号形态和1#注水泵基本类似，但峰值振动频率从16.25 Hz上升到18.75 Hz。这可能是2个泵结构（皮带张紧力、电机软脚程度等）差异所致。故障原因和1#注水泵类似。

图1 1#注水泵电机测点振动趋势

图2 1#注水泵电机测点正常信号频谱图

图3 1#注水泵泵前轴承振动信号频谱图

图4 2#注水泵电机驱动端异常振动波形和频谱

图5 2#注水泵电机驱动端振动趋势

图6 2#注水泵电机驱动端正常振动频谱

图7 2#注水泵泵前轴承异常振动速度频谱

表1 2#注水泵各测点振动值

2.3 诊断结论

2.3.1 电机振动速度信号的3个特征。

（1）振动烈度时高时低，故障状态并非一直持续，而是反复在正常/异常之间变化，说明不是零部件的永久性损伤。

（2）正常时转频附近有间隔很小的频率峰值，而异常频谱中只有1个突出的频率峰值。即2个频率合成了1个频率，并产生了更大的振动。

（3）泵前轴承也受到该峰值频率的影响，但振动强度较弱。

2.3.2 故障诱因可能是共振所致

（1）皮带在特定转速下发生共振的主要原因是皮带张紧力与转速不匹配。皮带为弹性结构，共振频率很低，容易与某些转速发生共振，共振时皮带对2个带轮的作用力显著上升。电机端皮带轮小，同样的张力下会产生更剧烈的振动。

（2）电机共振的根源主要是其地脚连接偏软，形成弹性支撑，在特定转速下易造成共振。建议先检查地脚状况，如果问题不能解决再检查皮带、调整皮带松紧程度。

根据上述诊断，检查电机地脚连接状况，发现电机通过螺栓固定于方形钢管底座，而钢管壁薄、支撑刚度不足。在方管和基座之间楔入垫片，提高支撑刚性，2个测点的振动大幅降低（图8）。

图8 2#注水泵电机底座

3 结论

在注水泵上开展状态监测工作，发现振动异常现象。分析2台注水泵电机驱动端振动信号，诊断其为共振故障。通过提高电机支撑刚度，降低了振动，解决了问题，保证注水泵的可靠运行。这一方法故障原因分析准确，方案处置简单、有效，可及时发现设备早期故障隐患，对类似故障诊断及处理有一定参考价值。