长距离有压输水系统中水泵故障诊断研究综述

李柏庆

（华北水利水电大学电力学院，河南 郑州450045；浙江水力水电学院水力与海洋工程研究所，浙江 杭州310018）

水泵作为长距离调水中的主要设备，水泵性能的好坏很大程度上影响了整套调水系统的效率。水泵为一种典型的旋转机械，杨志尹等[1]总结了旋转机械常见的故障，包括转子不平衡，转子不对中、转轴裂纹、碰磨、流体的涡流激振等。额田启三[2]列举了发生故障的三个要素，分别是载荷、故障机制和故障模式，其中载荷指使设备发生故障的外部因素；故障机制指当载荷对设备产生影响后，使设备发生故障的过程；故障模式指受故障机制影响后，设备所表现出来的故障现象。

设备生产企业都十分重视机械故障诊断，对旋转机械故障的诊断更为重要，因为旋转机械使用广泛且位于设备工作部位，其性能的好坏对设备的影响更加明显，张宏乐[3]简易诊断旋转机械时，分别从检测信号的测定和简易诊断方法原理这两个角度进行分析，并在某一大型合成气压缩机的故障实例中实践此方法，取得较好的诊断效果。为了尽可能减少故障所带来的损失，需及时诊断故障类型和位置。徐驰[4]对于状态监测技术的发展现状和在水电机组、泵站机组等方面的应用现状进行了分析。

1 旋转机械故障诊断的现状

为快速实时诊断水电机组轴系运行中的常见故障，周叶等[5]提出了一种基于支持向量机的故障诊断及预测方法。提取机组振动信号的频谱能量作为学习样本，通过训练建立基于水电机组轴系运行常见故障的分类模型，并进行故障类型识别。柳炀[6]在不同的诊断方法和模型算法的基础上，新颖地提出了水泵水轮机故障诊断模型，将概率神经网络模型和故障树最小割集划分结合使用，全面地对水泵水轮机的实时状态进行故障诊断，并计算该故障的发生概率。使用传统方法精确检测水轮发电机组的非平稳振动信号较为困难，并且精度也不高，党建等[7]利用排列熵算法对其进行检测与分析，引入多维度排列熵算法提取出非平稳振动信号的特征，从而构造故障样本的数据。

2 水泵故障诊断的现状

离心式水泵在工业生产中被大量使用，因此保证离心泵安全稳定地运行尤为重要，某电厂高压多级离心泵在首次启动运转时，李文伟等[8]实时监测泵进出口压力、轴承温度、振动信号等工艺量参数，并使用频谱分析技术对其振动信号进行时、频域分析，诊断出给出水泵转子与轴承系统可能存在局部碰摩现象。对于离心泵，赵鹏[9]重点采用隐Markov模型的故障诊断方法，对离心泵这种短时平稳的非平稳信号进行了更加直观的描述。张立强等[10]通过试验发现，在变工况的试验条件下把振动时域、频域分析相结合是找出高速泵振动超标的有效途径，可为寻找工程现场中的振动源头提供科学依据。张胜国等[11]对一个工作时振动值长期偏高的离心泵进行了诊断，分别测量了该故障泵的驱动端和流体端垂直及水平方向的振动数值，初步断定是联轴器平行偏角严重不对中而导致，更换双膜片联轴器使该泵的振动幅值回归正常。潘国庆等[12]从研究振动信号出发，主要针对注水泵站的故障诊断系统，根据其特点建立了相应的知识库，为提高诊断故障的准确率选用了正反向混合推理机制。佟延文[13]利用水泵振动试验台，对于离心泵的一些典型故障进行模拟，如转子不对中、不平衡等，并根据收集到的振动信号进行频谱分析，提取出表征离心泵故障的特征信息并对此进行分析诊断，可以查找出故障原因。

在生产中小水泵被频繁使用，在运行过程中不可避免地会发生一些故障，而故障会影响小水泵的运行效果和运行安全性，需要采取科学的方法解决这些故障。因此，翟险峰[14]总结分析了小水泵运行过程中常见的故障，并对其进行诊断，而后通过合理的方法进行维修，确保小水泵能够正常运行，保证运行的安全性。

某船海水泵在运行过程中振动较大，声响异常，存在明显的故障征兆，杨振等[15]为查明异常状态原因，采用Vibexpert振动数据采集器采集了该泵电机和泵体轴承座不同方向上的振动信号，并对其进行时频域分析，得出水泵发生故障的原因。李春琦[16]介绍了工业生产实践中旋转机构常见的故障现象，重点分析了齿轮故障出现的主要形式及其产生机理，由于故障声信号常混杂其他声信号，会对获取目标信号造成干扰，因此首先利用多层非负矩阵分解方法分离出故障声信号，对故障声信号进行预加重、加窗、分帧等预处理，提取故障声信号的梅尔频率倒谱系数。邢丹君[17]结合实际工程中的泵站机组，研究其运行状态，使用层次分析法和熵权法计算电机中定子、主轴、上下及架等结构的权重，运用Matlab仿真验证了水泵机组的可拓综合评价方法。王芳[18]以景电工程为研究对象，发现水泵出现了各种病害，由于水泵在水力提灌工程中发挥着至关重要的作用，任何危害都可能对整个工程造成极大的损失，他们分析了水泵在运行过程中产生振动的主要原因，并提出了避免和减轻水泵振动的处理措施，以期促进水泵安全、稳定运行。牟辉军[19]讨论了旋转设备在长期运行中很容易发生故障及产生各种问题而影响设备运行，为了减少设备故障率，使设备可以较长时间运行，故障发生初期必须及时诊断和处理设备，保证机电设备以及整个泵站安全运行。顾卿[20]建立了关于机泵健康诊断与评估的系统，是一个采用状态监测与故障诊断技术对机泵状态进行监测评估的系统，可提供预警、报警和故障分级评价等有效信息，能确定设备早期出现的故障现象。根据系统给出的综合评价，合理安排机泵的维修及部件更换，最大限度地减少设备维护成本，确保设备安全可靠运行。

3 结语

作为长距离有压输水中决定系统整体效率的设备，水泵是否能安全高效工作十分重要，因此需及时确定并找到水泵机组的故障与发生原因。诊断水泵等旋转机械的故障方法主要为：处理振动信号及频谱分析，再对其进行特征提取，找寻特征信号中异常的部分，确定故障类型。