螺杆泵装置振动分析与故障诊断

1、文章编号:10050329(200212002704螺杆泵装置振动分析与故障诊断周邵萍苏永升林匡行经树栋(华东理工大学,上海200237摘要:介绍了螺杆泵装置异常振动的故障特征,并应用振动诊断技术、有限元分析法找出了异常振动的原因,提出了改造措施。关键词:螺杆泵;齿轮箱;振动;诊断 中图分类号:TH327文献标识码:BVibration Analysis and F ault Diagnosis for Scre w Pump I nstallationZhou Shaoping Su Y ongsheng Abstract :Vibration analysis and fault diag

2、nosis of a screw pump installation were introduced.Through vibration diagnosis and finite element analysis ,causes of vibration fault were found and reform measures were put forwarded.K eyw ords :screw pump ;gear box ;vibration ;diagnosis1前言某石化公司的一台螺杆泵装置,由电机、行星齿轮减速箱和螺杆泵组成,装置输送介质为水。该装置的基础为一个钢结构,基础位于一

3、水泥平台上。电机功率为110kW 。转速为987r/min ;螺杆泵转速350r/min ,流量为150m 3/h ,压力为114MPa ;减速箱传动比为218。装置自运行以来,一直出现较大的振动,已多次将紧固螺栓振断,严重影响生产。多次检修泵和齿轮箱,收效甚微,应厂方的要求,我们对该装置进行了振动测试和故障诊断,找出了原因,并提出了改造措施。2振动测试211测点布置根据G B11347-89大型旋转机械振动烈度现场测量与评定中规定,将装置中的电机、减速箱、泵等作为主要监测点,如图1所示布置测点。测试方向为3个,即X 向(轴向,Y 向(水平径向;Z 向(垂直径向。 图1螺杆泵装置测点布置212

4、测试、分析设备的选用选用美国Entek 振动分析仪,它能实时监测机器的运转状态、振动烈度,并给出相应频谱图。传感器选用压电式加速度传感器。213测试数据测试数据如表1所示。从数据中可以看出:(1根据G B11347-89大型旋转机械振动烈度现场测量与评定标准,电机周围所有测点各方收稿日期:20020725向上的振动均符合标准,处于良好的运行状态;(2根据标准,减速箱的振动速度过大,明显超标,最大V25x=54106mm/s;(3泵的振动相对减速箱来说较小,但也仍明显超标,且多数点的轴向振动较大。表1螺杆泵振动测试数据mm/s 名称测点X Y Z电机12910116325811600842111

5、020117865511808141180471210470221081362180022511091751854976163090减速箱341112451205545179685318499541059725151803018862291258033127892013709291520519166002919462泵56 78131415161519764151691010 17676191307517188841910542131853821157041413467911021431895683158119161804211103091914528911479213140291213165

6、9149964141271914164671510158121297427106073故障诊断311数据与频谱图的分析从以上的数据可以看出,最大振动集中在齿轮箱附近,由于电机重量大、支撑较牢固,受影响较小;而泵体很长,达3米多,支架不牢固,又与减速箱、电机共用一个基础,因此受影响较大。同时,泵的测点频谱图中并没有出现很明显的故障特征。所以从齿轮箱、装置的基础等方面进行分析,找出振动原因。齿轮箱附近4个测点的频谱图相似,分析4号测点的频谱图(图2。图中坐标的右边用长条矩形中阴影表示振动能量,图2出现频率为370H z的振动,且该频率的振动能量很大,瞬时振动值为4216496mm/s,振动能量数值

7、达441899,图中还出现频率为740100H z和1110H z的振动,但它们的能量非常小。其它频率几乎没出现。振动总能量为各频率成分振动能量之总和。所以该频谱图的特征是出现了频率为370H z的振动,且振动能量占总能量的80%左右;虽出现频率为740H z(370H z的倍频和1110H z(370H z的三倍频的振动,但振动能量仅占总能量的5%10%;其它频率成分的振动能量很小,或根本没出现。312齿轮箱振动分析齿轮箱是机械设备中最常见的传动部件,其运行状态的好坏将直接影响整台设备或整套机械系统可靠的运行。齿轮箱中轴、齿轮、轴承在工作时会产生振动,若发生故障,其振动信号的能量分图2齿轮箱

8、4号测点的频谱图布就会发生变化,振动信号是齿轮箱故障特征的载体。图3齿轮副力学模型齿轮具有一定的质量,轮齿可看作是弹簧,所以若以一对齿轮作为研究对象,则该齿轮副可以看作一个振动系统,如图3所示。其振动方程为:M r y11+C y1+K(ty-E(t=T2-iT1r2(1式中y沿作用线上齿轮的相对位移C齿轮啮合阻尼K(t齿轮啮合刚度T1、T2作用于齿轮上的扭矩r2齿轮的节圆半径i齿轮副的传动比E(t由于轮齿变形和误差及故障而造成的两个齿轮在作用线方向上的相对位移M r换算质量M r=m1m2/(m1+m2(2若忽略齿面上摩擦,则(T1-iT2/r2=0,将E(t分解为两部分:E(t=E1+E2

9、(t(3式中E 1齿轮受载后的平均静弹性变形E 2齿轮误差和故障造成两个齿轮间的相对位移,也称为故障函数式(1可简化成:M r y 11+C y 1+K (t (y =K (t E 1+K (t E 2(t (4由式(4可知,齿轮的振动为自激振动。该公式的左端代表齿轮副本身的振动特征,右端为激振函数。由激振函数可以看出,齿轮的振动来源于两部分:一部分为K (t E 1,它与齿轮的误差和故障无关,所以称为常规振动;另一部分为K (t E 2(t ,它取决于齿轮的综合刚度与故障函数,由此可以较好地理解齿轮信号中边频的存在以及和故障的关系。值得注意的是式(4中的齿轮啮合刚度K (t 为周期性变量,可

10、以说齿轮的振动主要是由K (t 的这种周期变化引起的。每当一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合,齿轮的啮合刚度就变化一次。由此可计算出齿轮的啮合周期和啮合频率。若齿轮副主动轮转速为N 1,齿数为Z 1,从动轮转速为N 2,齿数为Z 2,则齿轮啮合刚度的变化频率(即啮合频率为:f z =Z 1N 160=Z 2N 260(5对于有固定齿圈的行星轮,其啮合频率为:f z =Z r (N r ±N c /60(6式中Z r 任一参考齿轮的齿数N r 参考齿轮的转速,r/min N c 转臂的回转速度,r/min ,方向相反时N c 取正号齿轮处于正常或异常状态下,这一振动成分总是存在的

11、。但这两种状态下振动水平是有差异的,从此意义上讲,根据齿轮振动信号啮合频率分量进行诊断是可行的。由上分析可知,若齿轮表面出现磨损、擦伤及断齿等故障时,在式(4中必然会出现故障函数E 2(t ,有了故障函数则信号中会出现高阶啮合频率的振动能量变大及边频现象。而从本装置的齿轮箱频谱图中可以看出,所有频谱图都出现频率为370H z 的振动,该频率的振动能量很大,没有出现其它振动能量较大的频率及边频现象。再根据式(6可计算出齿轮的啮合频率在370H z 附近。所以本装置齿轮箱的振动特征是啮合频率处振动能量特别大,其它频率成分很小或根本没出现。这种情况与“箱体共振”特征吻合。箱体共振的特征是在频谱图上出

12、现箱体的固有频率(固有频率与啮合频率相等或接近成分,一般情况共振能量很大,其它频率成分很小或没有出现。313泵振动分析由于泵的频谱图没有出现明显的机械故障特征,我们认为泵自身不存在机械故障。但泵体长、支架不牢固、与齿轮箱体共用一个基础,使得齿轮箱的异常振动很容易通过基础传递过来。通过力学建模和有限元分析计算,整个基础框架的固有频率为330H z 左右,螺杆泵支架轴向受力比较大,强度弱,易产生振动,与振动实测相符。基础的固有频率与啮合频率较接近,导致基础易产生共振。从以上的分析中可以的得出,泵装置振动的主要原因是齿轮箱发生箱体共振、泵和齿轮箱体及电机共用一个基础、基础的固有频率与啮合频率较接近、

13、泵支架不牢固、泵轴向长等。4改造措施根据以上的分析,装置异常振动的原因是齿轮箱的箱体共振与基础的不合理。建议对原有基础进行改造,并更换齿轮箱。(1将原基础分为两段,电机和减速器共用一个基础,泵一个基础,减小齿轮箱振动的传递,基础分开后增加了基础的刚性。按改造后基础建模计算,其固有频率为480H z ,远离齿轮的啮合频率;(2改造泵的支架,轴向增加筋板,支架与基础的固定采用对称结构,增加了支架的刚度和稳定性;(3换上其它型号的齿轮箱,避免发生齿轮箱箱体共振。5改造效果厂方按要求对原基础和泵的支撑进行了改造,由于某些原因没更换齿轮箱。在基础改造好的情况下,对装置进行了测试,结果如表2所示。从表中可

14、以看出:将泵的基础和齿轮箱的基础分开,并对泵支撑加固,泵基础的振动明显减小(如表2,最大降幅为7017%,最小降幅为816%。加固了齿轮箱的基础,齿轮箱基础的振动也有所减小,最大降幅为4319%,最小降幅为1612%,但由于没更换齿轮箱,振动仍较大。表2改造前后振动测试数据对照表(mm/s名称测点X Y Z改造前改造后减小(%改造前改造后减小(%改造前改造后减小(%电机129101163258116008421110201178655116261211549951189132116523401431210137151180814118047121047022108136117723011802

15、312101356210356821001111621221800225110917518549761630902165128411256741843265126894513191217132015齿轮箱341112451205545179685318499541059729126482819847311231230132563513361742104319251518030188622912580331278916165491811931191230821165473417411134133419201370929152051916600291946217106411816145111235

16、617175141612361942194017泵体5678131415161519764151691010176761913075171888419105421318538211570461265435135564415637971694825123984615115341564377156412601865185716601170176515671064191413467911021431895683158119161804211103091914528911479251499284137865315624721658945199461416288361599734146137611751

17、19816251764135810661151121314029121316591499641412719141646715101581212974271060771264877113496317846151756226123349514687141996678156494451842116011591757146316591668136结论测试结果验证了齿轮箱是装置振动的振源,泵振动是基础结构不合理。要从根本上改善运行状况,厂方必须更换齿轮箱。实践证明利用诊断技术,可以在不停机的情况下诊断出出现故障的部位及原因,从而避免了检修的盲目性。参考文献1丁玉兰,石来德1机械设备故障诊断技术M1上海科

18、学技术文献出版社,199512屈梁生等1机械故障诊断学M1上海科技出版社,198713丁康等1传动箱齿轮和轴承故障的振动诊断方法的研究J1振动与冲击,1994,13(2:263214鲍明,赵淳生1齿轮故障诊断技术的研究J1南京航空学院学报,1992,5:565715丁康等1齿轮箱典型故障振动特征与诊断策略J1振动与冲击,2001,20(3:7121作者简介:周邵萍,通讯地址:200237上海华东理工大学机械工程学院。(上接第60页节材和环境保护诸方面产生重大的经济与社会效益。参考文献1戴永庆,耿惠彬1三效溴化锂吸收式制冷机概述J1制冷技术,1996,(3:3912申江,杨国斌1三效溴化锂吸收式制冷循环方式J1流体机械,2000,28(12: