1、文章編號:10050329(200212002704螺桿泵裝置振動分析與故障診斷周邵萍蘇永升林匡行經(jīng)樹棟(華東理工大學,上海200237摘要:介紹了螺桿泵裝置異常振動的故障特征,并應用振動診斷技術、有限元分析法找出了異常振動的原因,提出了改造措施。關鍵詞:螺桿泵;齒輪箱;振動;診斷 中圖分類號:TH327文獻標識碼: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臺螺桿泵裝置,由電機、行星齒輪減速箱和螺桿泵組成,裝置輸送介質為水。該裝置的基礎為一個鋼結構,基礎位于一

3、水泥平臺上。電機功率為110kW 。轉速為987r/min ;螺桿泵轉速350r/min ,流量為150m 3/h ,壓力為114MPa ;減速箱傳動比為218。裝置自運行以來,一直出現(xiàn)較大的振動,已多次將緊固螺栓振斷,嚴重影響生產(chǎn)。多次檢修泵和齒輪箱,收效甚微,應廠方的要求,我們對該裝置進行了振動測試和故障診斷,找出了原因,并提出了改造措施。2振動測試211測點布置根據(jù)G B11347-89大型旋轉機械振動烈度現(xiàn)場測量與評定中規(guī)定,將裝置中的電機、減速箱、泵等作為主要監(jiān)測點,如圖1所示布置測點。測試方向為3個,即X 向(軸向,Y 向(水平徑向;Z 向(垂直徑向。 圖1螺桿泵裝置測點布置212

4、測試、分析設備的選用選用美國Entek 振動分析儀,它能實時監(jiān)測機器的運轉狀態(tài)、振動烈度,并給出相應頻譜圖。傳感器選用壓電式加速度傳感器。213測試數(shù)據(jù)測試數(shù)據(jù)如表1所示。從數(shù)據(jù)中可以看出:(1根據(jù)G B11347-89大型旋轉機械振動烈度現(xiàn)場測量與評定標準,電機周圍所有測點各方收稿日期:20020725向上的振動均符合標準,處于良好的運行狀態(tài);(2根據(jù)標準,減速箱的振動速度過大,明顯超標,最大V25x=54106mm/s;(3泵的振動相對減速箱來說較小,但也仍明顯超標,且多數(shù)點的軸向振動較大。表1螺桿泵振動測試數(shù)據(jù)mm/s 名稱測點X Y Z電機12910116325811600842111

5、020117865511808141180471210470221081362180022511091751854976163090減速箱341112451205545179685318499541059725151803018862291258033127892013709291520519166002919462泵56 78131415161519764151691010 17676191307517188841910542131853821157041413467911021431895683158119161804211103091914528911479213140291213165

6、9149964141271914164671510158121297427106073故障診斷311數(shù)據(jù)與頻譜圖的分析從以上的數(shù)據(jù)可以看出,最大振動集中在齒輪箱附近,由于電機重量大、支撐較牢固,受影響較小;而泵體很長,達3米多,支架不牢固,又與減速箱、電機共用一個基礎,因此受影響較大。同時,泵的測點頻譜圖中并沒有出現(xiàn)很明顯的故障特征。所以從齒輪箱、裝置的基礎等方面進行分析,找出振動原因。齒輪箱附近4個測點的頻譜圖相似,分析4號測點的頻譜圖(圖2。圖中坐標的右邊用長條矩形中陰影表示振動能量,圖2出現(xiàn)頻率為370H z的振動,且該頻率的振動能量很大,瞬時振動值為4216496mm/s,振動能量數(shù)值

7、達441899,圖中還出現(xiàn)頻率為740100H z和1110H z的振動,但它們的能量非常小。其它頻率幾乎沒出現(xiàn)。振動總能量為各頻率成分振動能量之總和。所以該頻譜圖的特征是出現(xiàn)了頻率為370H z的振動,且振動能量占總能量的80%左右;雖出現(xiàn)頻率為740H z(370H z的倍頻和1110H z(370H z的三倍頻的振動,但振動能量僅占總能量的5%10%;其它頻率成分的振動能量很小,或根本沒出現(xiàn)。312齒輪箱振動分析齒輪箱是機械設備中最常見的傳動部件,其運行狀態(tài)的好壞將直接影響整臺設備或整套機械系統(tǒng)可靠的運行。齒輪箱中軸、齒輪、軸承在工作時會產(chǎn)生振動,若發(fā)生故障,其振動信號的能量分圖2齒輪箱

8、4號測點的頻譜圖布就會發(fā)生變化,振動信號是齒輪箱故障特征的載體。圖3齒輪副力學模型齒輪具有一定的質量,輪齒可看作是彈簧,所以若以一對齒輪作為研究對象,則該齒輪副可以看作一個振動系統(tǒng),如圖3所示。其振動方程為:M r y11+C y1+K(ty-E(t=T2-iT1r2(1式中y沿作用線上齒輪的相對位移C齒輪嚙合阻尼K(t齒輪嚙合剛度T1、T2作用于齒輪上的扭矩r2齒輪的節(jié)圓半徑i齒輪副的傳動比E(t由于輪齒變形和誤差及故障而造成的兩個齒輪在作用線方向上的相對位移M r換算質量M r=m1m2/(m1+m2(2若忽略齒面上摩擦,則(T1-iT2/r2=0,將E(t分解為兩部分:E(t=E1+E2

9、(t(3式中E 1齒輪受載后的平均靜彈性變形E 2齒輪誤差和故障造成兩個齒輪間的相對位移,也稱為故障函數(shù)式(1可簡化成: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,齒輪的振動為自激振動。該公式的左端代表齒輪副本身的振動特征,右端為激振函數(shù)。由激振函數(shù)可以看出,齒輪的振動來源于兩部分:一部分為K (t E 1,它與齒輪的誤差和故障無關,所以稱為常規(guī)振動;另一部分為K (t E 2(t ,它取決于齒輪的綜合剛度與故障函數(shù),由此可以較好地理解齒輪信號中邊頻的存在以及和故障的關系。值得注意的是式(4中的齒輪嚙合剛度K (t 為周期性變量,可

10、以說齒輪的振動主要是由K (t 的這種周期變化引起的。每當一個輪齒開始進入嚙合到下一個輪齒進入嚙合,齒輪的嚙合剛度就變化一次。由此可計算出齒輪的嚙合周期和嚙合頻率。若齒輪副主動輪轉速為N 1,齒數(shù)為Z 1,從動輪轉速為N 2,齒數(shù)為Z 2,則齒輪嚙合剛度的變化頻率(即嚙合頻率為:f z =Z 1N 160=Z 2N 260(5對于有固定齒圈的行星輪,其嚙合頻率為:f z =Z r (N r ±N c /60(6式中Z r 任一參考齒輪的齒數(shù)N r 參考齒輪的轉速,r/min N c 轉臂的回轉速度,r/min ,方向相反時N c 取正號齒輪處于正?；虍惓顟B(tài)下,這一振動成分總是存在的

11、。但這兩種狀態(tài)下振動水平是有差異的,從此意義上講,根據(jù)齒輪振動信號嚙合頻率分量進行診斷是可行的。由上分析可知,若齒輪表面出現(xiàn)磨損、擦傷及斷齒等故障時,在式(4中必然會出現(xiàn)故障函數(shù)E 2(t ,有了故障函數(shù)則信號中會出現(xiàn)高階嚙合頻率的振動能量變大及邊頻現(xiàn)象。而從本裝置的齒輪箱頻譜圖中可以看出,所有頻譜圖都出現(xiàn)頻率為370H z 的振動,該頻率的振動能量很大,沒有出現(xiàn)其它振動能量較大的頻率及邊頻現(xiàn)象。再根據(jù)式(6可計算出齒輪的嚙合頻率在370H z 附近。所以本裝置齒輪箱的振動特征是嚙合頻率處振動能量特別大,其它頻率成分很小或根本沒出現(xiàn)。這種情況與“箱體共振”特征吻合。箱體共振的特征是在頻譜圖上出

12、現(xiàn)箱體的固有頻率(固有頻率與嚙合頻率相等或接近成分,一般情況共振能量很大,其它頻率成分很小或沒有出現(xiàn)。313泵振動分析由于泵的頻譜圖沒有出現(xiàn)明顯的機械故障特征,我們認為泵自身不存在機械故障。但泵體長、支架不牢固、與齒輪箱體共用一個基礎,使得齒輪箱的異常振動很容易通過基礎傳遞過來。通過力學建模和有限元分析計算,整個基礎框架的固有頻率為330H z 左右,螺桿泵支架軸向受力比較大,強度弱,易產(chǎn)生振動,與振動實測相符。基礎的固有頻率與嚙合頻率較接近,導致基礎易產(chǎn)生共振。從以上的分析中可以的得出,泵裝置振動的主要原因是齒輪箱發(fā)生箱體共振、泵和齒輪箱體及電機共用一個基礎、基礎的固有頻率與嚙合頻率較接近、

13、泵支架不牢固、泵軸向長等。4改造措施根據(jù)以上的分析,裝置異常振動的原因是齒輪箱的箱體共振與基礎的不合理。建議對原有基礎進行改造,并更換齒輪箱。(1將原基礎分為兩段,電機和減速器共用一個基礎,泵一個基礎,減小齒輪箱振動的傳遞,基礎分開后增加了基礎的剛性。按改造后基礎建模計算,其固有頻率為480H z ,遠離齒輪的嚙合頻率;(2改造泵的支架,軸向增加筋板,支架與基礎的固定采用對稱結構,增加了支架的剛度和穩(wěn)定性;(3換上其它型號的齒輪箱,避免發(fā)生齒輪箱箱體共振。5改造效果廠方按要求對原基礎和泵的支撐進行了改造,由于某些原因沒更換齒輪箱。在基礎改造好的情況下,對裝置進行了測試,結果如表2所示。從表中可

14、以看出:將泵的基礎和齒輪箱的基礎分開,并對泵支撐加固,泵基礎的振動明顯減小(如表2,最大降幅為7017%,最小降幅為816%。加固了齒輪箱的基礎,齒輪箱基礎的振動也有所減小,最大降幅為4319%,最小降幅為1612%,但由于沒更換齒輪箱,振動仍較大。表2改造前后振動測試數(shù)據(jù)對照表(mm/s名稱測點X Y Z改造前改造后減小(%改造前改造后減小(%改造前改造后減小(%電機129101163258116008421110201178655116261211549951189132116523401431210137151180814118047121047022108136117723011802

15、312101356210356821001111621221800225110917518549761630902165128411256741843265126894513191217132015齒輪箱341112451205545179685318499541059729126482819847311231230132563513361742104319251518030188622912580331278916165491811931191230821165473417411134133419201370929152051916600291946217106411816145111235

16、617175141612361942194017泵體5678131415161519764151691010176761913075171888419105421318538211570461265435135564415637971694825123984615115341564377156412601865185716601170176515671064191413467911021431895683158119161804211103091914528911479251499284137865315624721658945199461416288361599734146137611751

17、19816251764135810661151121314029121316591499641412719141646715101581212974271060771264877113496317846151756226123349514687141996678156494451842116011591757146316591668136結論測試結果驗證了齒輪箱是裝置振動的振源,泵振動是基礎結構不合理。要從根本上改善運行狀況,廠方必須更換齒輪箱。實踐證明利用診斷技術,可以在不停機的情況下診斷出出現(xiàn)故障的部位及原因,從而避免了檢修的盲目性。參考文獻1丁玉蘭,石來德1機械設備故障診斷技術M1上?？?/p>

18、學技術文獻出版社,199512屈梁生等1機械故障診斷學M1上?？萍汲霭嫔?198713丁康等1傳動箱齒輪和軸承故障的振動診斷方法的研究J1振動與沖擊,1994,13(2:263214鮑明,趙淳生1齒輪故障診斷技術的研究J1南京航空學院學報,1992,5:565715丁康等1齒輪箱典型故障振動特征與診斷策略J1振動與沖擊,2001,20(3:7121作者簡介:周邵萍,通訊地址:200237上海華東理工大學機械工程學院。(上接第60頁節(jié)材和環(huán)境保護諸方面產(chǎn)生重大的經(jīng)濟與社會效益。參考文獻1戴永慶,耿惠彬1三效溴化鋰吸收式制冷機概述J1制冷技術,1996,(3:3912申江,楊國斌1三效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)方式J1流體機械,2000,28(12: