吴安凯,莫岳平,王玉杰,王建明,毛新平,任学强
(1.扬州大学,江苏 扬州 225127;2.山西省水利水电勘测设计研究院有限公司,山西 太原 030024;3.厦门品方工程项目管理有限公司山西省分公司,山西 太原 030000;4.山西省平遥县水利局,山西 平遥 031100)
近年来随着信号分析技术的发展,振动信号的获取得到了很大程度的进步,尤其是在水泵系统的故障诊断技术方面,为使机组设备能延长使用寿命,得到安全稳定的运行,国内外科研人士研究方向大部分都是关于水泵机组开机和运行状态监测及其振动故障诊断。学者们在实践中提出的众多诊断手段,也取得十分理想的分析结果。国外在检测振动故障技术研究方面已取得较多的实践成功经验,如美国GEBently公司的System1系统平台[1]、瑞士Vibro-Meter公司的VM600系统[2]都主要用于振动方面;SYSTEM2多功能维修工作站[3],是由德国DB公司研制的,它主要用于分析机组振动方面的故障。国内对于故障诊断与监测的研究开始比较晚,由于设备的特殊性,提出振动监测也只有几十年的历史,20世纪90年代开始的智能化故障诊断技术,发展迅速,已从过去只监测振动和摆度到现在通过环境温度、压力大小和磁场强度等众多项目监测来进行分析。应用比较广泛、成熟的稳定性监测系统主要有华科同安TN8000、华水机HJS系统等[4]。然而,目前国内在泵站管理上,大型立式水泵机组监测诊断系统仍处于研究开发阶段。
本研究为提高水泵机组运行安全性,针对机组运行时存在的振动情况对现场4组泵站进行振动测试。通过振动信号采集处理系统,对水泵机组进行振动传感器检测位置调试安装,获得上、下机架振动值,再对获得数据进行分析,从而进行故障诊断。
杜河提水工程是晋城市“井”字型大水网骨干水源工程之一,工程取水位位于杜河水库大坝上游1 600 m处的沁河左岸。其主要任务是开发新的供水水源,解决部分工业园区用水和农业灌溉用水。为了掌握机组在不同扬程运行时的状况,验证机组在不同上下游水位组合工况下的抽水性能[5],在杜河泵站现安装立式轴流泵4台机组,设计扬程293 m,单机流量0.57 m3/s。同时为克服机组运行中的不稳定性,对水泵机组进行现场测试,分析振动原因。
在了解立式泵机组常见振动故障现象产生原因以及相关振动检测方法以后,根据项目的相关要求以及具体情况,决定以压电式速度传感器作为振动信号的采集装置,加入对应的信号调理电路来处理采集到的振动信号并输出给软件设计部分,通过软件部分进行显示处理,完成此次信号采集,如图1所示。
图1 信号处理电路框图
第一部分中第一模块经过电荷转换电压电路之后,输出为电压信号,但由其信号微弱,需要放大电压信号;本项目中第二模块由于用到压电薄膜的谐振频率很低,在抗干扰电路中,选用低通滤波电路最为常见;第三模块当收集信号时,避免不了受到外界环境(如电磁波)和其他电气设备干扰,其中市电中50 Hz的工频干扰最为突出,它无时无刻地以电磁波的形式向外扩散和传播,因此设计1个50 Hz的工频陷波电路,主要作用是滤掉50 Hz这一特定频率的干扰信号,使得其他正常的有效信号能够不受影响;在最后模块输出部分设计1个过载指示电路。它的功能是监测信号调理电路的电压输出范围,为了保证后续电压能处于微处理器的允许输入范围。接下来第二部分就是数据采集、显示、处理及分析系统,其作用是获取信号并显示具体振动值,同时进一步进行数据处理和分析[6-7]。
本次测量振动的配套硬件设备型号、性能为:ZHJ-2D压电式速度传感器。主要技术参数:电荷灵敏度4.0 mV/mm/s,测量范围1 270 mm/s,外形尺寸Φ25.4×57 mm,频率响应2.0~8.0 kHz,传输距离305 m,工作温度-40℃~+150℃,相对湿度≤90%。
在本次实验项目振动测试与分析中,测点设置和安装是接收水泵机组在运行时的工况状态信息最重要的环节之一。这不仅需要结合水泵机组设备结构的特点,其中为了实现本文装置安装的合理与准确性,还必须选择最有代表性的测点。在运行调试中需根据水泵机组运行故障振动来进行正确选择。测点的设置直接影响到振动信号采集的真实性和整个系统的诊断分析,既要求能够监测机组的最大振动部位,同时还要有能够反映机组运行情况的参数变化[8-9]。
测点设置:机组电机振动水平方向测点3个,1圈的每九十度1个,上机架轴承垂直振动1个;机组水泵振动下机架垂直,水平各1个;转轴摆度的测量可以通过在同一平面相互垂直2个方向安装2个压电式速度传感器。安装位置如图2所示。
图2 传感器安装位置图
2021年度结合工程对杜河泵站4台机组进行现场安装、调试、测试分析,分别对水泵机组电机振动(上机架处)和水泵振动(下机架处)进行振动值测试。本文以7月-8月1#机组振动数据为例,测试结果见表1。
表1 机组振动数据
从现场测试的数据来看,机组振动水平振动测点3个,即水平-垂直-轴向三向;电机振动机组上机架水平2方向振动值明显超出正常范围值(0.076 MM),并且大于其他水平部位方向的振动值,而水平1、水平3方向振动值相当,振动值也符合要求。在排除螺丝松动的情况下,说明机组上机架的振动情况与水力有关,水流的方向导致转子不平衡,在顺水流方向上振动值较大。机组下机架垂直振动也是处于一个稳定值状态,皆属于正常振动值范围。水泵电机层下机架摆度测点两者是垂直的,高度差十几公分,都是在电机水泵靠背轮下方刚开始处于稳定值,之后摆度值增大,分析原因是造成了轴承、机械密封损伤,轴承磨损松动而振动增大。用压电式传感器测量轴相对于轴承的振动(非接触式),轴的振动几乎不传递到外壳,所以测外壳的振动不能反映出设备实际的振动大小。而滚动是刚性接触,与之不同,机器真实的振动几乎全部能传递到轴承外壳上。
本次现场测试在水泵振动信号与故障关联研究的基础上,通过优选改造的振动信号检测装置,对项目现场水泵机组的振动信号进行采集、分析和处理,以获得水泵机组运行时的有效诊断。本文通过的是分析上、下机架不同方向的振动值大小,而在众多诊断手段中,许多学者通过波形、频谱以及相位分析进行振动监测。这是电力设备故障诊断中核心的部分,对于故障范围的研究和诊断的思维方式,目前学者们仍需引起重视,攻克难关。