系统思维在解决泵振动异常中的应用

李 毅

（华南蓝天航空油料有限公司湖南分公司，湖南长沙 410075）

0 引言

泵机组是重要的能量转换及介质输送设备，是国民经济中应用最广泛、最普遍的通用机械之一，在企业的正常生产运行中发挥着举足轻重的作用。而泵机组一旦发生故障，对企业而言不仅仅是经济上的损失，严重时甚至会造成难以承受的灾难性后果。随着自动化程度的提高，温度、振动、压力等运行参数监测仪表以及与PLC、上位机HMI 软件组成的自控系统得到了比较成熟的应用，泵机组也从传统的人工巡检、检维滞后，向实时在线监控、主动预警转变，虽然可靠性得到了明显提升，但整个系统变得更加复杂，对检维护人员的排故查因提出了更高的要求。

本文介绍了现场高压输油泵机组运行中出现振动示值不稳、严重影响正常作业的现象，检维修人员合理利用系统思维，采取有针对性的故障查因及解决方法，能够快速、准确地找到故障点，保障高压输油泵机组稳定运行的案例，为设备保障人员的检维护工作提供思路，从而更好地服务安全生产。

1 高压输油泵振动示值不稳概况

某现场高压输油泵机组一用一备，分别安装有4 个振动传感器和4 个温度传感器，用来监控泵机组运行时轴承、机械密封等部位的工况。高压输油泵型号为KDY400-100×3，转速2980 r/min，流量360 m3/h，扬程270 m，电机的电压和功率分别为10 kV、355 kW。

某日故障时，上位机监控系统中显示的泵机组运行时振动值的情况如图1 所示。其中，振动变送器型号为VIB-15c，类型为三角剪切压电晶体，频响精度±5%，测量范围0～25 mm/s，频率为10 Hz～1 kHz。

图1 某高压输油泵机组振动监测情况

通常情况下，传感器将采集到的数据，通过电流信号传输至PLC 的I/O 模块，并通过上位机监控软件，实现人员的实时监控（图2）。使用单位可以依据厂家推荐值或历史运行情况均数值，分别设置每个测点的高限（5.5 mm/s）及高高限值（7.1 mm/s），从而实现报警预警、联锁停机等功能。

图2 传感器工控系统逻辑

从图2 可以看出，传感器测试得到的数值在传输至上位机监控电脑进行实时显示的过程中，涉及到多种硬件及处理软件，因此在出现显示数值超出设定工作范围值时，不能单纯地认为一定是泵机组出现机械故障，如轴承磨损、安装问题等。虽然这些故障比较常见，在现场设备的历史故障档案中也占比较高，但新设备、新系统的使用也会产生新的故障类型。传统的故障检维修思路就会存在一些不足，容易使检维修人员陷入死胡同的境地。因此，为了找准故障点，需要从整个系统出发，分节点、有重点地进行针对性测试及排除，以便快速找到故障原因。

2 系统思维在解决振动示值不稳故障中的应用

系统思维是指在思考和处理问题的时候，把对象互相联系的各个方面及其结构和功能进行系统认识的一种思维方法。这种方法严谨高效，不失原则性和灵活性，有助于立足整体、抓住要害。系统思维主要由要素、结构、环境和功能等部分组成，在运用系统思维解决复杂问题时，首先可以从结构入手，将系统的基本组成结构进行单元要素化，再根据不同要素的特定功能，分析其对于系统整体的影响。在分析要素的同时，还要充分考虑其所处的不同环境对系统产生的影响。

按照上述思路，结合控制逻辑图，可以将上位机监控系统进行要素分解，从泵机组、线路、传感器、自控系统这4 个方面给出排除方法及解决思路。

2.1 泵机组影响因素的排除

泵机组存在的影响因素可以分为内部因素和外部因素，内部因素如泵腔内转子、轴承、连接螺栓等，外部因素如安装同心度、管道安装应力、散热风扇等，都可能对泵机组运行时的振动产生明显的影响，有的甚至比较难以发现，如散热风扇所带来的频率共振现象。通过对泵机组4 个点的振动数值变化情况进行分析，可以明显看出，除泵驱动端测试点外，另外3 个测点的振动值处于允许的运行工况，且一直相对平稳，但由于超标的振动引起交变负荷作用产生的交变应力非常大，该应力会导致输油泵产生疲劳损坏，对输油泵危害很大，严重时会造成整泵报废，因此振动的问题不容忽视。

通过利用VIB-07 多功能振动分析仪，对上述振动监测点分别进行振动值动态比对、轴承状态BG 值、BV 值监测、噪声监听以及对泵机组安装同心度，附件连接及基座螺栓紧固情况，联轴器膜片间隙情况进行检查，综合分析测试结果后，初步判断该泵机组驱动端振动示值不稳并非泵机组本身所导致，排除机械方面的因素。

2.2 系统线路因素的分析

线路的故障日常检维修中不常出现，但却也是最难发现的，因为线路方面往往涉及不同的施工方，如泵机组供应商、安装施工方、电气仪表施工单位，这三方中某一方没有按照安装要求进行施工或施工标准不高，就会给设备的正常运行带来隐患。例如，该系统所用的振动传感器在接线方面就有仪表的24 V 负极应与4～20 mA 信号的负极共地连接的特殊说明。因此传感器至现场接线箱、现场接线箱至PLC 机柜间以及I/O 模块之间，所涉及的线路存在接地不良、屏蔽性能不足或者动力线路间相互干扰等均有可能导致振动示值不稳的情况发生。针对这一情况，采取先整体后局部的排除思路，通过在振动信号进监控系统的末端，利用多用表对信号的电流进行动态监测，发现只有驱动端这个测点的电流呈现跳动显示情况，与振动示值不稳的情况一致，因此基本上可以判断，该故障点处于线路至传感器之间。

为了进一步厘清要素之间的影响关系、找准故障点，通过更换传感器至接线箱之间线路、检查箱体内部接地情况、线路屏蔽层完好情况、利用接线箱至PLC 机柜间预留线路分别进行测试，最终测试的结果均将故障原因指向振动传感器。

2.3 振动传感器的故障解决过程

该系统中所选用振动传感器类型为剪切式，作为一种在线式的高精度传感器，其对于安装有着比较严格的要求，如振动传感器的轴线应与振源的射线共线并尽可能采取水平安装，变送器芯件应与变送器壳体绝缘且应具有防松动措施等，这些要求在实际情况中往往容易被安装及使用单位忽视，因此，有时能找到故障点，却始终无法解决问题。在这个案例中同样也遇到了这样的困扰。

发现振动示值不稳，在排除泵机组自身的机械故障后，已经采取互换振动传感器的方式进行了初步测试，即将泵机组其他三处运行稳定的振动传感器安装至泵驱动端处，同时将原安装在泵驱动端处的振动传感器安装至被替换监测点处，测试的结果表明振动示值不稳点仍然出现在泵驱动端处，且被替换处的振动值显示稳定，进行了多个点的互换，结果与之前的一致。这样的测试结果表明，原该处振动传感器及其线路并不是引起振动示值不稳的原因，与前面测试及判断的结果明显相违背。为了进一步查明故障点，现场又采取单独给泵驱动端振动传感器供电，并通过多用表现场监测运行电流，结果表明振动示值不稳的原因还是集中在振动传感器。

查阅文献资料发现，安装时不同的预紧力会对剪切式的振动传感器的灵敏度和频率响应产生明显影响。如果预紧力较小，则传感器的刚度下降，导致共振频率降低，使得频率响应上限降低，误差变大。当预紧力增加到一定程度，接近零件结构和敏感元件的承受极限时，将导致零件变形或损坏，引起刚度下降，频率响应上限降低和误差增大。因此，在安装时振动传感器应选择最优预紧力，而这个要求明显超出了相关单位的认知范围。最终，现场对泵驱动端振动传感器的固定锁紧螺栓进行调整，降低预紧力、增加过盈量，持续运行测试后，振动示值不稳的故障得以解决。

3 结束语

振动的理论和测量方法比较成熟、简单易行，因此在设备的状态监测和故障诊断技术中，振动监测技术是普遍采用的基本方法。随着新技术的投用，尤其是作为信息技术三大支柱之一的传感器技术的不断成熟及应用，一方面，显著提升了设备运行可靠性，为工业自动化的发展进步提供了坚实支撑；另一方面，传感器自身的高可靠性、长期的稳定性及抗恶劣环境及抗误报警的能力还有待验证，同时作为检维修单位人员的相关专业知识也还存在明显不足。

传统的简单诊断能力已不能满足复杂系统的查因排故需求，设备故障诊断技术不仅要对设备的状态是否正常作出判断，更重要的是对故障的原因、部位及严重程度作出准确评估，从而指导现场做好预防性维修的工作。现场的检维修人员不能墨守成规，在设备检维修作业过程中要开拓思路，大胆、灵活应用科学高效的思维方法，提升在复杂系统中抓住重点、厘清难点的能力，并充分运用设备状态监测和精密诊断技术，不断强化企业的本质安全。