立式混流泵异常振动测试分析

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梁兴，刘梅清。刘志勇，等.立式混流泵异常振动测试分析[J].排灌机械工程学报，2013。31(5)：373-378。

Test and analysis of abnormal vibration of vertical mixed-flow pumpLiang Xing -，Liu Meiqing ，Liu Zhiyong ，Lin Qi ，Wu Yuanwei ，Yan Hao(1.School of Power and Mechanical Engineering，Wuhan Univeity，Wuhan，Hnbei 430072，China；2.School of Mechanical andElectrical Engineering，Nanchang Institute ofTechnology，Nanchang，Jiangxi 330099，China)Abstract：To identify the reasons for the abnormal vibration in a vertieal mixed-flow pump，the verticaland horizontal vibrations were measured at the low bracket.pmnp 1id and outside collmn of pump unitby using low-frequency vibration sensors in startup and normal operation periods，the pump shaft run outwere monitored by means of an eddy current sensor as wel1.The experimental data were processed by theHilbert-Huang transform (HHT)，and the vibration peak-peak displacements were acquired，and theeigenvectors of vibration signals were extracted to diagnose the type of fault；finally，the time-frequencyfeature in startup period was analyzed in order to search the root reasons for the abnormal vibration.qheanalyzed results showed that the vibration frequency of the pump unit was close to the unit rotational fre-quency in the normal operation；additionaly，for the shaft orbit is similar to an eccentric ellipse，thetype of fault in the unit was unlikely the rotor imbalance.During the starting period，the shaft orbit waschaos and the vibration amplitude was as large as 47.3 times the amplitude in the normal operation，sug-gesting a violent force might be generated in the starting period and eventually induces the rotor to ope-rate in imbalance.The time-frequency characteristics of vibration signals in a pump can be acquired ac-curately with the HHT，especially for highly nonlinear signals；meanwhile，this study on vibration gene-收稿日期：2012-11-29；网络出版时间：2013-05-07网络出版地址：htp：///kcms/detailY32.1814.TH.20130507.1704.020.html基金项目：国家自然科学基金资助项目(50879062)；教育部博士点基金资助项目(20090141110057)作者简介：梁兴(198O-)，男 ，河南南阳人，博士(1iangxny###163.con)，主要从事流体机械及工程研究。

刘梅清(196O-)，男，湖北汉川人，教授，博士生导师(1iumq###126.con)，主要从事流体机械及工程研究rated in a pump during its startup period wil provide a new way for pump troubleshooting。

Key words：mixed-flow pump；vibration；fault diagnosis；Hilbert-Huang transform；time-frequency analysis在旋转机械中，振动信号蕴含着丰富的运行状态信息，是状态评估及故障分析的重要基础 .水泵机组运行中总存在着不同程度的振动，当振动超过-定限度时，就会对设备造成不同程度的危害，长期的异常振动不仅降低水泵效率，而且缩短了机组零部件的使用寿命，严重时甚至导致机组被迫停机。

目前关于水力机械振动及故障诊断的研究，或利用数值模拟方法进行仿真，或基于信号处理方法进行振动分析、识别及故障诊断.如：孔繁余等 基于 AN-SYS软件对转子系统施加静力载荷，从而分析转子谐响应和瞬态动力学等特性.赵鹏 则针对水泵的机械故障信号比较了希尔伯特-黄变换 (Hilbert-Huangtransform，HHT)、第二代小波包变换等方法在信号处理上的优劣，利用径向基函数(radial-basis function，RBF)神经网络进行了故障诊断模型研究.杨志荣提出了基于Racah矩的水电机组轴心轨迹识别方法，并利用多Agent理论构建了故障诊断模型.然而振动测试较少涉及水力机械的开、停机过程，缺乏系统的试验验证，同时由于故障信息量不足，诊断结果较笼统.因此，全面系统的测试水泵运行状态，不仅对深人研究水泵振动机理，分析机组振动诱因，具有重要的理论意义，同时对泵站的设备维护、优化运行及技术改造也具有重要的实用价值.文中分别测试某泵站立式混流泵机组开机过程和正常运行时，异常振动，通过信号处理进行故障诊断。

1 试验对象及方法广东某泵站安装了8台2600HTEXJ型立式液压全调节抽芯混流泵，分别配套同步/异步电动机各4台，具体参数如下：转速为同步250 r/min；异步245 r/min；单泵设计流量 15 m /s；水泵最高扬程27.6 m；设计扬程26.6 m；最低扬程 22.3 m；叶片调节范围 -9。

由于引水明渠取自形状不规则的人工渠，前池入口弯道河段，来流多次转向引起泵站前池及进水池的流态紊乱，为此采用布置多排整流三角墩的方案进行了前池改造从而基本上改善了进水池水流不均匀对水泵振动的影响 .由于运行中仍存在数台机组振动较剧烈的现象，选取有代表性的7#机组进行现场实测.测点布置如图 1和表 1所示，对不同叶片角度(-9。～2。)下机组正常运行工况和叶片角度为0。时的开机过程进行测量。

图 1 测点布置位置Fig.1 Monitoring points in pump unit表 1 测点位置及方向Tab.1 Position and direction of monitoring points依 据水力机 械典型故 障振 动频谱研究成果 ，该机组有效振动信号频率在 1～500 Hz，既包括低频信号，又包括中频信号，因此选用频响0.5～ 1 000 Hz的电磁式振动传感器和频响0～10 kHz的电涡流摆度传感器分别测量非旋转部件振动和主轴摆度。

2 试验结果分析2.1 实测信号处理方法水力机械振动信号处理通常有傅里叶变换、小波及小波包变换和 HHT等方法 .与其他信号处理方法相比，HHT方法的实质是将信号进行经验模l 375蚌态分解(EMD)，即通过特征时间尺度分辨以获得-系列本征模态函数(IMF)，然后通过对每个 IMF进行 Hilbert变换获取信号的瞬时频率.该方法尤其适用于突变信号和非线性非平稳信号的处理。

2.1.1 信号的经验模 态分解假定实测信号为S(t)，先求出信号的极大点系列 和极小点系列 Vmi ，然后分别拟合上包络线V (t)和下包络线 (t)，进而确定其平均值为1m ÷[ (t) 2( )]， (1)令 h(t) -m. (2)如果 h(t)符合 IMF条件，则 h可以作为第-个IMF，记为C (t).其中IMF必须满足以下条件：①在整个信号时间内，信号的极点和零点个数必须相等或最多相差 1个；② 在任何时刻，极大值点和极小值点构成的上下包络线均值为 0.若 h(t)不满足IMF条件，则将 h(t)作为新的信号重复上述步骤，直到其满足 IMF条件。

令 (t)s-C (t)， (3)此处可视R (t)为新的信号，重复上述步骤，求解更多的IMF分量 C (t)，C (t)，，C (t)，直到 R (t)呈现单调趋势或者小到满足设定的计算精度时为Ⅳ止.若将 (f)忽略，则信号s( )∑cj(t)。

J：12.1.2 Hilbert边际谱分析对每-个 IMF分量 c (t)，做 Hilbert变换，得到相应的解析信号为( )G，(t)iC (t)aj(t)eiq 口 (f) ei2fj ， (4)式中： ，(t)是c 的Hilbert变换，即 ( ) f- - ∞ 孚 d ； ( )， ( )分别为 ( )的时变幅度和相位； ( )代表信号瞬时频率，即 (f) 。

对式(4)取实部，可得Ci(t)：Re(zi(t))Re(aj(t)ei2r，f/ '；。 ).(5)此时，时间信号 c (t)转变成了时间t和频率的函数.因此，信号 s(t)也可转变成时间和频率的函数 H(f，t)，即Ns( )H(f，f)Re∑ ( )ei2 If； . (6)对式(6)进行时间积分，得到信号的频率与幅值变化关系，称为 Hilbert边际谱，即( J H(f，t)dt. (7)Hilbert边际谱各频段能量(即信号特征向量)提壬按式(8)计算：，26p∑巧/n， (8)式中： 是各瞬时频率的边际谱值 ；fl， 是边际谱频带截止频率；n为频带内数据点个数。

2.2 稳定运行测试分析表 2和图2分别为基于 HHT方法所得到的不同叶片角度下各测点振动峰峰值和振动频谱特性，其中：O/为叶片角度； 为测试信号峰峰值。

表2 稳定运行时测试信号峰峰值Tab.2 Peak-peak amplitude of vibration signals in normal operation 表2中， 方向上的振动信号(SI，s3)峰峰值要大于 y方向(S2，S4)上的振动峰峰值；主轴摆度随着叶片角度增大，总体呈下降趋势.按照文献[6]0.03量要O 02S0，010规定，对比s3，s5峰峰值，机组振动水平总体上属于C类，不能长时间正常运行.当机组在 2。运行时，振动烈度达到了D类，为剧烈振动。

O7060504O302010图2 不同角度下各测点频谱图Fig.2 Spectrum of signals at different blade angles依据水力机械典型故障振动频率特征 ]，可将振动信号分为 0.5F，1.OF，2.OF，3.OF，>3.OF等 5个频段(F为水泵转频)，按式(8)提取信号特征向量，并做归-化处理，结果如表 3所示.通过分析测试信号振动频率分布及轴心轨迹形状，进行故障诊断。

表3 振动信号特征向量表Tab.3 Eigenvectors of vibration signals由表3和图2，3可知，h(f )为边际谱，3个测点实测振动信号的能量几乎都集中在 1.0F左右，且轴心轨迹为偏心椭 圆，对照水力机械典型故 障集 ，可诊断其故障类型为转子不平衡运转。

图3 叶片角度0。时轴心轨迹图Fig.3 Shaft orbit at 0。blade angle2.3 开机过程测试分析导致转子不平衡运转的诱因很多，基于稳定运行时的水泵振动信号故障诊断并不能准确找到该诱因.为全面研究振动变化，实测叶片角度为0-机时机组振动信号，并采用 HHT方法消噪后获取时域图和时频图.表4，图4-6分别为开机过程振动测试峰峰值、各i贝0点时域图、时频图和主轴摆度，其中。为幅值。

表 4 开机过程振动测试峰峰值图4 开机过程各测点时域图ng·4 Time domain diagram at various monitoring points in starting periodt/s(c)1吉 s5[4][5][6][7][D].北京：华北电力大学能源动力与机械工程学院 ，2011。

杨志荣.基于多源信息融合的水电机组故障诊断与轴心轨迹识别技术研究[D].武汉：华中科技大学电气与电子工程学院，2011。

刘梅清，林琦，梁兴，等.泵站前池流态改善效果的数值模拟分析 [J].武汉大学学报：工学版，2012，45(2)：152-156。

Liu Meiqing，Lin Qi，Liang Xing，et a1.Numerical simu-lation research on improving flow patern of forebay of apumping station[J].Engineering Journal of Wuhan Uni-versity，2012，45(2)：152-156.(in Chinese)Ricci R，Pennacchi P.Diagnostics of gear faults basedon EMD and automatic selection of intrinsic mode func-tions[J].Mechanical Systems and Signal Processing，2011，25(3)：821-838。

Henriquez P，Alonso J B，Ferrer M A，et a1.Fault diag-nosis using audio and vibration signals in a circulatingpump[C]/Proceedings of the 25th International Con-gress on Condition Monitoring and Diagnostic Enginee-[8][9][10]ring，2012。

Seryasat O R，Aliyari S M ，Honarvar F，et a1.Multi-fault diagnosis of bal bearing using intrinsic mode fuuc-tions，Hilbert marginal spectrum and multi-class suppovector machine[C]//Proceedings of the ICMEE 2010-2010 2nd International Conference on Mechanical andElectronics Engineering.Kyoto：[S.n.]，2010，2：2145- 2149。

Abouhnik A.Albarbar A.Wind turbine blades conditionassessment based on vibration measurements and the leve1 of an empirically decomposed feature[J].EnergyConversion and Management。2012.64：606-613。

国家质量监督检验检疫总局.GB/T6075.5-2002.在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动第 5部分 ：水力发电厂和泵站机组[s].北京 ：中国标准出版社 ，2002。

(责任编辑 谈国鹏)l ， l l l ' ， ， m ' ， m ， ' m ， ， ， ' ' ， l m l ' ， ， l ， l ' ' l ， ， ' ， ， l ， ' ' ' ， ， ， ' ， m ， ' ， ， m ' ， ， (上接第372页)[8] 祝磊，袁寿其，袁建平 ，等.不同型式隔舌离心泵动静干涉作用的数值模拟 [J].农业工程学报，2011，27(10)：50-55。

Zhu Lei，Y uan Shouqi，Yuan Jianping，et a1.Numericalsimulation for rotor-stator interaction of centrifugal pumpwith diferent tongues[J].Transactions of the CSAE，2011，27(1o)：50-55.(in Chinese)[9] 周岭，施卫东，陆伟刚，等.叶轮进口边位置对深井离心泵水力性能的影响 [J].农业 机械学报，2012，43(3)：78-82。

Zhou Ling，Shi Weidong，Lu Weigang，et a1.Hydraulicperformance efect of impeler inlet edge position ondeep-well centrifugal pump[J].Transactions of the Chi-nese Society for Agricultural Machinery，2012，43(3)，78-82.(in Chinese)[10] Liu Houlin，Wang Yong，Yuan Shouqi，et a1.Efects ofblade number on characteristics of centrifugal pumps[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering，2010，[12]23(6)：742-747。

王勇，刘厚林，袁寿其，等.叶片数对离心泵空化诱导振动噪声的影 响 [J].哈尔滨 工程大 学，2012，33(11)：1405-1409。

Wang Yong，Liu Houlin，Yuan Shouqi，et a1.Efects ofblade number on cavitation-induced vibration and noiseof centrifugal pump[J].Journal of Harbin EngineeringUniversity，2012，33(1 1)：1405-1409.(in Chinese)田辉，郭涛，孙秀玲，等.离心泵内部动静干涉作用的数值模拟[J].农业机械学报，2009，40(8)：92-95。

Tian Hui，Guo Tao，Sun Xiulin，et a1.Numerical simula-tion of unsteady flow in a centrifugal pump[J].Transac-tions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2009，40(8)：92-95.(in Chinese)(责任编辑 谈国鹏)