基于圆形视图的转子故障诊断新方法

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目前中海油 自营油田的动设备基本上都采用了状态监测技术来监测故障。法国泛泰克斯开发的-套设备状态监测分析软件XPR-300 01db系统具有圆形视图分析功能 ，它根据单通道振动数据就可以模拟转子旋转中心位置的变化，类似于轴心轨迹。当设备出现不平衡、不对中、松动等故障时，时域波形低通或带通滤波后的圆形视图表现出不同的形状，在设备状态监测与故障诊断过程中有重要的参考价值，能很好地区分这些不同的故障类型。该方法不需要双通道同时采集数据，也不需要相位仪，在现场实施过程中方便实用。

-、 旋转机械常见转子故障类型1.不平衡不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件缺损造成的故障。转子质量偏心是由于转子的制造误差、装配误差、材质不均匀等原因造成的。转子部件缺损是转子在运行中由于腐蚀、磨损、介质结垢以及受疲劳应力的作用，使转子的零部件(叶轮、叶片等)局部损坏、脱落、碎块飞出等原因造成。

当转子出现不平衡故障时，频谱图以工频为主导；时域波形为正弦波；轴向轨迹为椭圆；相位稳定。

2.不对中机组各转子之问通过联轴器、齿轮或皮带等传动部件，传递运动和转矩。由于安装误差、变形以及基础沉降不均等原因，造成机器工作状态时各转子轴线之间产生轴线平行位移、轴线角度位移或综合位移的状态。不对中在设备故障中较常见，据统计转子系统机械故障的60%是由于不对中引起的，实际中遇到的不对中是综合位移不对中。

当转子出现不对中故障时，频谱中出现明显的2倍频，但现场遇到好多不对中的情况下2倍频不明显，频谱中仍然是以工频为主导；轴线不对中时轴向振动明显；轴心轨迹为双环椭圆。

3.松动转子支撑部件连接松动是指系统结合面存在间隙或连接刚度不足，造成机械阻尼偏低、机组运行时振动过大的- 种故障。支撑系统结合面间隙过大、紧力不足，在外力或温升作用下产生间隙，固定螺栓强度不足导致断裂或缺乏放松措施造成部件松动；基础施工质量欠佳等都是造成松动的常见原因。由于存在松动，极小的不平衡或不对中都会导致支撑系统产生很大的振动。

当转子支撑部件松动时，时域波形存在工频、倍频和分频叠加成分 ；频谱中出现工频 、倍频和分频，松动的部位不同和严重程度不同频谱 中有不同的表现，有时只出现工频 ，有时出现明显的谐波，松动严重时还会 出现分频(次谐波)；轴心轨迹紊乱；相位不稳定。

二、圆形视图在转子故障诊断中的应用1.热油锅炉风机转子不平衡该风机电动机通过联轴器驱动离心风扇，2009年3月27日监测显示电机振动速度值偏高，电机非驱动端垂直方向最高达1J24.8mm/s，速度谱中以49.83HzI频为主导。由于工频为49.83Hz，并且频谱中的主要频率成分在100Hz以下，所以设置上限截止频率为100Hz，低通滤波后的圆形视图成椭圆形，并且旋转中心略偏离几何中心，如图1所示。对原2013年3月 中国设备工程 59露 j芟 ；覆 i 。 。i 。， 。 l .。

始数据直接做的圆形视图则特征不明显，只能看出略偏离几何中心。参照轴心轨迹的判断方法判断为转子不平衡，维修后机组振动有明显下降，2009年5月14日监测时电机非驱动端垂直方向速度值降为2.18mm/s。

图1 风机低通滤波后的圆形视图2.水泵不对中该水泵为双螺杆泵，机组振动速度值偏高，从动螺杆非驱动端速度总值达到19.4mm/s，速度谱中以24.89Hz的工频为主导，同时出现-些幅值较小的谐波。由于频谱中的频率成分主要在200Hz以下 ，所以设置上限截止频率为200Hz，低通滤波后的圆形视图成双椭圆，内8字形，如图2所示。原始数据的圆形视图虽然能看出-些异常，但是看不出双椭圆的明显特征。

图2 生产水泵低通滤波后的圆形视图维修时发现机组对中偏差较大 ，该机组对出口阀改型(比原来的出口阀大)后，受管线应力影响泵的位置相对基础有移位，从而造成不对中，机组维修后泵端振动值在5mm/s左右。

3.引流风机不对中引流风机结构为电机驱动悬臂式离心风机，由于轴较长在泵舱风扇侧有两个支撑轴承，机组振动速度总值偏高，电机驱动端垂直方向速度值达到21.1mm/s，轴向速度值11.9mm/s，速度谱中主要以49.41Hz的工频为主导。由于频谱中频率的主要成分在49-200Hz之间，所以设置截止频率为49Hz、200Hz，带通滤波后的圆形视图成双椭圆外8字形，如图3所示，这种情况是不对中的另外-种形式。

60 中国设备工程 f 2013qz3]原始数据的圆形视图虽然有些异常，但是不如滤波后的圆形视图特征鲜明。

O.6O0.300.00- O.3O- 0.6O≤j2早0～ O.6O -0.30 0.00 0.30 0.60图3 引流风机带通滤波后的圆形视图维修时发现机组由于基础强度不足导致对中不 良，增加基础强度并重新对中后振动降为正常水平。

4.海水泵支撑连接螺栓松动该海水泵为单级离心泵，由三相异步电机驱动。2012年3月24日监测时发现泵端振动偏高，水平方向速度值最高达到38.2mm/s，频谱中以工频为主导，并伴有多倍谐波，其中前四阶谐波幅值较明显，后面的谐波不明显。由于频谱图中工频为49.15Hz，频率的主要成分在49～300Hz，因此对原始数据选择49～300Hz带通滤波，滤波后数据的圆形视图如图4所示 ，圆形视图成梅花状或齿轮状 ，沿圆周方向有几个突起 。原始数据的圆形视图虽然形状有些异常 ，但是不如滤波后的圆形视图特征鲜明。

- 6.00 3.00 0.00 3.00 6.00图4 海水泵带通滤波后的圆形视图现踌查时发现泵端支撑连接螺栓(泵近联轴器位置的水平连接螺栓，不是和基础固定的螺栓)松动严重◆固支撑连接螺栓后振动有大幅度下降，泵驱动端由38.2mm/s下降N8.97mm/s，垂直方向由25.4mm/s下降到5.66mm/s，但是由于紧固螺栓时没有对机组对中调整，导致机细对中状态欠佳。

三、总结当故障类型不同时，直接对原始数据做出的圆形视图形状特征不明显，难以区分故障类型，但是对原始数据通过低通或带通滤波后的圆形视图形状有明显的不同，容易状态监测与诊断技术文章编号：1671-071 1(2013)03-0061-03 投 白海洋石油平台注水泵断轴故障根本原因分析刘 策 ，杨新强f1.中海石油湛江分公司，广东 湛江 524057；2.中海石油技术检测有限公司，天津 300452)摘 要：通过对某海上采油平台注水泵断轴原因的分析，采取了相应措施，恢复了注水泵的正常工作。

关键词：平台；注水泵；断轴故障；分析中图分类号：TE974 .1 文献标识码 ：B-、 引言海油田某采油平台有14台注水泵 ，在1年多的时间内多次发生断轴故障。虽然对该注水泵实施了状态监测手段 ，使注水泵运行状态良好，但当注水泵切换或停机重启动时，就会发生断轴故障，严重影响安全生产。

二、注水泵故障原因分析1.注水泵主要技术参数型号：DH138-122x 10；流量：138ma/h；轴功率：670.4kw；泵气蚀余量：3.8m；额定转速：1 450r/min；泵轴材料：35CrMo。

2.注水泵的主要结构注水泵为径向剖分的节段式多级离心泵，叶轮的入 口朝向联轴器端。轴向力由平衡鼓和平衡盘联合机构平衡，径向力由每-级导叶平衡，轴承箱内装配有甩油环润滑的滑动轴承，非驱动端还装配-对推力球轴承，轴承为风冷，泵装配有整装式平衡型机械密封。泵和电机间采用膜片联轴器连接，并配有防止打火花的铜质护罩。

3.断裂原因注水泵轴的断裂过程大致可分为裂纹成核、裂纹扩展和最终断裂3个阶段。这3个阶段都有较强的声发射。

断轴事故与转动轴工作环境中含有腐蚀性化学物质有关。而大的扭矩和径向载荷，使转动轴工作在应力状态，最终导致泵轴裂纹产生。如果注水泵轴的材料选择或热处理不当，同样也会使注水泵轴过早疲劳而产生裂纹。

尽管转动轴裂纹会影响转轴的振动特性，但在大多数情况下并不十分敏感，即使是转轴上的裂纹已经很深，有时也很难发现明显的振动状况变化。例如，根据理论计算，若在转轴中部有-深度等于1/4转轴直径的裂纹，则其刚度变化仅为10%左右，而临界转速的变化更小，仅为5%。因此，这些变化将很可能被完全淹没在其他信号之中，从观察转轴固有频率的变化或正常运转时振动的变化来早期发现裂纹是很困难的，所以-般的状态监测很难发现问题。

启动、停车过程中的响应及响应的趋势分析是检测转动轴裂纹的重要手段。但是，对于大型且重要的机组启动、区分不同的故障类型。滤波时不能随便设置截止频率 ，需要根据设备的转速、频谱中频率的主要成分，滤除-些噪声信号，保留频谱的主要频率成分。

不平衡时的圆形视图成圆或椭圆形。不对中时的圆形视图成双椭圆形(91-8字形或内8字形)。松动时的圆形视图成梅花状或齿轮状 ，沿圆周方向有几个突起。现场使用由于受到轴承型号、油膜力、转子重力、外加载荷等多种激励力的影响，圆形视图的形状会有所变化 ，但是不同的故障类型所对应的圆形视图形状有明显的不同。

在现场利用圆形视图法诊断旋转机械故障不需要双通道同时采集数据 ，也不需要相位仪，因此方便实用，有推广价值。