综合性实验 离心泵状态监测

综合性实验 离心泵状态监测一 目的要求1 了解离心泵噪声的基本参数2 掌握离心泵状态监测系统的构成3 了解和分析离心泵噪声所表征的离心泵状态。二 实验仪器、设备、工具及材料名 称型 号 或 规 格数 量备 注离心泵实验系统CEA-031计算机1具有AC97声卡基于声卡的离心泵噪声采集与分析软件包1自主研发三 实验原理和设计现代过程工业中，离心泵是应用广泛的旋转机械，为避免泵带病运行和突然停泵造成的各种损失，需对其运行状态进行监测；同时，状态监测与自动控制系统已被广泛应用。但是，离心泵的数量众多和监测装置价格高昂，使得企业只能采用定期或不定期抽检，对于绝大多数资金短缺的中小企业而言，泵的状态监测还在依靠人工和经验。随着中小企业信息化的普遍兴起，企业不仅需要泵的状态监测自动化，还要数字化，更希望低成本和高准确度。1 典型实验方案基于声卡的离心泵状态监测系统符合应用需求，特别是对于西部地区中小企业，具有一定的推广和实用价值。离心泵状态监测设计涉及监测方法与应用效果的选择，如振动、SPM(冲击脉冲测量)、声音、声发射、超声波、温度、扭矩、应变、压力、流量和电力监测等内容。振动理论和大量实践表明，当机械内部发生异常时，一般都会以振动变化的形式表现出来，并且每种机械故障都有其特定的振动特征，每种振动变化都相对应着各自噪声的频率和功率的变化，信号波形突变点往往包含反映设备状态的重要信息，通过传感器把这些信息转换为电信号或其他物理量信号，送入信号处理系统中进行处理后，得到反映设备运行状态的特征参数，从而实现对设备运行状态的监测.同时也可以分析出设备的故障。资料表明：离心泵噪声监测可以确定离心泵运行状态多个状态参数，适用于构建工厂内一台或多台关键设备进行运行状态的实时监测与诊断的周期巡检系统（图1）。图1基于声卡的离心泵状态监测系统框图传感变送采集卡（声卡）数据整理与分析显示数据数据存档决策建议报表打印计算机软件仪表系统在实验系统中，首先以离心泵振动与噪声监测为入手点，对于振动噪声监测，可以采用声音传感器，如：高灵敏度驻极体话筒（咪头），直接焊接到音频电缆或屏蔽电缆，音频电缆或屏蔽电缆的另一头焊接到声卡的通用接头即可（图2）。图2声音传感器驻极体话筒（咪头）屏蔽电缆声卡接头 平时把采集的各种离心泵在不同工况下的波形、功率谱和频率建立数据库存档。将来在巡检过程中，可将采集的波形、功率谱和声音频率和数据库中的存档内容进行比较，即可获知离心泵是否处于正常工况，若在非正常工况下也能立即知道故障的原因。2 利用PC声卡实现采集数据转换成品数据采集卡虽拥有完整的数据采集电路和与计算机的接口电路，但价格比较昂贵；随着DSP(数字信号处理)技术走向成熟，PC声卡成为了一个优秀的数据采集系统。PC声卡同时具有A/D和D/A转换功能，价格低廉，兼容性好、性能稳定、灵活通用、驱动程序升级方便，并已成为PC机标准配件。新一代的声卡采用PCI总线技术，解决了与系统交换数据的瓶颈问题，能充分发挥DSP芯片的性能；使用DMA(直接内存读取)方式传送数据，CPU占用率极低；一般采用16位的A/D转换精度，比通常12位A/D卡的精度高，对于许多工程应用和科学实验来说性价比已较高了。对于振动噪声监测，传感器将模拟信号接入PC声卡即可。标准声卡上通常有两路Microphone模拟信号输入，两路线路输入模拟信号，在Midi/Game Port接口上也有两路模拟信号输入和八路数字信号输入。输入的振动噪声模拟信号最为简单的接入方式就是通过Microphone模拟信号输入端口（噪声较大）或Line In端口（噪声较小）接入到声卡，由声卡内部A/D系统完成数据采集与转换。3 噪声数据采集和谱分析进行系统连线后，进行噪声数据采集，用户界面见图3，采集软件可用LabVIEW7.0构建。图3 噪声数据采集和谱分析预览部分的用户界面在测声计算机软件中，重点关注各类频率的出现峰值，特别是基频和倍频关系以及各主要频率的振幅，是噪声表征故障的主要方法。4 离心泵的常见故障及噪声表现形式（1）电动机橇座支撑不稳固图谱表现形式：有时频谱图上可能出现主导频率是电动机转速频率的0.5倍频或3倍频的谱线，振幅大于11.2 mm/s。这也是松动的特征，需要检查电动机地脚螺栓松紧程度以及地脚、支撑槽钢等是否稳固。（2）两胶带轮偏斜图谱表现形式：电动机和离心泵的两个胶带轮出现偏斜，是出现频次较多的一种故障，主导频率是单根胶带频率的4、6、7、8倍频，频谱图上显示的胶带频率可能比计算的频率稍低，这是受胶带滑差率的影响。有时是某一倍频的胶带频率占主导，或许会伴随一些其它倍频的胶带频率。（3）曲轴轴向窜动量过大图谱表现形式：主要是曲轴转速的4倍频，因此，在泵上测得主导频率是4倍频，并且振幅较大时，往往对应泵曲轴两端轴承轴向间隙过大的故障。这种故障出现多次，由于泵振动剧烈，与之连接的高压管线也随之振动，危害甚大。如果在电动机和离心泵的频谱上，主导频率是胶带的振动频率，电动机的振幅在正常范围内，而泵的振幅过高，超过11.2mm/s。这种情况不是胶带轮的偏斜故障，而是大胶带轮轴向摆动引起的。（4）曲轴轴瓦间隙偏大图谱表现形式：曲轴轴瓦磨损导致间隙增大，在频谱上主要出现曲轴转频的3、4、5、6、7倍频，有时3倍频是主导频率，有时5倍频是主导频率，其它倍频分量的幅值一般比较低。可以通过比较个测点振幅及主导频率幅值确定哪个轴瓦间隙大。由于泵的质量大，振幅一般在7.111.2 mm/s之间，不会太大。（5）电动机轴承损坏图谱表现形式：电动机轴承的测试与诊断，采用峰值能量gSE技术，准确可靠。轴承的故障共频率可根据其外圈、内圈、滚子直径、滚子数目和转速计算出。内圈故障频率： fi=（D+dcos）/2Dnfr外圈故障频率： fo=（D-dcos）/2Dnfr滚子故障频率： fb=（D2-d2cos2）/2D/dfr保持架故障频率：fc=（D-dcos）/2Dfr上式中，D为轴承节径，d为滚子直径，为接触角，n为滚子数目，fr是转子频率，Hz。电动机轴承外圈的故障频率及其倍频，表明轴承的外圈出现了故障。（6）泵轴承的故障图谱表现形式：可利用下面的经验公式估算轴承的故障频率内圈故障频率： fi=（n/2+1.2）fr外圈故障频率： fo=（n/2-1.2）fr滚子故障频率： fb=1/2（n/2-1.2/n）fr保持架故障频率：fc=（1/2-1.2/n）fr（7）阀的故障图谱表现形式：主要是离心泵的转频及其倍频，谱线幅值从低频到高频逐渐降低（排液阀损坏严重时，其声音可用起子搭在耳朵上听出，图谱表现不规则噪声）。（8）安装不对中图谱表现形式：径向振动大，有稳定的基频、2倍频、3倍频，尤其是2倍频成分超过其它的成分，高次谐波成分少，轴向振动大，时域波形为稳定的周期波形。（9）机械松动图谱表现形式：径向（特别是垂直方向）振动大，除基频成分以外，还有很大的倍频成分，轴向振动小，时域波形有不稳定的非周期信号。5 离心泵的常见故障概率统计学参考表1 离心泵的常见故障出现概率故障原因出现频率备注轴承磨损40%外环、内环不对中22.5%不平衡12.5%机械松动10%窜轴10%基础松动5%底座四 实验内容和步骤1. 准备：依照原理图，连接测试实验线路。2. 步骤：(1) 打开计算机系统。(2) 打开监测实验软件，启动离心泵。(3) 按下按钮（或松开按钮）时，将在显示窗口得到各种频率及其幅值关系。(4) 截取和记录输出波形，并记录于附表。(5) 改变泵的操作状态，重新观测曲线，并将结果记于附表。3. 分析：按照观测幅频关系，以及常见故障及噪声表现形式分析实验用泵的工作状态。五 预习要求1. 按装置及仪器使用说明书明确装置及仪器各部件的作用和使用方法。2. 估计实验中可能出现的故障及检查排除的方法。3. 预习报告：提交原理、连线方法、实验步骤文本，数据记录单。六 结论与思考；1 实验系统的结构是基于怎样的思想构建的？2 离心泵的噪声是如何体现其工作状态的？3 怎样进行系统的校正？七 实验总结报告报告内容：实验方案的理论依据，实验测定的方法，原始数据及数据处理结果，并对实验结果进行讨论。1 实验前选定两台离心泵，记下泵型号。2 实验观测记录。3 实验结果分析、讨论和建议。八 附录1 实验记录表格（供参考）泵型号状态监测图谱状态分析2 注意事项