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水泵知识

化工泵常见故障诊断

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      本文主要对离心泵中经常出现的故障机理进行分析,归纳总结出不同故障类型所对应的谱图特征,为在实际生产中判断解决此类设备问题提供了理论依据。根据离心泵故障状态反映出的信息对其进行全面综合分析,才能确定故障原因,做出符合实际的诊断结论,达到治理、修好的目的。
      近年来,机械设备故障诊断技术在国内外得到了较大的发展,在国民生产中起到了重大的作用。由于机械系统工作过程是复杂的,有很多故障是来自多种影响因素,对其实施故障诊断比较困难,尽管人们已对其开展了很多研究并取得了一些研究成果,但在企业中的应用还不是很普遍。离心泵是石油化工、冶金、矿山等行业的常用设备。为实现离心泵长期、安全、稳定地运行,要求用户及操作人员对化工离心泵的常见故障有全面的了解,使离心泵更好地服务于生产。
1 化工泵的常见故障
      下面针对离心泵的一些常见故障,进行详细地分析。
1.1 转子不平衡故障
     转子不平衡是由于转子部件质量偏心或转子部件出现缺损造成的故障,它是旋转机械最常见的故障。通常设备的一个转子是一根轴和多个轮盘组成的,每个轮盘都可能存在质量偏心,2个以上的轮盘可能将多质点的质量偏心合成一个或多个矢量,造成转子的力不平衡型平衡类问题或造成偶不平衡型平衡类问题,以及力与偶复合型不平衡问题。
1.2转子弯曲故障
      转子弯曲故障多发生在设备较长时间停用后重新开机情况下,这多半是设备停用后产生了转子弯曲的故障。转子有永久性弯曲和暂时性弯曲2种情况。永久性弯曲是指转子轴呈弓形,造成永久弯曲的原因有设计制造缺陷、长期停放方法不当、热态停机时未及时盘车或凉水急冷所致。临时性弯曲指可恢复的弯曲,造成临时性弯曲的原因有预负荷过大、开机运行时暖机不充分、升速过快等致使转子热变形不均匀。
      转子弯曲的振动特征类似动不平衡,时域波形为近似的等幅正弦波;振动以基频为主,如果弯曲靠近联轴节,也可产生2倍频率振动。类似于不对中,通常振幅稳定。轴向和径向均有很大的响应。
1.3 偏心转子的故障
      偏心是指定子与转子之间不同心的一种故障。当旋转泵有几何偏心时,除会产生一阶频率振动外,还会由于流体不平衡造成叶轮叶片通过频率倍频的振动。由偏心造成的激振力与负荷有关,而与转速没有直接关系,因此,对偏心故障的诊断,一般需要改变负荷情况,进行对比测试才能肯定。
1.4 转子不对中故障
      转动机器的转子之间通常用联轴器连接构成轴系,传递运动和转矩。由于机器的安装误差、工作状态下热膨胀、承载后的变形以及机器基础的不均匀沉降等,会造成机器工作时各转子轴线之间产生不对中。据统计分析30% ~50%存在不同程度的不对中,严重的不对中会造成设备部件的过早损坏,同时会造成能源的浪费。
     不对中既可产生径向振动,又会产生轴向振动;既会造成临近联轴节处支承的振动,也会造成远离联轴节的自由端的振动。不对中易产生2倍频率振动,严重的不对中有时会产生类似松动的高谐波振动。
转子不对中振动特征谱的特点:径向振幅中的2倍频振幅大;转子轴向振幅超标(2倍频偏大主要是轴线平行偏移型不对中;1倍频偏大主要是两轴线夹角偏移型不对中);联轴节两侧的轴颈振动较大;转子径向振动、轴向振动随负荷增大而增加。
       转子不对中通常分为:角度不对中、平行不对中、复合不对中、轴承不对中。以下列举出各类不对中情况的谱图特征。
1.4.1 角度不对中故障
      角度不对中特征谱的特点:
     (1)会产生较大的轴向振动,频谱为基频和2倍频为主,还常见基频和2倍、3倍频都占优势的情况。
     (2)如果3倍频超过30%-50%,则可认为是存在角度不对中。
     (3)联轴节两侧轴向振动相位相差180°。
1.4.2 平行不对中故障
     平行不对中特征谱的特点:
     (1)振动特性类似于角度不对中,但径向振动较大。
     (2)频谱中2倍频较大,常常超过基频。
     (3)角度不对中和平行不对中严重时,会产生较多谐波的高谐次(4—8倍频)振动。
     (4)联轴节两侧相位相差也是180°。
1.4.3 轴承不对中故障
      屏蔽泵轴承不对中实际上反映的是轴承坐标高和左右位置的偏差。由于结构上的原因,轴承在水平和垂直方向上具有不同的刚度和阻尼,不对中的存在加大了这种差别。不对中过大时,会使轴承工作条件改变,在转子上产生附加的力和力矩,使转子失稳或产生碰磨。
      轴承不对中会产生基频、2倍频,振动以轴向为主;通过找对中无法消除振动,只有卸下轴承重新安装。  
1.5 滚动轴承的故障
      滚动轴承在运转过程中可能会由于各种原因引起损坏,如装配不当、润滑不量、水分和异物侵入、腐蚀和过载等都会导致轴承过早损坏。即使在安装、润滑和使用维护都正常的情况下,经过一段时间运转,轴承也会出现疲劳剥落和磨损而不能正常工作。滚动轴承的主要故障形式:疲劳剥落、磨损、塑性变形、锈蚀、断裂、胶合、保持架损坏等。
对滚动轴承进行故障诊断的实用方法是振动分析,振动信号的简易诊断法有以下几种:
    (1)振幅值诊断法,即利用峰值Xp、均值X以及均方根Xrms进行故障诊断;
    (2)波形因数诊断法,波形因数为峰值与均值之比,当Xp/X值过大时,表明滚动轴承可能点蚀。当Xp/X值过小时,则可能发生了磨损;
    (3)波峰因数诊断法,波峰因数为峰值与均方根值之比,正常Xp/Xrms产较小的稳定值,一旦轴承出现了损坏,则会产生冲击信号,振动峰值明显增大,Xp/Xrms增大,当故障不断扩展,峰值达到极限值时,均方根值则开始增大,Xp/Xrms逐步减小,直至恢复到无故障时的大小;
    (4)峭度系数诊断法,振幅满足正态分布规律的无故障轴承,其峭度值约为3,随着故障的出现和发展,峭度值具有与波峰因数类似的变化趋势。
1.6 转子与定子摩擦故障
      转子与定子摩擦又分为轻微摩擦和严重摩擦。轻微摩擦如:联轴器罩磨轴;严重摩擦如:电动机转子与定子接触。
转子在转动过程中与定子的摩擦会造成严重的设备故障。在摩擦过程中,转子刚度发生改变从而改变转子系统的固有频率,可能造成系统共振。碰磨时振幅突然增大;频谱成分较丰富,谱线密集,呈齿形分布,以1倍频及其高次谐波为主,时域波形有削顶现象:严重时出现大量的亚谐波,并伴随有噪音。而且摩擦会造成功耗上升和效率下降,同时局部会有温升,因此工艺参数对转子与定子摩擦的故障诊断非常重要。
1.7 转子支承部件松动的故障
     转子支承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、机组运行振动过大的一种故障。支承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防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。
常见的机械松动有3种:结构框架或底座松动、轴承座松动、轴承等部件配合松动。
1.7.1 结构框架或底座松动
     结构框架或底座松动主要包括以下几方面的故障:支脚、底板、水泥底座松动,强度不够;框架或底板变形;紧固螺丝松动等。
     由结构框架或底座松动引起振动的特征为:
     (1)类似不平衡或不对中,频谱主要以1倍频为主;
     (2)振动具有局部性,只表现在松动的转子上;
     (3)同轴承径向振动垂直,水平方向相位差0或180°;
     (4)底板连接处相邻结合面的振动相位相差180°;
     (5)如果轴承紧固是在轴向,也会引起类似不对中的轴向振动。
1.7.2 结构、轴承座晃动或开裂引起的松动
     结构、轴承座晃动或开裂引起的松动包括以下几方面的故障:结构或轴承座开裂、支承件长度不同引起的晃动;部件间隙出现少量偏差时(尚无碰撞);紧固螺丝松动等。
由于结构、轴承座晃动或开裂引起松动的振动特征:
    (1)主要以2倍频为特征(主要是径向2倍频超过基频的50%);
    (2)幅值有时不稳定;
    (3)振动只有伴随其他故障如不平衡或不对中时才有表现,此时要消除不平衡或不对中将很困难;
    (4)在间隙达到出现碰撞前,振动主要是基频和2倍频;出现碰撞后,振动将出现大量谐频。
1.7.3 轴承在轴承座内松动或部件配合松动
     轴承在轴承座内松动或部件配合松动包括以下几方面的故障:轴承在轴承座内松动;轴承内圈间隙大,轴承保持架在轴承盖内松动;轴承松动或与轴有相对转动等。
轴承在轴承座内松动或部件配合松动引起振动的特征:
    (1)常常出现大量的高倍频,有时l0倍、甚至20倍频,松动严重时还会出现半频及谐频成分;
    (2)半频及谐频往往随不平衡或不对中等故障出现;
    (3)振动具有方向性和局部性;
    (4)振动幅值变化较大,相位有时也不稳定。  
1.8 转轴横向裂纹的故障 ’
     转轴裂纹故障概率比其他故障小得多,但因能造成轴裂纹的因素有很多,如各种因素造成的应力集中、复杂的受力状态、恶劣的工作条件及环境等等,而且裂纹对振动的响应不够敏感,有可能发生断轴事故,因此危害是很大的。
横向轴裂纹的振动带有非线性性质,出现2倍、3倍等高倍分量,随着裂纹扩展,刚度进一步下降,l倍、2倍等频率幅值随之增大。
1.9 齿式联轴器卡死的故障
     一般情况下,齿式联轴器允许轴系存在一定的不对中,但不对中量超过联轴器许用位移或联轴器内零件润滑不当,联轴器便会处于卡死状态,使转轴之间变为刚性联接引起振动。

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