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真空设备/泵 |
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三缸泵泵阀故障的幅值域多参数诊断法 |
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作者：石油大学 杨其俊 徐长航 孙辉 李继志 |
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摘要：采用振动信号幅值域多参数(如峭度指标、裕度指标和脉冲指标等)诊断法,可较准确地判别三缸泵泵阀的故障。通过对测取的三缸泵阀箱上泵阀关闭过程振动加速度信号的幅值域多参数的统计分析证明，采用振动信号幅值域多参数诊断法可有效提取泵阀失效故障的特征信息，且故障信息特征非常明显。由于仅用较少的几个参数就可完成对泵阀状态较准确的描述，大大简化了泵阀故障特征的提取。可见这种诊断法具有简单实用、所用特征参数少和易于建立泵阀故障诊断系统数据库等优点。
主题词：往复泵；泵阀；故障诊断；信息提取；特征
振动信号分析是机械设备工况监测与故障诊断的重要手段。三缸往复泵是广泛应用于钻井、注水和压裂等工艺中的重要设备［1］。开展往复泵工况监测与故障诊断研究，对实现设备的预知性维修，节约维修费用和降低维修难度等具有重要的实际意义。往复泵泵阀是液力端关键部件，工作环境恶劣，极易损坏。泵结构较复杂，激振源类型多，振动信号中既有各种随机振动成分，又有泵阀关闭、机构不平衡等惯性载荷冲击等造成的瞬态激励响应，故对泵阀状态的监测存在较大难度。若直接对连续采集的阀箱上的振动信号进行频谱分析，因得到的是整个测量时间平均特性的描述，所得故障信息往往不太明显，所以无法对泵阀的故障进行精确定位。采用触发采集泵阀关闭激起阀箱上的响应，然后进行频谱分析，可较准确地判别泵阀的故障［2］。振动信号的幅值域多参数诊断法，如峭度指标、裕度指标和脉冲指标等，对冲击脉冲类信号具有很强的识别能力。若用这种方法有效提取泵阀失效的故障特征，无疑会为建立简单、实用的往复泵泵阀故障诊断系统打下良好的基础。笔者对此进行了探索。
常用幅值域诊断参数
在信号幅值上所作的各种处理称为幅值域分析。因有量纲的幅值域诊断参数随载荷和转速的变化很大，在实际中难以应用。常用无量纲的幅值域诊断参数进行故障特征的提取［3］，若信号Xs(t)采样所得的一组离散数据为 x1，x2，…，xN，则其幅值域诊断参数可表示为：
波形指标
式中 Xrms --信号（离散数据）的均方根值，对离散数据，
|X||――信号的平均幅值（绝对均值），对离散数据，
峰值指标
式中 Xmax--信号（离散数据）中的最大值。
脉冲指标 (3)
裕度指标 (4)
式中 Xr--信号（离散数据）的方根幅值，对离散数据，
峭度指标
式中 β――峭度，对离散数据，
上述5项指标除波形指标外，其他4项对冲击脉冲类故障比较敏感。
由往复泵的工作原理知［1］，泵工作过程中泵阀失效(如密封橡胶圈的疲劳蚀落或弹簧的疲劳断裂等)，关闭泵阀会对阀座形成较大的冲击，从而造成阀箱上较大的瞬态冲击响应，因此这类故障适于用峭度指标、裕度指标、脉冲指标和峰值指标等进行识别。
试验设备及信号采集
试验用NB―250/6三缸单作用泵，泵的测点布置如图1a所示，试验及信号采集原理如图1b所示。其中，测点1处安装电涡流传感器，测点2～7处安装压电加速度计。试验用电涡流位移传感器产生的位置信号确定往复泵泵阀关闭的相位关系，然后同时采集该位置传感器产生的电压信号及各泵阀阀箱上的振动加速度信号。
往复泵是容积式泵，工作过程中泵阀的关闭与活塞的位置有关，因此可用测点1的电涡流传感器准确测量左缸活塞运动靠近动力端死点的位置，然后根据三缸泵工作原理及泵阀的关闭规律［1］，找出任一泵阀关闭的位置。笔者先用数据采集软件的大容量采集功能，连续不断地采集反映左缸活塞位置的电压信号和往复泵各阀箱上的振动加速度信号。根据泵阀的开关规律，自编了可捕捉任一泵阀关闭时段信号的软件程序，可分段截取欲诊断泵阀关闭时段（泵阀关闭前后一段时间）的信号，然后用上述幅值域参数进行诊断与分析。 
a.泵的测点位置 b.试验与信号采集原理
图1 试验设备与信号采集原理
结果及分析
泵阀关闭对阀座的冲击响应为宽频响应，故信号采集时，采样频率选为12.8kHz。为防止发生频率混淆，研究中又滤掉5 kHz以上的高频成分，每次截取泵阀关闭时段的数据点数为1024。
1.正常状态下泵阀的振动及幅值域参数分析
图2和图3分别是泵冲次为120min-1与排出压力为3MPa时，截取的中间排出阀和左吸入阀关闭时段的振动加速度曲线。由图2和图3可知，正常状态下，泵阀关闭仍会对阀座产生一定的冲击，且冲击具有一定的随机性。 
图2 中间排出阀阀箱上的振动 图3 左吸入阀阀箱上的振动
表1列出了泵定冲次（冲次为120min-1）变压力条件下，截取的中间排出阀关闭时段的振动加速度信号有效值，以及峭度指标、裕度指标、脉冲指标和峰值指标多次平均后的计算结果。表1列出了泵定冲次（冲次为120min-1）变压力条件下，截取的中间排出阀关闭时段的振动加速度信号有效值，以及峭度指标、裕度指标、脉冲指标和峰值指标多次平均后的计算结果。表1 中间排出阀关闭时段幅值域参数值
 表2给出了泵定压力（泵排出压力为3MPa）变冲次条件下，截取的中间排出阀关闭时段的阀箱处振动加速度信号有效值及峭度指标、裕度指标、脉冲指标和峰值指标的多次平均后的计算结果。表2 中间排出阀关闭时段幅值域参数值
 由以上结果的分析对比可知，泵的冲次或压力的增大，不仅使泵阀关闭时段的振动加速度信号有效值有较大的增加，也使其它4个无量纲参数有较大的增加。这不同于普通的旋转机械。正常状态下，旋转机械运行过程中一般无冲击载荷，所以其振动信号的无量纲幅值域参数，如峭度指标、裕度指标、脉冲指标和峰值指标等，基本不随工况(载荷及转速)变化。往复泵的工作特点决定了上述无量纲幅值域参数随泵工况有较大的变化，因为随着泵的冲次、压力的增大，泵阀关闭对阀座冲击增加，阀箱上的瞬态响应更大，峭度指标、裕度指标、脉冲指标和峰值指标值也增加。
2.泵阀故障分析与幅值域诊断
图4和图5分别是泵冲次为120min-1，排出压力为3MPa，中间排出阀密封胶圈完全疲劳蚀落，左吸入阀密封胶圈部分疲劳蚀落时，截取的中间排出阀和左吸入阀关闭时段各自阀箱上的振动加速度曲线。通过将图4和图5与图2和图3对比可知，由于泵阀故障，泵阀关闭对阀箱的冲击响应明显增加。
图4 中间排出阀密封胶圈完全疲劳蚀落时阀箱上的振动加速度曲线
图5 左吸入阀密封胶蚀落时阀箱上的振动加速度曲线
表3给出了相同工况（压力3MPa，冲次为120min-1）下，中间排出阀在正常状态、弹簧疲劳断裂及密封胶圈完全疲劳蚀落时，阀关闭时段阀箱上的振动加速度有效值，以及峭度指标、裕度指标、脉冲指标和峰值指标多次平均后的计算值。表3 中间排出阀正常与故障状态数据对比
 由表中数值对比可知，泵阀有故障时，泵阀关闭时段阀箱上的振动有效值及峭度指标、裕度指标、脉冲指标和峰值指标值都增加，而以峭度指标、裕度指标、脉冲指标增加更为显著，故障特征突出。
表4给出了相同工况(压力3MPa，冲次为120min-1)下，左吸入阀在正常状态和弹簧疲劳断裂、密封胶圈部分疲劳蚀落及完全蚀落状态下，阀关闭时段阀箱上振动加速度的有效值，以及峭度指标、裕度指标、脉冲指标和峰值指标多次平均后的计算值。由表4可知，左吸入阀泵阀有故障时，其关闭时段的振动有效值，以及峭度指标、裕度指标、脉冲指标和峰值指标值都增加，以峭度指标、裕度指标和脉冲指标增加更为显著，故障特征也非常突出。表4 左吸入阀正常与故障状态数据对比
 综上所述，通过对泵阀关闭时段幅值域多参数的统计分析，可有效提取往复泵泵阀失效的特征信息。故障信息特征非常明显，克服了对阀箱上振动信号连续采集和直接进行分析得不出明显故障特征及无法对某一泵阀故障进行准确定位的缺点。经反复检验证实，该方法可较好地完成泵阀故障特征的提取，具有很高的诊断准确率，即使是在泵阀故障初期，如泵阀密封胶圈部分蚀落时，也能准确提取。
结 论
泵阀故障特征提取是进行泵阀故障识别的关键。笔者探索了利用幅值域多参数法进行泵阀故障特征的提取，取得了良好的诊断效果。由于仅用较少的几个参数就可完成对泵阀状态较为准确的描述，大大简化了泵阀故障特征的提取。用该方法建立的泵阀故障诊断系统，具有设备简单、所用特征参数少和易建立泵阀故障诊断数据库等优点。因此，幅值域无量纲多参数诊断法是往复泵的状态监测和现场诊断简单易行且非常实用的方法。
杨其俊，副教授，生于1962年，1984年毕业于东北重型机械学院，1994年获燕山大学工学博士学位，现从事机械工况监测与故障诊断等方面的科研和教学工作。地址：(257062)山东省东营市。电话：(0546)8392376(办)或8393077(宅)。
作者单位:.华东
参考文献
[1] 万邦烈，李继志.石油矿场水力机械.北京：石油工业出版社，1990：51～63
[2] 杨其俊，裴峻峰，田佳禾.钻井泵泵阀状态的监测与故障诊断.石油大学学报（自然科学版），1998，22（3）：60～62
[3] 韩 捷，张瑞林.旋转机械故障机理及诊断技术.北京：机械工业出版社，1997：35～37(end)
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(12/1/2004) |
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