往复柱塞泵曲轴故障诊断方法研究

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【摘要】 柱塞泵是典型的往复机械。为了掌握往复式柱塞泵的工作状态，测取3S175系列柱塞泵正常工况和一些故障工况下液力端的振动信号，对其进行局域波时频处理后，得到了有价值的检测部件振动规律、一般特征以及故障特征，可用于往复柱塞泵液力端的故障诊断.

【关键词】 柱塞泵 故障诊断 局域波时频处理 液力端

1 引言

常见的柱塞式往复泵为高压往复泵，主要用于石油化工、水压机、高压清水机、水力切割机、矿山机械、轻工食品、油田注水、输油等一切需要输送高压液体的工业部门。其工作状态的健康与否直接影响着个生产链的效率和寿命，因而针对性的故障诊断研究一直是热点和难点[1]。

从结构上柱塞泵主要由液力端和动力端两部分组成.动力端的曲柄连杆机构带动液力端的活塞运动，活塞的往复运动改变缸套中的压力，从而使吸入阀和排出阀产生开关动作，实现从吸入阀吸入介质，实现机械能转化为内能的基本功能。

往复柱塞泵系统是一个带有大量不可知信息的复杂系统，其结构特征和监测振动信号强烈的非平稳性和非线性特征[1]，决定了常规振动监测和信号处理方法难以达到预期目标。利用振动进行往复机械设备故障诊断存在着两个难点[2，3]，其一，振动信号的准确获取；其二，往复机械故障模式的共性匹配。本文利用连续测试获取完整的振动信号，随后利用局域波时频处理方法处理故障时域信号，确定3S系列液力端不同故障状态的时频分布特征，最终实现故障诊断的目的。

曲轴是往复机械具备的较为广泛的核心零件，其优劣直接影响到往复机械的总体性能。曲轴工作载荷在周期性变化过程中冲击特征明显，且工况波动较大，致使曲轴常常出现疲劳破坏，严重时会导致曲轴断裂。因此，对于曲轴进行振动监测与故障分析意义重大。

三柱塞往复泵曲轴受力分析如图2所示。力系主要由轴承支撑力（5 F，6 F）、三个不同相位角的连杆-轴瓦作用力（3 F，4F）、带轮的扭力（1 F，2F）以及自身的重力构成。其中来自连杆轴瓦的作用力波动对曲轴的工况影响较大。分析振动能量传递动路径可知，振动烈度的变化可充分显示该部位受力状况，据此可为系统工况定性。

利用IOtech640系列振动测试系统对曲轴进行连续振动监测（图2为振动测试现场图），获取其完整的振动信息。

2.2 振动实测分析

针对曲轴轴承端径向进行振动监测，获得信号组图如图3所示。信号显示（a）为曲轴振动出现冲击特征，且300Hz频段出现能量集中；（b）显示冲击特征加剧（幅值达到了10G），而时频图中300Hz频率附近能量增大且更为集中；图（c）为机组停机检修后监测信号，振动强度减弱，冲击成分变得分散且300Hz频段能量消失。振动检测表明了轴系从出现故障、故障加剧、检修后正常的工作情况。

统计资料（表1）显示曲轴监测信号300Hz为该信号往复柱塞泵柱塞组件的故障特征频率，通过现场机组解体勘察发现柱塞拉伤，导致曲轴出现较大裂纹（图6），这与机组系统可视化分析结果相吻合。

3 结论

振动可视化动态处理分析有助于解决动设备系统中关键部件的全面振动分析。通过若干实测测点信息可以确定所需要的多个关键部位的振动信息，从而解决复杂机械系统故障诊断的信息量不足和分析不准确的问题，为故障精密诊断的实现奠定基础。利用可视化振动测试技术，以有限个振动监测点信息为输入量，获得多通道模拟采集振动信号分析结果，并以此为依据应用于往复机械系统中曲轴的振动检测与特征提取，完成系统故障源的智能识别。典型案例的试验研究过程证明了方法的可行性，为大型往复机械系统的可视化监测与精密故障诊断提供了借鉴价值。

参考文献

[1] 何正嘉，訾艳阳，孟庆丰，等.机械设备非平稳信号的故障诊断原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2001

[2] 徐敏，黄邵毅.设备故障诊断手册--机械设备状态检测和故障诊断[M].西安：西安交通大学出版社，1998

[3] 李力.机械信号处理及其应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2007

[4] 杨国安.机械设备故障诊断实用技术[M].北京：中国石化出版社，2007

[5] Dionysius M Siringoringo，Yozo Fujino.System identification of suspension bridge from ambient vibration response [J].Engineering Structures，2008，30（2）： 462-477