綜合性實(shí)驗(yàn) 離心泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)一 目的要求1 了解離心泵噪聲的基本參數(shù)2 掌握離心泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成3 了解和分析離心泵噪聲所表征的離心泵狀態(tài)。二 實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備、工具及材料名 稱型 號(hào) 或 規(guī) 格數(shù) 量備 注離心泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)CEA-031計(jì)算機(jī)1具有AC97聲卡基于聲卡的離心泵噪聲采集與分析軟件包1自主研發(fā)三 實(shí)驗(yàn)原理和設(shè)計(jì)現(xiàn)代過(guò)程工業(yè)中，離心泵是應(yīng)用廣泛的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，為避免泵帶病運(yùn)行和突然停泵造成的各種損失，需對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；同時(shí)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用。但是，離心泵的數(shù)量眾多和監(jiān)測(cè)裝置價(jià)格高昂，使得企業(yè)只能采用定期或不定期抽檢，對(duì)于絕大多數(shù)資金短缺的中小企業(yè)而言，泵的狀態(tài)監(jiān)測(cè)還在依靠人工和經(jīng)驗(yàn)。隨著中小企業(yè)信息化的普遍興起，企業(yè)不僅需要泵的狀態(tài)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化，還要數(shù)字化，更希望低成本和高準(zhǔn)確度。1 典型實(shí)驗(yàn)方案基于聲卡的離心泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)符合應(yīng)用需求，特別是對(duì)于西部地區(qū)中小企業(yè)，具有一定的推廣和實(shí)用價(jià)值。離心泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)涉及監(jiān)測(cè)方法與應(yīng)用效果的選擇，如振動(dòng)、SPM(沖擊脈沖測(cè)量)、聲音、聲發(fā)射、超聲波、溫度、扭矩、應(yīng)變、壓力、流量和電力監(jiān)測(cè)等內(nèi)容。振動(dòng)理論和大量實(shí)踐表明，當(dāng)機(jī)械內(nèi)部發(fā)生異常時(shí)，一般都會(huì)以振動(dòng)變化的形式表現(xiàn)出來(lái)，并且每種機(jī)械故障都有其特定的振動(dòng)特征，每種振動(dòng)變化都相對(duì)應(yīng)著各自噪聲的頻率和功率的變化，信號(hào)波形突變點(diǎn)往往包含反映設(shè)備狀態(tài)的重要信息，通過(guò)傳感器把這些信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或其他物理量信號(hào)，送入信號(hào)處理系統(tǒng)中進(jìn)行處理后，得到反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的特征參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè).同時(shí)也可以分析出設(shè)備的故障。資料表明：離心泵噪聲監(jiān)測(cè)可以確定離心泵運(yùn)行狀態(tài)多個(gè)狀態(tài)參數(shù)，適用于構(gòu)建工廠內(nèi)一臺(tái)或多臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷的周期巡檢系統(tǒng)（圖1）。圖1基于聲卡的離心泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖傳感變送采集卡（聲卡）數(shù)據(jù)整理與分析顯示數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存檔決策建議報(bào)表打印計(jì)算機(jī)軟件儀表系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，首先以離心泵振動(dòng)與噪聲監(jiān)測(cè)為入手點(diǎn)，對(duì)于振動(dòng)噪聲監(jiān)測(cè)，可以采用聲音傳感器，如：高靈敏度駐極體話筒（咪頭），直接焊接到音頻電纜或屏蔽電纜，音頻電纜或屏蔽電纜的另一頭焊接到聲卡的通用接頭即可（圖2）。圖2聲音傳感器駐極體話筒（咪頭）屏蔽電纜聲卡接頭 平時(shí)把采集的各種離心泵在不同工況下的波形、功率譜和頻率建立數(shù)據(jù)庫(kù)存檔。將來(lái)在巡檢過(guò)程中，可將采集的波形、功率譜和聲音頻率和數(shù)據(jù)庫(kù)中的存檔內(nèi)容進(jìn)行比較，即可獲知離心泵是否處于正常工況，若在非正常工況下也能立即知道故障的原因。2 利用PC聲卡實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成品數(shù)據(jù)采集卡雖擁有完整的數(shù)據(jù)采集電路和與計(jì)算機(jī)的接口電路，但價(jià)格比較昂貴；隨著DSP(數(shù)字信號(hào)處理)技術(shù)走向成熟，PC聲卡成為了一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。PC聲卡同時(shí)具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，價(jià)格低廉，兼容性好、性能穩(wěn)定、靈活通用、驅(qū)動(dòng)程序升級(jí)方便，并已成為PC機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配件。新一代的聲卡采用PCI總線技術(shù)，解決了與系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的瓶頸問(wèn)題，能充分發(fā)揮DSP芯片的性能；使用DMA(直接內(nèi)存讀取)方式傳送數(shù)據(jù)，CPU占用率極低；一般采用16位的A/D轉(zhuǎn)換精度，比通常12位A/D卡的精度高，對(duì)于許多工程應(yīng)用和科學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)性價(jià)比已較高了。對(duì)于振動(dòng)噪聲監(jiān)測(cè)，傳感器將模擬信號(hào)接入PC聲卡即可。標(biāo)準(zhǔn)聲卡上通常有兩路Microphone模擬信號(hào)輸入，兩路線路輸入模擬信號(hào)，在Midi/Game Port接口上也有兩路模擬信號(hào)輸入和八路數(shù)字信號(hào)輸入。輸入的振動(dòng)噪聲模擬信號(hào)最為簡(jiǎn)單的接入方式就是通過(guò)Microphone模擬信號(hào)輸入端口（噪聲較大）或Line In端口（噪聲較?。┙尤氲铰暱ǎ陕暱▋?nèi)部A/D系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換。3 噪聲數(shù)據(jù)采集和譜分析進(jìn)行系統(tǒng)連線后，進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)采集，用戶界面見(jiàn)圖3，采集軟件可用LabVIEW7.0構(gòu)建。圖3 噪聲數(shù)據(jù)采集和譜分析預(yù)覽部分的用戶界面在測(cè)聲計(jì)算機(jī)軟件中，重點(diǎn)關(guān)注各類頻率的出現(xiàn)峰值，特別是基頻和倍頻關(guān)系以及各主要頻率的振幅，是噪聲表征故障的主要方法。4 離心泵的常見(jiàn)故障及噪聲表現(xiàn)形式（1）電動(dòng)機(jī)橇座支撐不穩(wěn)固圖譜表現(xiàn)形式：有時(shí)頻譜圖上可能出現(xiàn)主導(dǎo)頻率是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻率的0.5倍頻或3倍頻的譜線，振幅大于11.2 mm/s。這也是松動(dòng)的特征，需要檢查電動(dòng)機(jī)地腳螺栓松緊程度以及地腳、支撐槽鋼等是否穩(wěn)固。（2）兩膠帶輪偏斜圖譜表現(xiàn)形式：電動(dòng)機(jī)和離心泵的兩個(gè)膠帶輪出現(xiàn)偏斜，是出現(xiàn)頻次較多的一種故障，主導(dǎo)頻率是單根膠帶頻率的4、6、7、8倍頻，頻譜圖上顯示的膠帶頻率可能比計(jì)算的頻率稍低，這是受膠帶滑差率的影響。有時(shí)是某一倍頻的膠帶頻率占主導(dǎo)，或許會(huì)伴隨一些其它倍頻的膠帶頻率。（3）曲軸軸向竄動(dòng)量過(guò)大圖譜表現(xiàn)形式：主要是曲軸轉(zhuǎn)速的4倍頻，因此，在泵上測(cè)得主導(dǎo)頻率是4倍頻，并且振幅較大時(shí)，往往對(duì)應(yīng)泵曲軸兩端軸承軸向間隙過(guò)大的故障。這種故障出現(xiàn)多次，由于泵振動(dòng)劇烈，與之連接的高壓管線也隨之振動(dòng)，危害甚大。如果在電動(dòng)機(jī)和離心泵的頻譜上，主導(dǎo)頻率是膠帶的振動(dòng)頻率，電動(dòng)機(jī)的振幅在正常范圍內(nèi)，而泵的振幅過(guò)高，超過(guò)11.2mm/s。這種情況不是膠帶輪的偏斜故障，而是大膠帶輪軸向擺動(dòng)引起的。（4）曲軸軸瓦間隙偏大圖譜表現(xiàn)形式：曲軸軸瓦磨損導(dǎo)致間隙增大，在頻譜上主要出現(xiàn)曲軸轉(zhuǎn)頻的3、4、5、6、7倍頻，有時(shí)3倍頻是主導(dǎo)頻率，有時(shí)5倍頻是主導(dǎo)頻率，其它倍頻分量的幅值一般比較低?？梢酝ㄟ^(guò)比較個(gè)測(cè)點(diǎn)振幅及主導(dǎo)頻率幅值確定哪個(gè)軸瓦間隙大。由于泵的質(zhì)量大，振幅一般在7.111.2 mm/s之間，不會(huì)太大。（5）電動(dòng)機(jī)軸承損壞圖譜表現(xiàn)形式：電動(dòng)機(jī)軸承的測(cè)試與診斷，采用峰值能量gSE技術(shù)，準(zhǔn)確可靠。軸承的故障共頻率可根據(jù)其外圈、內(nèi)圈、滾子直徑、滾子數(shù)目和轉(zhuǎn)速計(jì)算出。內(nèi)圈故障頻率： fi=（D+dcos）/2D×nfr外圈故障頻率： fo=（D-dcos）/2D×nfr滾子故障頻率： fb=（D2-d2cos2）/2D/d×fr保持架故障頻率：fc=（D-dcos）/2D×fr上式中，D為軸承節(jié)徑，d為滾子直徑，為接觸角，n為滾子數(shù)目，fr是轉(zhuǎn)子頻率，Hz。電動(dòng)機(jī)軸承外圈的故障頻率及其倍頻，表明軸承的外圈出現(xiàn)了故障。（6）泵軸承的故障圖譜表現(xiàn)形式：可利用下面的經(jīng)驗(yàn)公式估算軸承的故障頻率內(nèi)圈故障頻率： fi=（n/2+1.2）×fr外圈故障頻率： fo=（n/2-1.2）×fr滾子故障頻率： fb=1/2×（n/2-1.2/n）fr保持架故障頻率：fc=（1/2-1.2/n）fr（7）閥的故障圖譜表現(xiàn)形式：主要是離心泵的轉(zhuǎn)頻及其倍頻，譜線幅值從低頻到高頻逐漸降低（排液閥損壞嚴(yán)重時(shí)，其聲音可用起子搭在耳朵上聽(tīng)出，圖譜表現(xiàn)不規(guī)則噪聲）。（8）安裝不對(duì)中圖譜表現(xiàn)形式：徑向振動(dòng)大，有穩(wěn)定的基頻、2倍頻、3倍頻，尤其是2倍頻成分超過(guò)其它的成分，高次諧波成分少，軸向振動(dòng)大，時(shí)域波形為穩(wěn)定的周期波形。（9）機(jī)械松動(dòng)圖譜表現(xiàn)形式：徑向（特別是垂直方向）振動(dòng)大，除基頻成分以外，還有很大的倍頻成分，軸向振動(dòng)小，時(shí)域波形有不穩(wěn)定的非周期信號(hào)。5 離心泵的常見(jiàn)故障概率統(tǒng)計(jì)學(xué)參考表1 離心泵的常見(jiàn)故障出現(xiàn)概率故障原因出現(xiàn)頻率備注軸承磨損40%外環(huán)、內(nèi)環(huán)不對(duì)中22.5%不平衡12.5%機(jī)械松動(dòng)10%竄軸10%基礎(chǔ)松動(dòng)5%底座四 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1. 準(zhǔn)備：依照原理圖，連接測(cè)試實(shí)驗(yàn)線路。2. 步驟：(1) 打開(kāi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。(2) 打開(kāi)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)軟件，啟動(dòng)離心泵。(3) 按下按鈕（或松開(kāi)按鈕）時(shí)，將在顯示窗口得到各種頻率及其幅值關(guān)系。(4) 截取和記錄輸出波形，并記錄于附表。(5) 改變泵的操作狀態(tài)，重新觀測(cè)曲線，并將結(jié)果記于附表。3. 分析：按照觀測(cè)幅頻關(guān)系，以及常見(jiàn)故障及噪聲表現(xiàn)形式分析實(shí)驗(yàn)用泵的工作狀態(tài)。五 預(yù)習(xí)要求1. 按裝置及儀器使用說(shuō)明書(shū)明確裝置及儀器各部件的作用和使用方法。2. 估計(jì)實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的故障及檢查排除的方法。3. 預(yù)習(xí)報(bào)告：提交原理、連線方法、實(shí)驗(yàn)步驟文本，數(shù)據(jù)記錄單。六 結(jié)論與思考；1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是基于怎樣的思想構(gòu)建的？2 離心泵的噪聲是如何體現(xiàn)其工作狀態(tài)的？3 怎樣進(jìn)行系統(tǒng)的校正？七 實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告報(bào)告內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)方案的理論依據(jù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)定的方法，原始數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理結(jié)果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論。1 實(shí)驗(yàn)前選定兩臺(tái)離心泵，記下泵型號(hào)。2 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)記錄。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、討論和建議。八 附錄1 實(shí)驗(yàn)記錄表格（供參考）泵型號(hào)狀態(tài)監(jiān)測(cè)圖譜狀態(tài)分析2 注意事項(xiàng)