石油矿场往复机械的故障诊断

主要进行的工作 1. 石油矿场注水柱塞泵振动特征、故障特征与诊断方法的研究； 2. 石油机械监测诊断系统的研究开发。

柱塞泵振动特征、故障特征与诊断方法研究 柱塞泵运动学与动力学分析； 柱塞泵机组常见运行故障的调查分析； 柱塞泵机组振动特征的初步分析； 柱塞泵故障模拟台架试验与诊断方法的研究； 柱塞泵振动能量与频率分布特点及诊断方法的研究； 柱塞泵振动诊断标准的制定

石油机械监测诊断系统的研究开发 组成： 用途： SYBJ软件+ 采集器903G+微机 监测诊断石油厂矿旋转机械； 监测诊断石油厂矿往复机械； 监测齿轮、滚动轴承元件损伤

提 纲 往复机械故障诊断概述 往复运动的运动学、动力学分析 石油矿场往复机械故障诊断技术研究 BS系列监测诊断系统的研制 提 纲 往复机械故障诊断概述 往复运动的运动学、动力学分析 石油矿场往复机械故障诊断技术研究 常见运行故障调查分析 诊断技术研究 振动诊断标准的制定 BS系列监测诊断系统的研制

一、往复机械故障诊断概述 研究现状：远远落后于旋转机械的故障诊断 诊断方法：振动诊断, 铁谱分析, 油液分析, 温度监测 运动形式复杂，机械运动速度多变 各承力部件受力复杂 结构复杂，运动件多且形状复杂，又都载于机体内，信号难于直接测量 工况复杂，外载变化幅度大 信号复杂而且各部件运动信号相互干扰，故障特征信号难于提取 诊断方法：振动诊断, 铁谱分析, 油液分析, 温度监测

曲柄连杆机构几何运动关系

二、往复运动动力学分析 分析目的：确定往复机械振动的激励源 活塞位移： 活塞运动速度： 活塞运动加速度： x=r(1-cosα)+l(1-cosβ) =r[(1-cosα)+λ(1-cos2α)/4] （其中λ=r/l=sinβ/sinα，称为连杆长径比） 活塞运动速度： 活塞运动加速度： 曲柄连杆机构几何关系

曲柄连杆机构的运动惯性力： 旋转惯性力： 往复惯性力： mr—旋转总质量，包括曲轴产生的旋转运动质量和连杆大头转化来的旋转运动质量； ms—往复总质量，包括活塞组件的质量和连杆小头部分的转化质量； Fl1—一阶往复惯性力；Fl2—二阶往复惯性力；

三缸柱塞泵运动学、动力学分析算例： 柱塞—十字头和连杆的受力分析： 曲轴的受力分析： 计算结果 曲轴有关尺寸计算； 曲轴自重计算； 曲轴系统质心的确定； 曲柄偏心质量的求法； 往复运动质量的计算（柱塞、柱塞杆、十字头总成）； 连杆质量的确定； 连杆质心C和转动惯量Ic的计算； 皮带传动装置的几何尺寸及有关参数的计算 计算结果

F3x F3y -F3x -F3y -F1x -F1y F F2x F2y m2g m3g F1y F1x 柱塞——十字头和连杆的受力分析

F5x F5y F6x F6y F2 F1 mqg mcg 曲轴 曲轴受力简图

扰力图 泵体所受扰力图

1#缸十字头对导板的摩擦反力和正压力

-F6y-Φ(单位：N) 曲轴主轴承所受的支承反力

柱塞泵常见运行故障调查 调查对象：三缸注水柱塞泵

调查单位： 胜利油田东辛、现河、滨南采油厂 华北油田第一采油厂，第二石油机械厂

常见运行故障： 电机：烧坏；轴承损坏 传动元件：烧皮带；齿轮损坏 泵动力端： 曲轴主轴承损坏，噪声大，振动异常 曲轴轴向窜动量大，振动过大 连杆大头轴瓦螺钉松动，瓦盖飞起，连杆大头打坏泵壳 连杆大头轴瓦—轴径间隙过大，轴径磨损，振动大 连杆大头轴瓦烧死，导致连杆折断 十字头导板拉伤，过度磨损，烧坏 曲轴端部漏油

常见运行故障： 泵液力端 进排液管道振动大 阀片寿命短，尤其是排出阀片； 阀杆丝扣松，打坏阀； 泵阀弹簧折断； 泵头阀座刺坏； 柱塞拉伤；磨损快；连接卡子松动，振动大； 柱塞密封泄露严重 进排液管道振动大

确定监测方案： 整机振动状况的监测； 电机振动监测； 连杆大头轴瓦间隙过大的振动监测； 曲轴轴向窜动的监测； 泵阀组件失效的监测； 柱塞、缸套处的振动监测； 滚动轴承的监测诊断（泵曲轴、电机）； 齿轮损伤的监测； 与底座连接松动的监测。

三缸柱塞泵诊断技术研究 柱塞泵振动特征的初步分析 故障模拟试验研究 柱塞泵振动频率分布特点与诊断方法研究

柱塞泵振动特征的初步分析 确定测点布置方案

振动特征的初步研究 1. 泵头 测点：1H、2H、3H 4V、5V、6V 频率分布：0—60Hz 80—350Hz

振动特征的初步研究 2.泵体 （1）垂向 测点： 7V、8V、9V 频率分布： 0—60Hz 80—350Hz 600—800Hz （2）横向 测点： 11H 频率分布：0—60Hz

振动特征的初步研究 3. 柱塞缸套 测点： 12V、13V、14V 频率分布： 0—60Hz 400—500Hz 600—800Hz

振动特征的初步研究 4. 泵动力端 （1）测点： 10V 频率分布： 0—60Hz 400—500Hz （2）曲轴径向振动 测点: 15H, 18H, 16V, 19V 频率分布：0—60Hz 400—550Hz 600—800Hz （3）曲轴轴向振动 测点: 17A 频率分布：25Hz

初步分析 1. 测点方案 2. 测量参数与取值范围 3. 振动能量与频率分布 柱塞式注水泵振动能量和频率分布于四个特征频段：0—60Hz低频段； 80—350Hz中低频段； 400—500Hz中频段；600—800Hz高频段。 柱塞泵不同部位测点，其振动能量在各频段分布不同，可依次监测泵有关部位的振动水平和工况。

测量参数和分析频率取值范围 1. 测量参数 2. 分析频率取值范围 测加速度：7V、8V、9V、10V、12V、13V、14V 测位移：17A 测速度：其余测点 2. 分析频率取值范围 500Hz：1H、2H、3H、17A 1000Hz：其余测点

故障模拟试验研究 试验目的：研究故障振动特征与诊断方法 试验对象：往复式三缸注水泵3H-8/450 试验内容： （1）基准试验； （2）泵阀组件人造故障试验； （3）柱塞缸套组件故障试验； （4）加大连杆大头轴瓦间隙试验； （5）曲轴主轴承加大轴向安装间隙； （6）曲轴主轴承人造故障试验

（一）泵阀组件人造故障试验 故障描述： 阀片失效 泵阀组件

试验目的： 试验测试： 将折断的外弹簧分别放入1#、2#和3#缸测试 模拟阀片因磨损使密封失效； 模拟实际工作中外弹簧折断 将切槽的阀片分别放入1#、2#和3#缸测试 试验分析： 选取泵头处测点1H，2H，3H，4V，5V和6V进行功率谱分析

泵阀组件故障的功率谱分析

几点认识： 1. 泵头和液缸（泵阀组件处）部位的振动能量集中于0—50Hz范围内； 2. 阀片故障：H向、V向测点的主振动频率降低，振动能量下降； 3. 外弹簧折断：H向测点主振动频率值下降，能量降低，V向测点主振动频率未变，但振动能量下降； 4. 阀片故障时，泵的排出压力波动明显(25，23—28)

（二）柱塞缸套组件故障试验 故障描述： 测试分析： 在1#缸，用一根有纵向划痕、锈蚀的旧柱塞代替正常的柱塞 选择测点：1H—6V，14V—16V

几点认识： 内燃机柱塞缸套磨损的模拟试验 柱塞缸套处有故障时： 对应的H向测点的振动幅值增大，主振动频率峰值增大； 特征频断窗内功率增大； 泵头处V向测点对该故障不敏感。 内燃机柱塞缸套磨损的模拟试验

小间隙 正常间隙 过大间隙 磨损 《武汉水运工程学院学报》 1985，2

（三）曲轴——连杆轴瓦间隙加大试验 试验目的：模拟连杆大头轴瓦间隙在泵运行过程中逐渐加大 试验测试： 正常： δ=0.165mm，P=24.5MPa 加大1：δ=0.35mm，P=24.5MPa 加大2：δ=0.50mm，P=24.5MPa 分析： 选择测点: 曲轴上方泵体测点：11V，12V，13V 曲轴轴承座处测点：17H，18V，20H，21V 分析方法： 时间历程振动幅值变化 功率谱图特征频段内振动能量变化 频率成分和相应谱峰值变化

测点12V的讨论： （1）时序曲线振动幅值变化

（2）特征频段内振动能量变化 δ=0.50mm δ=0.50mm 12V的功率谱图

（3）特征频段内频率成分/谱峰值变化

几点认识： 内燃机连杆小头铜套磨损模拟试验 （1）测点12V对曲轴—连杆轴瓦间隙变化很敏感，是监测这一变化的特征测点； （2）测点12V时序曲线振动峰值随间隙加大而加大，等效峰值a可以作为时域监测指标，最大峰值可以作为时域辅助监测指标； （3）测点12V振动能量集中于中频段（380-580Hz），该频段是反映连杆大头轴瓦间隙的特征频段。 内燃机连杆小头铜套磨损模拟试验

δ=0.026mm δ=0.055mm δ=0.11mm 铜套间隙不同时的谱图 《武汉水运工程学院学报》 1985，2

（四）曲轴主轴承加大轴向安装间隙 试验目的：研究曲轴轴向窜动量过大的特征信号 试验测试： 正常： δ=0.27mm，P=25MPa 认识： 曲轴主轴承轴向间隙变化的监测指标

分析： 选择测点: 19A 时域分析

频域分析 δ=0.27mm 5.0Hz--309.6 17.5Hz-694.3 窗内功率：4994 δ=0.57mm 窗内功率：6835

曲轴主轴承轴向间隙变化监测指标 1.测点19A轴向振动位移； 2.测点19A功率谱图0—60Hz窗内功率

（五）曲轴主轴承人造故障试验 故障描述：轴承外圈内侧有轴向浅槽 振动测试：分别以速度和高频加速度为测量参数测17H和18V的振动信号

分析： 1、时域分析：（比较故障前后振动幅值变化）

2. 频域分析 （1）测速度 17.5Hz--0.936 25Hz----0.829 17.5Hz--1.008 25Hz----1.810

（2）测高频加速度 滚动轴承外圈有损伤时，故障特征频率 故计算得f0=38.8Hz 17H外圈损伤时的功率谱

认识： 主轴承座处水平方向测点对轴承故障更敏感，应作为主要监测点； 测振动速度：功率谱的谱峰值可以作为监测指标， Vrms可以作为辅助监测指标； 测高频加速度：时域峰值可作为监测指标，功率谱分析可以确定滚动轴承元件损伤。

振动频率分布特点与诊断方法研究 振动能量与频率分布特点 主要监测诊断方法 油田现场诊断实例 频率分布特点

振动能量与频率分布特点—四个特征频段 （1）0-60Hz低频段 泵头和主轴承 处的振动最为明显， 表征泵的整体振级 水平

振动能量与频率分布特点—四个特征频段 （2）80-350Hz中低频段 泵头处振动的部 分能量集中于此频段， 表征泵阀组件工况； 十字头上方测点的 部分振动能量集中于 此频段，表征连杆和 十字头处状况

振动能量与频率分布特点—四个特征频段 （3）400-550Hz中频段 曲轴上方测点振 动能量集中于此频段， 表征曲柄连杆轴承和 机构的振动水平；

振动能量与频率分布特点—四个特征频段 （4）600-900Hz高频段 柱塞-缸套处测点 有相当的振动能量集 中于此频段，可以表 征柱塞缸套组件的振 动水平；

柱塞泵监测诊断方法——能量法 （1）监测各特征测点时序曲线的有效值的变化，即 各测点总振级水平及其变化； （2）按特征频段建立频段报警窗，监测窗内功率值 的变化并报警，以诊断该特征频段表征的部位或 机件是否有故障； （3）监测各测点振动总功率的变化，预测发展趋势， 以诊断泵整体振动状况和有关部位是否有故障； （4）测试时应同时采集泵组的运行参数。

诊断实例 华北油田第一采油厂雁二站1#泵（3H-8/450） （1）柱塞缸套磨损（1H） 修理前 25Hz——8.95mm/s 修理后

诊断实例 （1）柱塞缸套磨损（13V） 1 2 3 4 5 6 修理前 1.6 12.1 18.5 21.5 20.1 19.8 修理后 1.0 3.9 3.9 0.1 9.3 3.3

诊断实例 （2）曲轴轴向窜动（17A） 修理前 峰值：35um 修理后 峰值：15.1um

诊断实例 华北油田第一采油厂南马庄站1#泵（3H-8/450） （3）电机机座松动（23V） 修理前 峰值：6.2mm/s 修理后

研究制定振动监测判断标准 —《柱塞泵振动监测与评价方法》 数据来源 一台新泵的台架试验和六台注水泵的现场测试数据； 制定方法 根据统计学的基本原理；

1. 确定测点布置方案

2. 一台新泵台架试验，求七种泵压下各测点拟合峰值 表1 新泵台架试验各测点拟合峰值与泵压关系

3. 现场六台泵组试验测试，求各测点振动统计均值 （1）六座注水站各选一台3H-8/450注水泵，历时一年测试 表2 现场试验泵组泵压工况与测试次数

（3）拟合各测点振幅泵压数据，求y-P拟合方程 （4）按拟合方程，计算各测点统计均值 （2）现场试验泵组测试数据统计处理 （3）拟合各测点振幅泵压数据，求y-P拟合方程 （4）按拟合方程，计算各测点统计均值 表3 现场试验各测点统计均值与泵压关系

4. 依据 和 ，求出各测点综合统计均值yZ，作为基准峰值

5. 依据yZ ，计算各测点警限值ya，单测点峰值统计法： ya= ys +p0 • ys=(1+p0)ys ys=yZ+N • 取12种泵压工况，制成警限值表，供用户查用

注水柱塞泵个测点警限值ya

6. 绘制各测点警限值ya随泵压变化的线图，供用户查用 yz

为用户提供了各个测点随泵压变化的警 限值表和警限线图，为制定其他往复机 械的振动监测标准提供了参考。

研究开发 《石油机械监测诊断系统BS-3》 组成：903G+SYBJ软件+微机 分析方法：多种时域、频域分析方法 时域分析：振动烈度、概率密度、概率分布，自相关，多种统计量（均值、方差、变异系数、峰态系数等） 频域分析：幅值谱、功率谱、频带谱、瀑布谱 时频域分析：倒频谱 轴承故障频率：计算滚动轴承故障特征频率

时域诊断： 设立警限： 建库设定、单测点峰值统计、柱塞泵统计警限 机组最新监测幅值诊断 单测点多次监测数据诊断 单测点数据图形诊断 单测点幅值趋势

频域诊断 泵效诊断：计算离心泵泵效 齿轮、轴承监测诊断：共振解调法 报表：管理九种报表 建立六频段警窗 频域诊断： 机组六频段峰值/功率诊断 频域诊断： 机组六频段峰值/功率诊断 单点六频段图形诊断 单点六频段峰值/功率趋势诊断 单点频域总功率趋势诊断 泵效诊断：计算离心泵泵效 齿轮、轴承监测诊断：共振解调法 报表：管理九种报表