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石油矿场往复机械的故障诊断
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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。
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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
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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
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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
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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
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曲柄连杆机构几何运动关系
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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
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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；
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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
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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
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F5x F5y F6x F6y F2 F1 mqg mcg 曲轴 曲轴受力简图
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扰力图 泵体所受扰力图
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1#缸十字头对导板的摩擦反力和正压力
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-F6y-Φ(单位：N) 曲轴主轴承所受的支承反力
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柱塞泵常见运行故障调查 调查对象：三缸注水柱塞泵
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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
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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
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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
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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。
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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
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柱塞泵振动特征的初步分析 确定测点布置方案
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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
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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
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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
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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
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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。
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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
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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
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（一）泵阀组件人造故障试验 故障描述： 阀片失效 泵阀组件
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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
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泵阀组件故障的功率谱分析
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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)
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（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
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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
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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
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（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
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测点12V的讨论： （1）时序曲线振动幅值变化
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（2）特征频段内振动能量变化 δ=0.50mm δ=0.50mm 12V的功率谱图
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（3）特征频段内频率成分/谱峰值变化
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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（ Hz），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
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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
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（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
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分析： 选择测点: 19A 时域分析
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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
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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
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（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
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分析： 1、时域分析：（比较故障前后振动幅值变化）
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2. 频域分析 （1）测速度 17.5Hz 25Hz 17.5Hz 25Hz
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（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
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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。
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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
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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
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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
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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；
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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；
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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。
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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
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诊断实例 （1）柱塞缸套磨损（13V） 修理前 修理后
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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
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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
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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；
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1. 确定测点布置方案
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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
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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
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（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
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4. 依据 和 ，求出各测点综合统计均值yZ，作为基准峰值
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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
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注水柱塞泵个测点警限值ya
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6. 绘制各测点警限值ya随泵压变化的线图，供用户查用
yz
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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。
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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
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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
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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
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