旋转机械故障模拟试验台用于泥浆泵的故障诊断

丁同领 河南省地矿局第一地质环境调查院

旋转机械故障模拟试验台用于泥浆泵的故障诊断

丁同领 河南省地矿局第一地质环境调查院

在以振动传递路径分析作为机械设备故障诊断基本技术的前提下，旋转机械故障模拟试验台系统需要将变速驱动电机、调速器、轴、轴承、偏重转盘（2只）及齿轮箱等连接起来作为钻井泥浆泵诊断模型的基本试验平台。试验平台在前期调配阶段可以以虚拟的方式进行模拟构建，在诊断步骤实施之前，预先使用旋转机械故障模拟试验台来进行钻井泥浆泵频率和振动能量分布情况的判定。利用3NB—1300C型钻井泥浆泵作为诊断模型进行故障诊断时，必须有效区分旋转机械故障模拟试验台和实际情况之间的差异性，并精准选择出检测点。

钻井泥浆泵；故障诊断；模拟试验台；振动传递路径

1 模拟试验台的构建

在以振动传递路径分析作为机械设备故障诊断基本技术的前提下，旋转机械故障模拟试验台系统需要将变速驱动电机、调速器、轴、轴承、偏重转盘（2只）及齿轮箱等连接起来作为钻井泥浆泵诊断模型的基本试验平台。虚拟试验平台在信号采集和故障诊断之前需要将数据存储服务器、传感器（3个加速度、激光转数仪）、接线端子、电缆线、信号调理器、采集软件、采集卡、故障诊断软件等有机组合起来。试验平台在前期调配阶段可以以虚拟的方式进行模拟构建，比如以75～1450r/min转速模拟不同速度和不同条件下钻井泥浆泵有可能出现的故障问题。试验平台的信息采集系统和故障诊断系统需要对现场振动信号进行及时采集、信号保存、信号实时的显示、频域信号分析、序列信号分析以及轴承精密诊断时各类参数的计算等。对于轴承精密诊断功能、寿命预测功能、倒谱计算功能、静平衡与动平衡计算功能，以及各类参数计算的功能需要该模拟试验台在构建的过程中进行功能囊括及设定。

2 故障诊断实施步骤

在诊断步骤实施之前，预先使用旋转机械故障模拟试验台来进行钻井泥浆泵频率和振动能量分布情况的判定。按照活塞缸套组件故障试验、轴瓦磨损故障试验、泵阀组件人造故障试验、曲轴主轴承人造故障试验的数据调查和计算来看，600～900Hz为钻井泥浆泵整体振级水平的高频段，400Hz为曲轴工作特征频段，活塞缸套处测点在此阶段的能量较为集中，其振动的情况同时也表示着相应组件的震动水平。泵头处振动能量一部分集中在中低频段的80～180Hz，泵阀组件和十字头上方测点在此处比较集中。主轴承处则集中在0～60Hz低频段。

设定钻井泥浆泵时以流量波动幅度比较小、功率比重比较高，并在石油钻井中普遍应用的3NB—1300C型钻井泥浆泵作为诊断判定的模型，在旋转机械故障模拟试验台的设定中，3NB—1300C型钻井泥浆泵动力端作为振动传递路径的发端，经过中间3个缸的信息传递，液力端可以作为信息传递的被动方，经过试验的数据分析和诊断，对比3NB—1300C型钻井泥浆泵故障机理来查找和检验故障点。按照虚拟模型所覆盖的层面以及诊断的需要，对钻井泥浆泵进行故障诊断需要从3NB—1300C型钻井泥浆泵整体传递路径的模型角度入手，确定机组的主要障碍以及障碍信息传递的路径，并按照3NB—1300C型钻井泥浆泵工作原理进行3缸单作用泥浆泵模拟试验，分析典型故障及测试信号，最后按照信号和模型布置测点，分析出故障点所在的位置，得出相应的结论。

按照3NB—1300C型钻井泥浆泵模型来布置测点，需要相关人员在不同频率的情况下对不同组的信号进行及时检测和记录，以此来作为信号分析和故障判断的参考依据。在测试的过程中对于3NB—1300C型钻井泥浆泵和传感器之间的链接处要进行严密的检查，以避免在运行过程中因为松动而出现故障隐患。当传感器被固定好之后，按照测点的布置图进行振动测试，信号采集要在机组振动开始后信号较为稳定的期间实施。就3NB—1300C型钻井泥浆泵的整体振动信息传递而言，3个缸所表示的3条传递路径上不同的测点可以构成不同的时域图，对所有时域图的信息进行综合性判断时，3NB—1300C型钻井泥浆泵的故障信息传递才可以被完整的掌控。

对比3条传递路径，并对3NB—1300C型钻井泥浆泵振动测试信号进行整体性的信号采集、分析及处理后，可以获得3条渠道垂直、水平、轴向时域的对比值。经过对比分析发现，缸1水平值为0.3869，缸2为0.2148，缸3为0.2410，轴向有效值分别为1.0916、0.3188和0.3770。而在垂直有效值方面3个缸的有效值表现为0.6620、0.2289和 0.1890。由此可见，缸1的三个方向最大幅度值均高于其他两缸，因此，其可以作为3NB—1300C型钻井泥浆泵的主要故障判断路径，但是由于其他两缸的水平、轴向、垂直有效值的表现存在差异性，因此缸1的有效值并不能完全作为3NB—1300C型钻井泥浆泵唯一的判断标准。

从参数点角度入手，在3NB—1300C型钻井泥浆泵的旋转机械故障模拟试验台构建时，选择单缸振动作为路径传递模型，则缸1上可以布置5个检测点，分别与曲轴连杆轴瓦组件、应近动力端的部分、应活塞缸套组件、近液力端、泵阀组件一一对应，并进行相应的信息和信号的采集和处理。单缸振动的路径模型主要从柱塞缸套组件和泵阀组件之间、泵阀组件和曲轴连杆轴瓦组件之间进行不断的信息传递，从各个监测点有效值和震动烈度参数的检测和有效对比来看，曲轴连杆轴瓦组件、近动力端部分、泵阀组件的最大峰值分别为15.0000G、10.0000G、4.0000G，其振动的烈度分别为27.75、18.50、24.67，基本大于标准值，而检测点3和4的值属于不合格的状态，由此可见，机组机械故障是绝对存在的。由于故障值及传播能力主要从故障点向两边来逐渐递减，那么检测点1就有可能是故障点的所在。作为单缸诊断，缸1的5个检测点均被控制在低频阶段，按照钻井泥浆泵的故障机理理论来看，在0～60Hz内主轴承振动的情况比较明显，由此可推断3NB—1300C型钻井泥浆泵存在内外环或者滚珠方面故障，如磨损等。

3 注意事项

利用3NB—1300C型钻井泥浆泵作为诊断模型进行故障诊断时，必须有效区分旋转机械故障模拟试验台和实际情况之间的差异性，并精准选择出检测点。在振动传递路径分析法使用时，目前较为便捷的使用和评判方式主要是较为单一的检测和诊断，对于两条或者多条的故障诊断研究，就需要从更为复杂的角度深入分析。当前所使用的振动传递路径分析法和旋转机械故障模拟试验台的故障诊断方案，主要是对较为典型的故障进行诊断和分析，但是尚未有一种方式可以完全覆盖到钻井泥浆泵所有故障的诊断和分析，因此，在实践的过程中还需要进一步地加大研究力度，尝试将振动传递路径分析法和旋转机械故障模拟试验台的故障诊断方案应用到钻井泥浆泵的故障诊断中来。

（栏目主持 焦晓梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.12.059