XGB型旋涡气泵异常发热分析及解决方案

姬素云　张宏　闫晓亮

摘 要：对XGB型旋涡气泵异常发热问题进行研究，利用热成像技术和红外测温技术对发生故障的旋涡气泵的运行状态进行数据监测，综合采集数据进行故障分析，提出故障泵的可行性解决方案，并取得了一定的效果。

关键词：旋涡气泵；异常发热；故障诊断

中图分类号：TS737+.2

文献标识码：A

DOI：10.11980/j.issn.0254.508X.2018.06.009

Abstract：In this paper， the abnormal getting hot problem of XGB type vortex gas pump was studied， the operation state of vortex gas pump was monitored by thermal imaging and infrared temperature measurement， and the fault analysis was implemented by collecting the data.

Key words：vortex air pump； abnormal heat； fault diagnosis

旋涡气泵工作时，叶轮在电机的带动下旋转，叶轮叶片中的气体在离心力的作用下被压缩并甩到叶轮外缘和泵体之间的环形空腔内，且以同样的方式进行循环。由于叶轮叶片与泵体中间的环形空腔内气体离心力不同，因此在空腔中会产生强烈的环流，气体环流通过叶片后都将获得新能量。这种环流和叶轮的旋转合成在一起，从而使得气体均匀加速，以螺旋线形式经过多级压缩获得很高的能量，而后离开气泵，同样，在入口也可以产生很大的真空度[1.2]。

1 设备的常见故障及检测方法

机械设备在运行中由于某些原因，会出现故障。机械方面的故障包括扫膛、振动、轴承过热、损坏等；电气方面的故障包括定子绕组缺相运行、定子绕组首尾反接、三相电流不平衡、绕组短路和接地、绕组过热和转子断条、断路等。

对产生的振动应先区分其来源，如电机本身引起、传动装置不良造成或机械负载端传递过来的等，应针对具体情况进行排除。

电机过热的原因包含：电机自身内在质量问题、长期处于超负荷工作运行状态（机械传动机构故障引起电动机负荷大）、电机散热问题和电机绕组局部短路烧毁等情况。

常用的检测方法包括振动检测方法、声学检测方法、振声检测方法、温度检测方法、电参数检测方法和性能趋向检测方法。故障检测实际上是类似医学诊断的行为，对象是机器，也需要经过“望闻问切”，通过对获得的数据进行科学分析，从而确定故障类型，进而提出解决方案。首先要了解自己的检测对象，再确定检测方案，进行相关的测试、实验、分析，得出结论。

2 故障泵简述及分析

2.1 故障泵信息与性能测试

本课题分析的故障泵是一台“天翼”牌XGB.4型旋涡气泵，无锡宝华仪表设备有限公司制造，泵的最大流量330 m3/h，额定功率4 kW，最大真空度26 kPa。泵的電机是无锡卓力电机有限公司生产的YX3 112M.2型三相异步电机，接线使用三角形接法。电机的额定电流为7.9 A，额定频率为50 Hz，功率因数为0.88，电机转速2910 r/min。

使用弹簧管压力表、弹簧管真空表、万用钳表等设备测得该故障泵的实际最大压力为32.7 kPa，实际最大真空度为25.5 kPa，与额定值相差不多。

2.2 热成像及红外测温

图1所示为采用热像仪对故障泵的正面成像图。

由图1可以看出，故障泵的入口温度和出口温度相差达到80℃，温度最高处可达到132℃，高温区域集中在出风口的半扇，离开气泵的气体温度也达到70～80℃。

对故障泵进风口、机壳进风口半扇（进口半扇）、机壳出风口半扇（出口半扇）、出风口、电机靠叶轮部分（电机内侧）、电机外侧6个部位的温度使用红外线测温仪进行了测定，测定结果见表1，故障泵叶轮侧至电机侧温度分布结果见图2，故障泵温升与室温关系见图3。

XGB.4型旋涡气泵的工作温度，在夏天最高不允许超过80℃。但由图2可见，故障泵的测量数据已经比最高温度超过了将近40℃，属于严重的超温，温度最高处在机壳内部，靠近出风口的半扇区，并且机壳上的温度从叶轮方向到电机方向逐渐降低，这说明发热源就在叶轮出口半扇的部位。

从图3中发热部位温度变化的规律上看，故障泵的温升与室温并没有太大关联，而是各自呈现一个涨落的变化规律，这与下级主吸附风机的入口过滤网没有清理、吸气量不稳定有关。

2.3 电机线电流测量

在故障泵工作状态下，使用电流钳表对故障泵电机的三相电流进行了测量，测得的电流小于额定电流，说明电机并没有超负荷运转，因此可以排除电机因为长期过流、过负荷烧毁的可能性。

2.4 故障原因分析

通过以上测量和分析，电机烧毁的原因可能就是电机轴承保养不到位，轴承缺乏润滑，造成轴承游隙加大，从而导致电机扫膛（磁隙短路），电机严重发热，长期高温使得内部线圈绕组绝缘老化，从而烧毁电机。

这种情况的发生关键点在于轴承，也就回到了传统的振动故障诊断的范畴。接下来对轴承进行故障诊断，测量其振动，分析轴承的状态，从而检验这一假设是否正确。

3 气泵振动故障诊断

对旋转机械而言，绝大多数故障都是与机械运动或振动密切相关联，要寻找气泵发热的原因，就必须进行振动故障诊断。

诊断对象是运行中的机械设备，因此采用了振动诊断法，就是对正在运行的机械设备进行振动测量，对得到的各种数据进行分析，将得到的分析数据与事先制定的标准进行比较，然后判断系统内部存在的结构破坏、开焊、磨损、裂纹、老化和松脱等影响系统正常运行的故障。

使用S911H型轴承故障诊断仪，随机在泵的顶端选择一测量点，对轴承进行一系列振动故障诊断和实验，测量了50组泵运行时的振动数据，结果见表2，并分别画出加速度峰值、速度有效值、位移峰值、包络有效值变化各参数的折线图，结果分别见图4、图5、图6和图7。

测量频率范围为10～20 kHz，实际频率范围与传感器有关，一般小于20 kHz。

分析测量的振动状态可知，泵的加速度峰值小于1.5 m/s2，速度有效值小于2.5 m/s，位移峰值在25 μm内，包络有效值不高于0.02 unit。

所有的特征参数都处在合理的区间内，也就说明这些泵的振动正常，因此振动不是引起发热的原因，结合上述分析，推测异常发热的原因可能就是叶轮工作部分温度过高造成的。

4 故障原因综合分析及初步解决方案

4.1 轴承寿命

在对XGB.4型旋涡气泵进行了一系列振动故障诊断和实验后，初步认定故障泵的轴承产生了磨损，旋涡气泵只有2个摩擦接触点就在2个轴承处。要延长泵的使用寿命，就要从延长轴承的寿命和定期更换轴承入手。旋涡气泵的轴承本来就是耗材，但该泵的轴承磨损速度过快。分析认为叶轮工作部分温度过高，导致相邻的轴承部位温度升高，致使老化速度加快、轴承寿命缩短。

XGB.4型旋涡气泵电机轴承设计使用的是ZGN.1号钙钠基润滑脂，安装时一次性灌注，不需要维护加注，这种润滑脂适用于工作在85℃以下的滚动轴承。因此，在故障泵长期高温使用时，发生润滑失效。研究认为，需更换为耐高温的润滑脂，如二硫化钼锂基润滑脂，有助于延长轴承的使用寿命。

4.2 故障泵异常发热的原因

根据旋涡气泵说明书中对正常发热现象的介绍表明，在旋涡气泵的出口附近，泄漏导致气体摩擦，会使该区域气体温度明显上升。

询问并查阅了这台泵与相连设备的维修与保养记录，发现该泵连接在一根主吸附风管上，主吸附风管的下一级是主吸附风机，每月的例行维护都要清理进出口过滤网，并且该风机是负责吸附棉绒等填充物并将其输送至除尘器进行收集。由此判断当主吸附風机流量减小后，该泵输送的气体部分回流，与出口气体摩擦，引起严重的发热[3]。

4.3 初步解决方案

针对该故障泵提出了解决方案：①将轴承润滑更改为2L.1型锂基润滑脂，该润滑脂可以耐受145℃的温度，有效地减慢异常发热造成高温影响的速度，从而保护轴承，延缓轴承的磨损；②及时清理下级主吸附风机的过滤网；③监测更换故障泵的轴承[4.6]。

5 初步解决方案的实施与反馈

首先是将定期更换轴承纳入了设备定期维修保养的日程，继续以人工巡检方式进行测温。

措施实施15天后，检查泵的温度，发现发热状况得到改善。根本原因在于更换了轴承，而更换轴承之后，叶轮回到了正常位置，间隙变小了，气体泄漏的状况得到了改善，发热量随之减小。

定期更换轴承，电机和泵体上的积垢都能够及时得到清除，周围的通风散热环境良好，下级风机的过滤网也清理的更加频繁，这些因素在一定程度上也减小了发热量[7.8]。

根据上述数据，制作柱形图观察温度变化，见图8。

由图8可以看到，这些解决措施实施后，泵的发热有了改善，而且在清理过了下级风机的滤网之后，温度变化趋于平稳。证明确实是由于下级风机进气量的变化导致了发热[9.10]。

6 结 论

本课题利用热像仪、红外线测温仪、电流钳表、轴承故障诊断仪等对发生故障的XGB.4型旋涡气泵运行状态进行监测，采集了大量的温度数据和振动参数，结合各参数的变动情况综合分析故障泵、电机和轴承的运行情况，从而得到故障泵的相关信息，并提出初步解决方案，取得一定的效果。

6.1 通过热成像技术和红外测温技术对故障泵进行监测，发现主要的发热部位在风机出口处的半扇，受发热部位传热的影响，电机的温度比通常运行状态高40℃左右。

6.2 通过测量电机线电流和三相电流平衡，电机线电流为5.5～5.7A，没有超过额定电流7.9A，三相电流平衡良好，差值在±0.1A以内，排除了故障泵电机因电气故障烧毁的可能。

6.3 通过对泵和轴承的振动进行实验和监测，振动值指标在合理范围内，包络有效值小于0.02 unit，位移峰值小于25μm，判断出振动不是引起泵发热的原因。

6.4 通过现场查阅故障泵运行记录，60%的故障是轴承损坏造成的，另外40%是线圈烧毁等电机故障造成的。引起这些故障的主要原因是出风口气体泄漏摩擦发热，有关设备在长期高温运行的状态下寿命缩短，提出定期清理过滤网等措施，经过反馈，设备发热状况有所改善。

参 考 文 献

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（责任编辑：马 忻）