泥浆泵轴承的故障诊断.pdf

2011年3月
西安石油大学学报(自然科学版
第26卷第2期
Journal of Xi'an Shiyou University( Natural Science Edition
Vol 26 No
文章编号:1673-064X(2011)02-0072-04
泥浆泵轴承的故障诊断
范凯',弈明2,志截
(1.三江学院机械工程学院,江苏南京210012;2.中国石油大学(华东)机电工程学院,山东东营257061
3.河南石油探局钻井工程公司,河南南阳473132)
摘要;为了掌握泥浆泵工作状态,测取3NB1300C泥浆泵正常工况和一些故障工况下动力端轴承的
振动信号,对其进行共振解调处理后,进一步对所得的时城信号进行烦域分析,得到了有价值的检
测部件振动规律、一般特征以及故障特征,可用于泥浆泵的故障诊断,
关键词:泥浆泵;故障诊断;共振解调;轴承;自功率谱
中图分类号:TE964文献标识码:A
泥浆泵是钻井工程中的重要设备,其作用是将即解调,获得一个对应于低频冲击而又放大并展宽
钻井时用以携带岩屑的高压泥浆输入井内.在钻井了的共振解调波.传统技术只通过直接信号的
过程中,必须保证高压泥浆平稳不断泵送,否则高压FT分析,试图从中获得冲击脉冲的频谱,却往往因
泥浆的断流将会引起塌井,造成施工点位的废弃和为目标频谱总是被强大的干扰频谱(一般是大的低
极大的经济损失.因此实时掌握泥浆泵的工作状况频分量)所掩盖而无法实现.而且,捕获冲击脉冲需
对钻井工程的正常进行非常重要
要非常高的采样频率,因为冲击波很窄,频率很高,
从结构上泥浆泵主要由液力端和动力端两部分往往因为硬件的原因而无法实现
组成.动力端的曲柄连杅机构带动液力端的活塞运
从目前的应用上看,实现共振解调的途径有两
动,活塞的往复运动改变缸套中的压力,从而使吸入种:一种是通过硬件电路对传感器得到的信号进行
阀和排出阀产生开关动作,实现从吸入阀吸入泥浆,处理,从而得到共振解调波;另一种是通过软件即某
经泵加压后从排出管线送向井底的功能
种算法(希尔伯特包络法或别的包络方法)对传感
本文利用共振解调技术放大了故障时域信号,器信号处理而得到共振解调波
并进一步进行频域分析,依据相关轴承部件的故障
共振解调技术被广泛应用到具有冲击性质的信
特征频率,确定泥浆泵轴承不同故障状态的特征值,号处理中.通过对共振解调波的分析可以进行简易
从而实现故障诊断的目的.这一技术已经在河南油诊断和精密诊断.轴承和齿轮的状态监测和故障
田得到应用.
诊断是其应用的一个重要方面
由于泥浆泵功率大,泵阀的开关频率相对较低,
共振解调技术
由泵阀开关产生的很强的低频振动波将对机体内部
轴承产生的振动造成干扰.用一般的信号处理方法
所谓共振解调技术(或称冲击脉冲技术、包络不能有效地将故障信号所带信息从被干扰的信号中
检波技术或早期故障检测(IPD技术)是对低频冲提取出来,而信号的共振解调可以有效地解决这一
击所激起的高频共振波形进行包络检波和低通滤波问题
收稿日期:2010-1-23
作者简介:范凯(1975-),男,硕土,工程师,主要从事机械故障诊断研究,E-mail:socoolcool@163.com
范凯等;泥浆泵轴承的故障诊断
中的,是轴承、齿轮所在轴转动频率.泥浆泵动力端
2数据采集系统的测点布置
测点1轴承的故障特征频率见表2
表2轴承4053172的故障特征频率
3NB1300C泵的测点布置如图1所示.测点0为
Tab. 2 The fault characteristic frequencies of bearing 4053172
活塞冲次轴转频
故障特征频率/Hz
连杆十字头;测点1和5为曲轴轴承;测点2~4为
/(次?min1)/Hl外圈故障内圈故障滚动体故障
连杆大头轴承;测点6和7为传动轴轴承.其中:测
11
1.8500.8255261.02447617.003912
点0处安装的为电涡流传感器;测点1~7处安装的
110
1.8670.8329631.03370617.157101
为复合共振解调传感器.
2.0000.8924601.10754218.382608
5
3.2诊断准则
利用经过共振解调仪处理过的振动信号进行故
障分析诊断必须用到共振解调主动诊断方法,利用
表1的简化公式,可以对泥浆泵的动力端轴承故障
进行分析和诊断
图1泥浆泵测点布置图
3.3自功率谱图分析
Fig. 1 The signal acquication points on mud pump
对先行进行共振解调处理后的振动信号,进行
FF变换后,进行自功率谱分析
33NB1300C泥浆泵动力端轴承振动
分别分析了3种工况下的谱图:(1)新泵轴承
分析
正常工况,泵压10MPa,已运行1686h,活塞冲次
120次/min,测点布置如图1所示.(2)旧泵轴承故
泥浆泵动力端的故障主要发生在齿轮和轴承障工况,泵压5MPa,已运行12406h,活塞冲次110
上,且以轴承的故障最为常见泥浆泵动力端的轴承次/min.(3)旧泵(与(2)同一泵)轴承故障工况,泵
均为滚动轴承
压OMPa,已运行12406h,活塞冲次111次/min.旧
在对动力端轴承振动信号的测试中,干扰众多、泵测点布置同新泵.
造成谱线混杂,故障信号不易提取.为了解决这一问
经计算并绘制成图(图2),得测点1轴承在不
题,采用了共振解调技术
同工作压力下的测试图(原始数据图为时域信号,
3.1故障频率计算
分析数椐图为频域信号)
若轴承的中径(滚动体节圆直径)为D。(mm),
从测点1轴承不同状态下的频域图可以明显地
滚动体的直径为d(m),滚动体的数量为Z,诊断看到:频谱图中始终都含有基频为轴转频及其倍频
部件所在转轴的转速频率为n(Hz),轴承滚动体的的频率分量.这是因为测点1的轴承是曲轴(被动
接触角为a,则按照“多个同类收障的归类诊断准轴)的支撑轴承.由于泥浆泵曲轴的结构特点和受
则”进行简化,轴承各类零件故障的特征频率计算力特点,该轴承受到基本频率为轴转频的外力作用
公式见表134
在此外力的作用下,由于轴承径向间隙的存在,轴承
表1轴承故障特征频率计算公式
受到冲击.该冲击被共振解调仪抬取、处理后,再进
Tab.1 The computation formula for the characteristic
行自功率谱分析,频谱图上就会出现基频为轴转频
frequencies of fault bearing
及其倍频的频率分量.当轴承出现某种故障时,自功
轴承故障类型
故障特征频率公式
率频谱图上的相应故障频率的基频及其倍频的频率
外圈故障
分量占总频率的比例就会出现变化,如图2(c)所
示.但这并不是说自功率频谱图上谱线种类很多,轴
内故障
2D
承就一定出现了某种故障而且即使现场出现轴承
滚动体故障
故障,当故障在某一个界限之下时,也不会对泥浆泵
Dod
造成损坏.所以不能简单地只根据是否有故障特征
采