高压水除鳞泵应用故障诊断技术实现节能降耗
卢天燚1 李朝全2
( 1. 鞍钢教育培训中心，2. 鞍钢股份鲅鱼圈钢铁分公司设备保障部)
摘要为确保高压水泵稳定运行，采用ET － VI1 振动状态监测和excel 统计图分析的方法预测水泵劣化趋势，以便及时发现故障隐患并处理，减少了因设备故障造成的能源消耗。
关键词高压水除鳞泵 振动监测 故障诊断 节能降耗
鲅鱼圈1580 线高压水除鳞系统由粗轧除鳞系统和精轧除鳞系统两部分组成，共4 台SDZ高压离心泵，采用一工一备工作制。该系统自2008 年投入运行以来事故繁发，故障主要可分为阀类故障、泵故障和管路故障。阀类故障和管路故障只需几十分钟便能处理完毕，但是泵叶轮碎裂故障曾经导致21 小时的事故维修，严重影响生产节奏，故对高压水除鳞泵进行振动状态监测和故障诊断，确保其稳定运行，减少整条生产线设备空转或启动、停机造成的能源消耗，提高设备作业率十分必要。
1 高压水除鳞泵故障诊断
1. 1 振动监测概述
高压水除鳞泵设备简图见图1。选择其两端轴承作为振动监测的测点，并对每个测点的V( 垂直方向) 、H ( 水平方向) 、A ( 轴向) 三个方向进行振动测量。测量仪器选用上海容知生产的ET － VI1 振动分析仪，其基本参数为: 灵敏度10. 33mV/g、频响范围2Hz ～ 10kHz、位移测量范围0 ～ 2mm、速度测量范围0 ～ 200mm/s，加速度测量范围0 ～ 50g。
1. 2 振动初步分析
根据监测结果，首先分析测点②垂直方向振动值，其频谱如图2 所示。由图可见振动能量主要集中在频率为40Hz 的高压水泵基频上，而其它倍频的幅值较小，符合转子不平衡故障的特征，由此可以初步判断水泵存在轻微的不平衡现象。
其次分析测点①垂直方向振动值，频谱如图3 所示。图中水泵的基频( 40Hz) 幅值最大，并且基频的2 ～ 10 倍频率对应的振动值较强，符合松动故障的典型频谱特征。经检查发现高压水泵与液力耦合器连接的联轴器、水泵地脚螺栓存在轻微的松动现象。
1. 3 轴承故障分析
由图4 可知，在50 ～ 400Hz 的低频段，高压水泵测点①水平方向频谱图中基频的非同步频率较多、振动值较大， 例如50Hz、113. 125Hz、201. 250Hz，怀疑高压水泵滚动轴承存在故障。根据鞍钢《滚动轴承三八故障诊断法》，首先观察测点①水平方向振动的加速度时域波形图，如图5 所示，没有发现明显冲击，初步判断轴承正常。
其次，按照经验公式验算图4 中的非同步频率是否由轴承故障引起。高压水泵轴承的型号未知，所以先按照《滚动轴承三八故障诊断法》中的经验公式进行大致推算:
保持架频率: Fc≈0. 4Fr≈0. 4 × 40≈16Hz(1)
轴承外圈、内圈、保持架故障频率的关系:
因为Fi + Fo = N × Fr; Fo = N × Fc
所以N = ( Fi + Fo) /Fr(2)
N = Fo /Fc(3)
轴承滚动体频率:
Fb≈0. 18NFr(4)
将公式(1) 带入公式(2) 得1. 5Fo = Fi(5)
式中: Fi为内圈故障频率，Fo为外圈故障频率，Fr为转频( 基频) ，Fc为保持架故障频率，Fb为滚动体故障频率，N 为滚动体个数。
假设图4 出现的非同步频率50Hz 为轴承外圈故障频率，将其带入公式( 3) ，则N = Fo /Fc= 50 /16 = 3. 125; 假设50Hz 为轴承滚动体故障频率，将其带入(4) ，则N = Fb /0. 18Fr = 50 /( 0. 18 × 40) = 6. 94。因为N 为滚动体个数不可能为小数，所以可知50Hz 既不是轴承外圈故障频率也不是轴承滚动体故障频率，再由公式(2) 、公式(5) 可知50Hz 也不是轴承内圈故障频率。以此类推， 图4 中的113. 123Hz、201. 250Hz、401. 875Hz 非同步频率均不是轴承的故障频率，所以不能通过图4 中出现振幅较大的非同步频率判断该轴承存在故障，再次验证轴承正常。
观察测点②水平方向的频谱图发现，在幅值较高的606Hz 处带有高压水泵的基频边带( Δf= 40. 625Hz) ，如图6 所示。加上测点②轴承处有不平衡振动成分，再次验证了高压水泵的主轴存在不平衡的故障。
2诊断结论与验证
通过分析以上振动频谱，确认高压水泵的主轴存在不平衡故障隐患，高压水泵与液力偶合器连接的联轴器、水泵地脚螺栓存在松动现象。鉴于此，利用检修时间对联轴器、地脚螺栓进行了紧固，且修复时更换了主轴和部分叶片。
鞍钢当前的主要点检方式是利用人的五感点检，由于人的感知能力局限，只有在水泵故障的晚期才能感知出来。虽然设备处于前期故障时不能造成停机事故，但是将造成严重的能源损失。例如高压水泵存在不平衡、螺栓松动等故障时，其耗电量比无故障时耗电量高20% ～ 50%。而利用ET － VI1 振动分析仪能在高压水泵故障早期及时发现，对于松动、联轴器不对中的小故障可以及时排除，对于泵内部不能及时排除的故障可以提前预测高压水泵在机寿命，以便备件充足或者有检修时间时更换。为了预测寿命更加准确，点检员还每天手动测量泵的振动值，并利用振动值绘制成excel 月统计图，通过图表变化趋势辅助判断高压水泵寿命，由此大大降低了水泵事故率。
3 结语
高压水系统设备是热轧生产线的关键设备之一，其性能优劣直接关系到轧制产品的表面质量和生产顺利进行。为确保高压水泵高效、稳定运行，应提前发现泵的故障进一步减少能源消耗。具体点检方法如下:
(1) 使用ET － VI1 振动仪进行振动频谱分析，通过时域波形和频谱图分析泵劣化趋势。
(2) 点检员每天手动测量水泵检测点的振动值，并在excel 表格中绘制月统计图，观察泵振动值变化趋势，预计高压水泵寿命。
几年的实践证明该方法是行之有效的。利用振动分析技术能及时准确地发现设备故障及隐患，给设备维修提供了可靠依据，是预防事故发生的有效措施。该方法降低了水泵事故率，减少了设备维修费用和能源消耗。
