工程案例 - 离心泵在线振动分析和振动趋势分析
文章来源于Pump Magazine，由三位作者Lev Nelik, Ph.D., P.E., Pumping Machinery, LLC；Hiram Tanner, DC WASA, Washington, DC；Phil Higgins, DC WASA, Washington, DC共同完成。仅供参考。
旋转机械的振动监测具有明确的好处，可以对机器内部出现的早期不良情况进行预警。随着泵制造商的产品从出现故障进行被动性维护方法转变为故障发生之前主动/预防性维护方法，人们会问如何开始？选择什么方法以及需要有多复杂？
在过去的泵与系统问题中，我们讨论了各种方法，以最有效地在复杂性和实用性之间取得平衡。并非每个工厂都可能需要2007年9月出版的P & S（带同步电机的泵的瞬态启动问题）中描述的完全熔断瞬态电流分析类型，其中分析了电机放大器的高速实时启动波动，并在经过几个月的复杂测试后，解决了电机跳闸问题。一个更好的开始方法是识别关键设备（并非每台泵、电机、搅拌器或类似设备都需要成为程序的一部分），然后通过一只只显示振动的总体（rms）值（参考P&S 2009年6月，Trending Revelations in Vibrations Analysis）的简单（且便宜）的手持式振动分析仪，并简单地开始记录振动趋势。那篇特别的文章描述了工厂倾向于遵循的各种振动监测理念的方式和程序。机械调查通常在程序正式启动之前进行，以确定最关键的机械。
到2009年底，我们收到了大量反馈，以及关于简单的整体振动速度值趋势和复杂的FFT频谱分析之间的适当平衡的问题，我们在2010年8月的文章“Think simple Before Rushing to Fancy Analysis”、2012年11月P&S刊的“Vibration Analysis simplified”以及2011年3月刊的“Facts and Fiction About Vibration”中总结了这一反馈。
在 P&S 2011 年 9 月的“提高泵可靠性和节能的振动分析”一文中，我们展示了如何逐步扩展最初的简化振动程序，以包括泵低效和能耗问题的一些影响。结合简单的趋势振动方法，加上在线实时持续监测，为有兴趣将振动程序提升到一个新水平的工厂提供了借鉴，以便在问题发展为灾难性故障之前，更好地预测机器内部的问题 - 导致关键工序停工，使整个工厂面临被迫停工的危险。本文中描述了这种情况的一个示例。
2007年，华盛顿特区的一个主要城市通过振动分析跟踪其泵的可靠性。从一个简单的分析仪开始，最初的努力仅限于致电内部旋转机械技术人员查看显示出高振动的泵。由于有多个工厂和大量的泵，在出现故障的早期迹象时，很难对机组进行维修，而当他们查看有问题的机组时，其损坏（轴承、密封等）程度已经相当严重，导致需要昂贵的维修和停机时间。
2009年，市政当局将重点转移到更加有条理、更加系统地研究泵，试图在问题发展成为重大且代价高昂贵的问题之前，在问题开始时就预测到它。这有助于显著减少灾难性故障的数量和成本。然而，尽管趋势图中的大多数泵定期（每月）进行趋势分析，且趋势图显示总体振动（rms）数据记录的早期损坏迹象不明显，仍有一些泵偶尔发生未检测到的故障，如整体振动明显低于预警（0.3英寸/秒）值和报警（0.5英寸/秒）值：
为了更好地理解这个问题，工厂技术人员和一名外部顾问对此进行了更加仔细地研究，在采访了所有三个班次的几位操作人员后，了解到泵往往只是偶尔和不可预测的时间出现非常高的振动：
4台未经处理的污水泵由700 hp的电机驱动，最大转速为355 rpm，每台泵的流量为62500 gpm，转速由VFD调节，以响应湿井水位，作为流入流量的函数。
仔细检查后发现了一些问题，其中一些似乎与泵（或电机）有关，另一些与系统有关。发现的第一个问题是泵组的最小转速设置不正确，该转速设置得不够低，无法适应低流量时间（通常在夜间），这将导致电机（在湿井液位太低、流量不足的情况下）完全关闭，几分钟后再次重新启动，湿井液位将再次升高。重新调整最低转速设置解决了频繁启动/停机问题，从而显著改善了电机寿命的影响。但高振动峰值仍然存在。
为了了解这一点，顾问安装了一个连续振动监测系统：
该系统由安装在电机和泵附近的数据模块（DM）组成，三个方向振动/温度组合传感器通过延伸电缆连接到DM。DM单元将无线电信号传输到通信模块（CM），通信模块将无线电信号发送至塔台，然后塔台将信号路由到网络。工厂技术人员、维护人员和操作员可以通过互联网连接，从任何位置直接在其计算机上查看数据：
从上图要以看出，振动从大约0.05英寸/秒的低水平（这是每月单次测量数据跟踪的结果）上升到非常高的水平，并接近0.5英寸/秒的报警值。振动和温度传感器安装在电机和泵的多个位置，但仅在电机顶部记录到高振动。电机和泵的下部没有出现这种峰值，并且振动读数非常低，近似于0.05英寸/秒的量级。
全光谱分析特征显示如下：
从FFT图中，主要的高峰值频率为196 Hz，是测试时运行转速值267 rpm（4.4 Hz）的44倍。
虽然问题似乎出现在电机的上部，但不清楚其激励的具体来源。可能的原因是：共振、电机电气问题（转子条），或VFD谐波和噪声滤波问题。
为了确定可能的原因，对停止运行的泵进行了专门的“撞击试验”，以确定响应频率：
“撞击试验”确定了196 Hz的固有共振频率是高振动的原因。然而，目前还不清楚电机、泵、支撑结构的哪个具体零部件以及这些的组合是共振的原因。
沿着泵组的整个长度在不同位置进行了专门的测试，发现电机吊耳区域产生的振动最高：
电机外壳上部有11根短钢肋和2只用于起吊电机的较长吊耳。吊耳的尺寸为18” x 12” x 1”。
通过计算机模拟对吊耳进行有限元分析（FEA），以查看频率共振的模式（共振模式的前三种形状如下所示）：
在一个模型中，起吊板的简化模型近似为2"厚、18"长、12"高的板。如果不拆开电机框架部分，则很难看到板连接到电机框架的确切方式。如果大部分附着边界沿板的短边，则共振的固有频率明显会比大部分沿宽边附着的情况要小一些。真正的共振可能介于这些约束之间。
大多数短边FEA分析预测了102 Hz一次谐波和345 Hz谐波。196 Hz的测试（现场撞击测试）值在此范围之内，表明电机吊耳结构上侧的预测结构共振的可能性很大，尽管需要构建更精确的模型以获得更精确的相关性。
总结：由 FFT 频谱分析辅助的振动趋势分析提供了一种有价值的工具，可以在故障发生之前预测和预测泵发展中的问题。这种预测性维护方法还有助于识别系统相关缺陷，并允许进行适当调整，以微调和优化整体设备运行。总的来说，这些方法显著节省了避免灾难性故障的成本，这要求具有丰富经验和专业知识的团队来维护和操作其工厂的关键设备。