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外文翻译一：
基于振动分析的离心泵故障诊断
摘要：
本文给出了离心泵减振的最终解决方案。为找出泵过度振动的主要原因，目前已经进行了不同条件下的振动测量。在第一阶段，以下几个原因：气穴现象，非泵设计工况下工作、机械和电气故障被认为是泵振动的原因。通过振动分析可以发现在非设计工况下工作是泵振动的主要原因。流体中吸入的溶解空气越多，越有可能导致两相流动，从而导致泵的振动。为了解决关于泵性能曲线的两个问题，建议使用速度控制器来降低泵速。
关键字：离心泵 振动 故障诊断 状态监测
引言
在预测性维护计划中被广泛使用的振动监测是目前最成功的状态监测技术之一。状态监测技术揭示了早期发展阶段中的故障以及机器故障前的警报[1,2]。机器振动水平的增加是机器故障开始出现的指标。这可以通过简单的趋势分析来完成，但故障诊断需要更复杂的工具，如频谱分析，倒谱分析和包络分析[3]。某一症状并不一定指向特定的故障，一些故障可能有类似的症状，应该检查更多的证据来识别振动源。在这本书中有一些故障诊断表，可以使用[3]，这些表很有用，但还不够。
离心泵广泛应用于提炼厂和化工厂，其维护成本占工厂总维护成本的很大一部分。其中，振动对旋转机器的失效起主要作用。尽管振动是机械故障的标志，但是它会加强这个问题。因此，在这些行业中进行全面的振动监测是十分必要的。目前存在许多问题，这些问题会在离心泵中产生高振动[4]。这些问题通常可分为两类：机械问题和流体问题。机械问题由机械中旋转部分的旋转动能产生，而流体问题由储存在流体内的能量造成。然而有些问题有可能是由流体以及结构共同引发的。这使离心泵中的故障诊断更加复杂化。
本文研究了石油化工厂中两台离心泵的异常振动。已完成泵上的振动测量并且完成振动分析以定位振动源，最后提出了一种可以解决这个问题的补救措施。
专业术语：
BEP：最佳效率点（Best Efficient point）
BHP：中断马力 (Break Horsepower )
BPF：叶片通道频率（Blade Passage Frequency）
n：转速（Rotational Speed）
NPSHa：可用净正吸入头（Net Positive Suction Head available）
NPSHr：需要净正吸入头（Net Positive Suction Head required）
Q：容量（Capacity）
TDH：总差分磁头（Total Differential Head）
泵振动研究史
这两个相关的泵处于石油化工厂的水处理部门。他们彼此相似。泵是均离心式的，两者均有一个坐台以及悬臂。表（1）中给出了泵的一些规格，其3D图显示于图（1）中。泵的任务是排出储存在两个中和罐中的污水。添加一些酸或苏打水可以中和水箱中的废水，并且有一个将气泡引入水槽的喷射器，将溶液混合。之后，污水通过其中一个泵排出水沟，另外一个泵待机。 泵输送的流体的物理性质接近水，并且它的物理性质可以由水的物理性质来代替。离心泵被选择去长距离地清空污水沟，但是在实施过程中，排放路径减小并且变得更短。 因此，泵用于当前工作显的过度设计。
自开始以来，这两个泵都经受了大量的振动。作为状态监测程序功能的一部分，泵和电动机的整体振动已记录在包括水平、垂直和轴向的某些点的图形上。具体测量点如图（2）所示。已经采取了许多补救措施来解决问题并降低振动水平。然而，振动水平虽然有所降低，
Table 1 Pump specifications
|
Capacity at BEP |
75 m3/h |
|
Minimum Flow |
7.7 m3/h |
|
Head at BEP |
116.3 m |
|
Pump RPM |
2900 rpm |
|
NPSHr |
3.2 m |
|
BHP |
40.5 KW |
|
Efficiency |
59% |
|
Number of Blades |
5 |
|
Blade Dia. |
12 3/8' |
Figure 1 Pump and its components
但主要问题仍未解决，振动水平仍然高于允许值。例如，在泵轴承（点3）上测量的其中一个泵的整体振动趋势如图（3）所示。其允许的振动水平[5]也在图（3）中用粗水平线表示。可以看出，振动水平远远超过允许值。泵上其他点的振动几乎具有相同的趋势。图（3）中某些时刻整体振动值的巨大变化是由于在不同条件下的操作导致的。该主题将在下一节中解释。电动机振动趋势（点2）如图（4）所示。可以看出，首次振动水平高但在一些补救措施后它降低到正常水平。
Figure 2 Measurement points on the pump and electromotor
Figure 3 Pump overall vibration, point 3, Horizontal direction (permissible value shown by thick horizontal line)
Figure 4 Motor overall vibration, point 2, Horizontal direction
操作条件的影响
离心泵通常被认为可以在很宽的容量范围内工作，但实际上合适的工作范围通常限制在BEP周围的plusmn;20％的窄带内（Best Efficiency点）。在这个优选区域外工作会使离心泵产生一些问题。问题可分为以下两类：
- 在高流量下工作引起的问题（BEP的右侧）：在增长的速度下，液体的湍流增加导致流动压力和速度的波动，这是振动的主要原因。NPSHr也相应增加，当它增加至大于NPSHa时，气穴现象将开始[6]，电机绕组也可能预热。
- 在低流量下工作引起的问题（BEP的左侧）：在低容量时，将形成泵中的再循环流懂。在泵的吸入或排出中可以观察到再循环流现象[6]。再循环流动在泵中产生振动。 在非常低的容量下，泵温度可能会增加。
相关泵的性能曲线如图（5）所示。该泵的BEP为75 m3 / h、效率、中断马力和NPSH也显示在该图中。所考虑的泵在工作时，其节流阀可以控制相应流量的大小。有一个循环路径将流体返回油箱。系统首要曲线可以从下面的等式得到，也可以在图（5）中绘制三个不同阀门开口程度的图形：100％打开，75％打开和50％打开。
TDH = hst h f hi he ( pd – ps ) / qg(1)
其中TDH，hst，hf，hi，he，pd和ps分别为总数差动头，静压头，摩擦头损失，输入压头损失，出口压头损失，排气环境压力和吸入环境压力。摩擦水头损失是管道和装配头损失的总和。泵性能曲线和系统头曲线的交点决定了泵的工作点。从图（5）可以看出，打开阀的系统压头曲线在工作范围内从不与泵头曲线相交。这说明泵头对系统来说太大了。通过关闭阀门，摩擦头损失增加，在打开75％时，它会越过泵曲线。通过将阀门关闭到50％，操作点接近BEP。更多关闭阀门的操作会导致操作点移动到BEP的左侧。
可以观察到节流阀的打开与否对泵的振动水平有重大影响。改变阀门打开度会改变流量大小并改变泵的工作点。在各种阀门开口中进行了几次测量。图（6）显示了在各种阀门打开程度下泵的总体振动值。在图（6）中比较点2,3和4的振动值。阀门打开程度从关闭变为75％[案例1至4]。过度振动可防止阀门完全打开。由图可以看出，最大振动幅度出现在
Figure 5 Pump performance curve, system head curves for three valve openings are shown by dotted line, courtesy flowserve Inc.
极高和极低开度处，并且最小振动值与半开阀有关。图（6）显示了泵流量对振动幅度的影响，与理论计算值一致。 因为当阀门半开时，泵的工作点接近BEP，效率最高，水头损失和振动问题较少。当阀门打开更多时，工作点移动到BEP的右侧，振动问题增加。当阀门接近关闭时，泵的工作点转移到BEP的左侧，振动问题再次加剧。
Figure 6 Comparison of pump vibration (points 2, 3 and 4, vertical, horizontal and axial directions) at different valve openings: Case 1- closed, Case 2- 25% open, Case 3- 50%
open, Case 4- 75% open
振动测量
为了找到振动源，我们进行了几次测量。振动由压电加速度计测量并由便携式数据采集器记录。测量包括频率范围为1 Hz至10 KHz的频谱和总振动。其中一些频谱图如图（7）至（10）所示。
图（7）中的振动测量是基于1Hz到10KHz的宽带。主要频率内容低于500Hz，并且介于2.5KHz至5KHz之间。前者在下面的图中详细表示出出。后者具有随机振动的特性，可能与气穴现象有关。图（8）显示了泵轴承在1Hz至500Hz范围内的垂直振动。其主要频率为250 Hz。图（9）中还显示了250 Hz的峰值，显示了水平方向上泵轴承的频谱。图（10）显示了电机轴承的频谱。在50Hz处有一些峰值及其谐波，即100,150,200,250,300Hz等。这些谐波的存在在电动机中并不罕见。
根据泵转速，3000 RPM（50 Hz），50 Hz和100 Hz处的峰值为1✕RPM和2✕RPM组件。250 Hz的峰值是5✕RPM组分。由于泵叶轮有五个叶片，它可能与叶片通过频率（BPF）有关。
0.01
0.009
0.008
0.007
0.006
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0
0
1000
2000
3000
4000 5000 6000
Freq (Hz)
7000
8000
9000 10000
14.05.2003 09:58:31
Figure 7 Frequency spectrum, pump bearing, vertical direction
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
50
100
150
200
250
Freq (Hz)
300
350
400
450
500
14.05.2003 09:59:20
Figure 8 Frequency spectrum, pump bearing, vertical direction
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
50
100
150
200
250
Freq (Hz)
300
350
400
450
500
14.05.2003 09:59:20
Figure 9 Frequency spectrum, pump bearing, horizontal direction
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
50
100
150
200
250
Freq (Hz)
300
350
400
450
500
14.05.2003 10 :00:41
Figure 10 Frequency spectrum, motor bearing, vertical direction
故障诊断
在前面的章节中，收集了所有必要的证据以找到问题的根源。 这项任务可以一步一步完成。
事实1：泵的振动比电机振动更严重。 事实上，在采取补救措施后，电机振动下降进入正常区域。 因此可以得出结
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