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原文传递船用立式离心泵振动信号传递路径规律研究

论文题名：	船用立式离心泵振动信号传递路径规律研究
关键词：	船用立式离心泵;振动信号;传递路径;故障诊断
摘要：	船用立式离心泵是船舶辅助机械中重要的旋转设备，为船舶上的液体输送提供必要动力。由于恶劣的工作环境，船用立式离心泵极易发生各种机械故障，影响船舶的正常运行。因此需要对船用立式离心泵进行实时状态监测，及时发现、识别各种机械故障，防止故障进一步恶化导致离心泵甚至整个船舶设备出现灾难性的危害。传统离心泵主要基于泵体部位的振动测点进行状态监测，然而船用离心泵采用立式安装法，难以在其泵体部位采集到能反映离心泵运行状态的振动信号，仅能通过裸露在外的机脚部位进行测量，且由于传递路径对信号的影响，基于机脚部位的振动测点能否对船用立式离心泵进行有效的状态监测仍有待研究验证。　　根据故障诊断机理可知，若要实现基于机脚部位对船用立式离心泵进行状态监测，需保证机脚测点采集的振动信号能对离心泵不同故障进行检测和区分。因此本文虑及了离心泵转子系统的不平衡、碰摩、轴承故障以及振动传递过程，建立了动力学模型，研究离心泵典型故障对机脚部位振动的影响，并得出机脚部位振动信号对不同故障的反应规律，为船用立式离心泵的故障诊断提供理论参考。本文主要研究内容如下：　　（1）对离心泵不平衡、碰摩以及轴承故障的机理进行研究。首先根据离心泵转子质量不平衡力学模型，总结了不平衡故障激励力公式。其次研究转子与静子间的碰撞摩擦特性，建立了转静碰摩力学模型，计算碰摩故障激励力并对其进行定性分析。然后将滚动轴承简化为两自由度模型，虑及其非线性赫兹接触力和径向间隙等因素，分别建立了滚动轴承在正常、外圈故障以及内圈故障下的动力学模型。最后综合离心泵内部结构及约束条件，建立了离心泵转子不平衡-碰摩-轴承故障振动传递模型。　　（2）基于离心泵转子不平衡-碰摩-轴承故障振动传递模型，开展仿真分析研究。采用Runge-Kutta数值积分方法获取振动传递模型的动力学响应，绘制时域波形图、频谱图、包络谱图、轴心轨迹图、Poincare''图以及分叉图，分别描述了离心泵在不平衡、碰摩以及轴承故障状态下泵体和机脚部位的振动响应。分析结果表明：不平衡故障会导致离心泵泵体与机脚部位振动响应的工频幅值增大，即不平衡故障在两部位的响应特性变化相同，但由于传递路径的影响，机脚部位振动响应幅值相比泵体部位振动响应幅值出现衰减。碰摩故障会导致泵体和机脚部位振动响应频谱中工频的2、4、6倍频幅值突显，两部位振动响应特性趋势相同，且机脚部位振动响应特征幅值较小。存在轴承故障时，离心泵机脚与泵体部位的信号均可包络解调提取出轴承故障特征频率。　　（3）基于仿真分析结果开展离心泵故障模拟实验验证。分别采集了离心泵在不平衡、碰摩以及轴承故障下泵体与机脚测点的振动信号，并基于提取的振动信号多维特征参数集，利用主成分分析方法验证了离心泵泵体与机脚测点数据对其不同故障的区分能力。最后通过频域分析实现了两个不同部位振动信号的故障特征提取，均有效验证了故障的存在，通过对比分析可知，基于机脚部位的振动测点同样能对船用立式离心泵进行有效的状态监测。
作者：	吕凯旋
专业：	机械工程
导师：	高金吉
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京化工大学
学位年度：	2022