利用振动指数监测单级双吸泵的供水效率_王振雷.pdf

Jun.2023Fluid Measurement&ControlVol.4 No.3 利用振动指数监测单级双吸泵的供水效率Monitoring the Water Supply Efficiency of Single Stage Double Suction Pump Using Vibration Index王振雷（淄博市引黄供水有限公司，山东 淄博 255000）WANG Zhenlei（Zibo Yinhuang Water Supply Co.，Ltd.，Zibo 255000，Shandong，China）摘要：运用 2种监测技术对 2台单级双吸泵进行了供水效率试验，一种是通用监测手段，另一种是本研究提出的手段。通用监测手段是通过标准技术进行的，使用 Yatesmeter仪器，需要将探针插入输送的水中，本研究提出的非侵入式方法只需要在泵外壳的关键位置安装加速度传感器。数据分析表明：泵振动指数与供水效率表现出很强的相关性，利用振动指数来监测其输送效率是切实可行的。关键词：单级双吸泵；效率监测；振动特征Abstract：In this paper，two monitoring techniques are used to test the water supply efficiency of two single stage double suction pumps，one is the general monitoring means，the other is proposed in this study.One is done with a standard technique，using a Yatesmeter instrument that requires a probe to be inserted into the water being delivered.The other is the non-invasive method proposed in this study，which only requires the installation of acceleration sensors at key locations in the pump housing.Data analysis shows that there is a strong correlation between pump vibration index and water supply efficiency，and it is feasible to use vibration index to monitor its transport efficiency.Key words：double-suction pump；efficiency monitoring，vibration signature中图分类号：TV 675 文献标志码：A 文章编号：2096-9023（2023）03-0068-031前言单级双吸泵在正常工作时具有特定的振动频率，因此当机器的工作状况出现异常时，其振动频率便会随之变化1-2。对其振动的频率进行监测，则表现为频谱的形状发生变化，比如在一些特殊的位置上出现峰值。然而由于工作环境、机器结构、操作方法,甚至多种故障相互干扰等因素，使得单级双 吸 泵 在 工 作 异 常 时 对 其 进 行 检 查 变 得 困 难复杂3-4。本文提出了一个利用振动监测器采集单级双吸泵的振动情况，再根据振动情况得出相应的振动指数来推断其供水效率的方法，并详细介绍了实验所采用的设备和方法，讨论了所提出方法的优点和局限性。这种振动监测器有效地减少了其他因素对振动监测产生的影响，可以不受工作现场环境的影响，对被测试的泵体振动情况进行实时监测，再结合现有泵振动情况异常的知识，便可对泵的供水效率做出较为准确的判断，这种高效的监测方法在泵的设计与应用上具有良好的应用前景。2方法本文进行测试的水泵为 2台定速驱动的单级双吸泵，这 2 台泵的压头相同并且输送的清水排放到同一个管道中，测试水泵示意图如图 1所示。图 1测试水泵示意图 682023年 6月流体测量与控制第 4卷第 3期（总第 16期）2台单级双吸泵所使用的监测设备如图 2所示，共有 2 种监测装置。使用 1 台 Yatesmeter 设备，该设备由 1个静压传感器和 2 个安装在泵的进水管道和排水管道处的热电偶。热电偶的作用是为了测量泵的吸水口和排水口处的温度差，根据热力学原理计算出泵的效率。这种方法测量的是总能量中比例较小的损失项，所以测量结果精度较常规方法高，国际标准 ISO 5198中将其定为精密级的测试手段之一。使用 1台内部开发的振动监测器，这套装置在泵壳的特定位置上安装有 3个加速度传感器，传感器 1 和传感器 2 沿轴方向安装在单级双吸泵外壳两侧的套管上，传感器 3 则安装在蜗壳的径向位置上。在本实验中，加速度传感器的安装位置是在单级双吸泵轴承的套管上，套管处的振动受轴承、轴位置偏移等因素的影响较小，在一些研究中已被验证是一种可靠的振动监测技术5，因此采集到的数据能够比较真实可靠地反映泵内流体情况。同时，为了实验的客观性，本文实验采用控制变量法进行测试，振动监测器和 Yatesmeter 仪器同时记录数据，且在每次打开阀门时都会等待足够长的时间才开始记录数据，以确保单级双吸泵处于稳定的工作状态。所有的数据都使用定制设计的 LabView 程序记录，该程序是振动监测器系统的一部分，所有的数据都进行了后续处理。3结果与讨论振动监测器装置记录的泵 1 和泵 2 的振动频谱如图 3 所示。从数据上来看，两台单级双吸泵的振动频谱图可以划分为高频率区域（1.5 kHz）和低频率区域（1.5 kHz）。通常情况下，低频率区域包含了转动频率、叶片通过频率以及一些干扰频率，这种混合型数据恰好可以真实地反映泵内构件与所输送流体与之间的相互作用，可以用来推算单级双吸泵的输送效率。因此，为了方便计算振动指数，本实验选择1.5 kHz 的振动频率数据进行分析。同时，根据泵内结构和传送流体之间的相互作用原理，泵在低效率运行时振动较大，在高效率运行时则表现为振动较小，基于泵体振动而采集的加速度数据可以作为计算水泵传输效率的指数。因此，本文以加速度的平均值作为振动指数，进行拟合 后 与 Yatesmeter 仪 器 记 录 的 真 实 效 率 值 进 行对比。对所有数据进行最小二乘抛物线拟合，通过振动监测系统采集数据计算出的振动指数与 Yatesmeter 仪器记录的供水效率之间的关系，如图 4 所示。从图中可以看出，在1.5 kHz 的频段，2 个泵的振动指数与供水效率都表现出很强的相关性。其中泵 2在全频段（包括低频段和高频段）甚至都可以得到类似的振动指数曲线。这表明利用振动指数来监测其输送效率是切实可行的。但从图 4 中 1号泵的曲线也可以看出，Yatesmeter 仪器和振动监测系统在低波段监测到的泵的最佳效率点的位置有所差异，这可能是由于流量的监测数据不足和数据点分布不佳导致的，2 号泵的曲线形状也证明了图 2泵体传感器分布图 3振动监测器记录的 1号泵和 2号泵的振动频谱 69Jun.2023Vol.4 No.3 Fluid Measurement&Control这一点。将两张图进行对比可以发现，当有更多的流量或效率的数据时，由两种监测方法得到的最佳效率点与曲线更加接近。甚至在 2 号泵的数据中，观察到当流量为 187.6 L/s时，基于振动指标拟合得到的最佳效率点与 Yatesmeter 仪器实际测量的最佳效率点几乎重合。也说明这种方法需要采集到足够多的振动、流量和效率监测数据，才能得到较为准确的拟合曲线，只有少量数据点可用时，这种方法的准确度会显著降低。因此在 1号泵的拟合曲线上，无法确定 Yatesmeter仪器和振动监测系统哪一个定位的最佳效率点更为准确，需要进一步测试采集更多的数据点。泵的输送效率会影响泵体的振动，但泵的振动并不仅仅取决于其当时工作效率，影响泵体振动的因素有很多，如转速、背压、轴承状况等。单级双吸泵的振动指数曲线与效率曲线表现出非常高的相关性，可以利用振动指数来实时监测其输送效率，但如果还能够同时监测其他影响因素（转速、背压、轴承状况等）的振动情况，这种监测方法将会更加准确，只需要采集足够多的数据，然后建立起振动曲线和效率曲线之间的函数关系，就可以对单级双吸泵的监测做到实时更新、准确稳定。4结语本文主要提出一种通过振动指数推断单级双吸泵供水效率的方法。实验结果表明，利用加速度传感器测量泵体蜗壳上的径向振动来估计泵的效率是可行的。从其适用性上来看，这种方法的好处是可以用于非侵入性监测场景，直接在单级双吸泵的蜗壳上就可以监测其效率，且设备简单，适用性广。同时还可以进行实时在线测量，补充了目前基于振动监测技术的泵类机械工作异常情况的检测方法。参考文献：1 张飞，权丽君.单级双吸离心泵转子系统的可靠性分析 J.机电工程，2021，38（9）：1207-1211.2 彭明杰.KQSN 系列单级双吸卧式离心泵振动原因分析及处理 J.当代化工研究，2017（4）：140-141.3 史长彪.离心水泵产生振动的原因分析与消除措施 J.南方农机，2020，51（14）：136-137.4 任慧峰.试析单级双吸中开式离心泵的技术改造 J.山西建筑，2018，44（22）：212-214.5 郭鹏飞.离心式水泵的振动原因分析与防治 J.当代化工研究，2020（11）：76-77.图 42种监测装置 70