液環(huán)泵廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、冶金、消防等領(lǐng)域，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響到整個(gè)機(jī)組的工作和安全性能，一旦發(fā)生故障，將造成重大經(jīng)濟(jì)損失甚至嚴(yán)重事故。根據(jù)液環(huán)泵安全可靠運(yùn)行的需求，本文研究開發(fā)了一套液環(huán)泵工作在線監(jiān)測(cè)及分析系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液環(huán)泵的溫度、壓力、流量、軸功率、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等性能參數(shù)的采集、處理、顯示、存儲(chǔ)、異常判斷和故障報(bào)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的故障及其原因。通過液環(huán)泵的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性及實(shí)用性。

　　液環(huán)泵作為一種低真空泵，廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、冶金、消防等領(lǐng)域。液環(huán)泵的工作原理如圖1 所示，偏心安裝的葉輪按圖中順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，泵內(nèi)工作液受離心力作用在泵內(nèi)形成一個(gè)液環(huán)。液環(huán)內(nèi)表面與葉輪輪轂間形成的空間被葉輪葉片分割成若干個(gè)小腔體。在前半轉(zhuǎn)，小腔體的容積逐漸增大形成真空從吸氣口(黃色區(qū)域)吸入氣體。在后半轉(zhuǎn)，小腔體容積逐漸縮小，氣體被壓縮并由排氣口(紅色區(qū)域)排出。工作液除了形成液環(huán)作用外，還起到帶走氣體熱能及密封間隙的作用。因此液環(huán)泵的熱力過程近似為等溫過程，適合抽送易燃易爆或溫升容易引起分解的氣體，常被用于真空蒸餾、煤礦瓦斯抽送等存在易燃易爆氣體的場(chǎng)合，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為其安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)和故障診斷具有重要意義。

圖1 液環(huán)泵工作原理圖

　　國(guó)外關(guān)于液環(huán)泵在線監(jiān)測(cè)和故障診斷的研究資料相對(duì)較少。國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究一般集中在故障機(jī)理的分析。例如王桂芹給出了液環(huán)泵在使用和維護(hù)過程中，影響性能的主要因素。宋子義、賈相福、向冬枝、解喆、李鳳及王能秀等人分析了液環(huán)泵閥片斷裂、泵體振動(dòng)等常見的故障機(jī)理及解決措施。在液環(huán)泵故障診斷方面，季利平、翁旭霞對(duì)液環(huán)泵轉(zhuǎn)子不平衡等故障振動(dòng)信號(hào)頻譜特征做了分析，并采用振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀對(duì)液環(huán)泵的關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。李昱、王宣宇采用振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，對(duì)液環(huán)泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，并將小波分析法引入到液環(huán)泵的故障診斷中。這些研究有助于發(fā)現(xiàn)液環(huán)泵工作中出現(xiàn)的故障，但也存在以下問題：(1)液環(huán)泵故障診斷方式多采用事后或定期檢查，未能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液環(huán)泵運(yùn)行狀態(tài)以消除潛在故障。(2)現(xiàn)有的液環(huán)泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能不足，監(jiān)測(cè)點(diǎn)少，且僅僅依靠振動(dòng)信號(hào)判斷液環(huán)泵的運(yùn)行狀態(tài)極易造成誤診或漏診，診斷結(jié)論可信度低。

　　鑒于上述情況，本文開展液環(huán)泵工作在線監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)的研究開發(fā)，該系統(tǒng)具備以下功能：(1)性能參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄：可實(shí)時(shí)采集和記錄液環(huán)泵的溫度、壓力、流量、軸功率、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等參數(shù)。(2)數(shù)據(jù)庫(kù)管理：對(duì)采集的參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)查詢，用圖表方式給出數(shù)據(jù)。(3)趨勢(shì)分析和故障預(yù)報(bào)：對(duì)液環(huán)泵監(jiān)測(cè)參數(shù)的變化進(jìn)行趨勢(shì)分析和回歸預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常及故障預(yù)報(bào)；當(dāng)參數(shù)超出設(shè)定值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。(4)人機(jī)交互與操作指南：提供人機(jī)交互界面和幫助文檔，方便用戶使用系統(tǒng)提供的功能、服務(wù)。(5)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性：硬件設(shè)計(jì)提供擴(kuò)展通道，軟件模塊化，功能可方便擴(kuò)展。

1、液環(huán)泵工作性能在線監(jiān)測(cè)

　　1.1、監(jiān)測(cè)參數(shù)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

　　選取2BE1-203 型液環(huán)泵作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，該機(jī)組由電機(jī)、液環(huán)泵、進(jìn)氣管路、排氣管路、供水管路、排水管路、進(jìn)氣三通、汽水分離器、底座等組成。液環(huán)泵性能參數(shù)多、數(shù)據(jù)量大，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)一方面要避免因監(jiān)測(cè)點(diǎn)過多而使有價(jià)值的數(shù)據(jù)淹沒在海量無用數(shù)據(jù)中，另一方面也要避免因測(cè)點(diǎn)過少而缺乏對(duì)故障診斷有價(jià)值的信息。根據(jù)液環(huán)泵有關(guān)的操作、測(cè)試規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，本文所選取的液環(huán)泵監(jiān)測(cè)參數(shù)及位置如圖2 所示，所選用的傳感器如表1 所示。

圖2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

表1 測(cè)量參數(shù)及傳感器的選型

　　1.2、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　液環(huán)泵工作性能在線監(jiān)測(cè)及分析系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要由NI Compact DAQ 機(jī)箱、各類傳感器及變送器、電流輸入型數(shù)據(jù)采集卡、電壓輸入型數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)/PC 構(gòu)成。各變送器將能反應(yīng)液環(huán)泵運(yùn)行狀態(tài)的特征參數(shù)如溫度、壓力、流量、軸功率、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并對(duì)采集到的電信號(hào)進(jìn)行處理得到0~5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓或4~20 mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，最后通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，使之成為計(jì)算機(jī)可處理的數(shù)字信號(hào)，計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)在獲得數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)男盘?hào)后，在軟件的運(yùn)行下完成各物理量的分析處理、顯示及存儲(chǔ)。

圖3 液環(huán)泵運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)及分析系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

　　采用LabVIEW 軟件編寫數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、報(bào)警記錄、人機(jī)交互程序，用Access 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)軟件總體方案如圖4 所示，主要包括用戶登錄與管理、板卡自檢、系統(tǒng)設(shè)置、系統(tǒng)幫助、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理及分析、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警記錄、液環(huán)泵性能曲線打印等功能模塊。

圖4 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)方案

　　用戶管理模塊用于用戶的增加、刪除和密碼設(shè)置等。參數(shù)設(shè)置模塊主要用于環(huán)境信息、液環(huán)泵工藝參數(shù)、系統(tǒng)硬件參數(shù)及報(bào)警限值設(shè)置。數(shù)據(jù)采集模塊用于對(duì)液環(huán)泵的監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)采集，并將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)分析、顯示、存儲(chǔ)及報(bào)警記錄模塊。信號(hào)處理及分析模塊對(duì)采集到的信號(hào)采用數(shù)字濾波方式消除干擾，并對(duì)信號(hào)做時(shí)域和頻域分析。數(shù)據(jù)顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示采集數(shù)據(jù)的瞬時(shí)值及隨時(shí)間變化曲線。報(bào)警記錄模塊用于判斷采集參數(shù)是否超出用戶設(shè)定的報(bào)警限值，當(dāng)超出時(shí)系統(tǒng)發(fā)出蜂鳴聲報(bào)警。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要是把采集的數(shù)據(jù)存入Access 數(shù)據(jù)庫(kù)中。性能曲線打印模塊用于顯示和打印液環(huán)泵的效率、軸功率、抽氣速率、工作液供給量等曲線。板卡自檢模塊用于檢測(cè)數(shù)據(jù)采集卡及cDAQ 機(jī)箱是否正常工作。系統(tǒng)幫助模塊則為用戶提供詳細(xì)的軟件操作指導(dǎo)。

2、性能監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

　　2.1、信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

　　液環(huán)泵的信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面如圖5 所示。各監(jiān)測(cè)值顯示控件的閃爍狀態(tài)用來表征液環(huán)泵運(yùn)行正常與否。正常運(yùn)行時(shí)顯示控件呈綠色不閃爍；當(dāng)某一參數(shù)超出液環(huán)泵正常范圍時(shí)，顯示控件則呈紅色閃爍，例如圖5 中的液環(huán)泵驅(qū)動(dòng)端Y 方向及底座垂直方向振動(dòng)因超過允許值而呈紅色狀態(tài)。此外，采集數(shù)據(jù)開始后，為避免用戶誤操作及過多用戶操作事件增加系統(tǒng)開銷，影響數(shù)據(jù)讀取速率，除強(qiáng)制停止按鈕外將禁用其它功能控件。

圖5 信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面

　　2.2、信號(hào)時(shí)域分析

　　信號(hào)時(shí)域分析模塊主要用于記錄液環(huán)泵監(jiān)測(cè)參數(shù)隨時(shí)間變化歷程。作為示例，圖6 給出了監(jiān)測(cè)得到溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速、軸功率、轉(zhuǎn)速及驅(qū)動(dòng)端軸承座X 方向振動(dòng)的時(shí)域曲線。由溫度時(shí)域曲線可見：①液環(huán)泵進(jìn)氣管線溫度和工作液入口溫度基本恒定；②盡管液環(huán)泵的熱力過程近似等溫壓縮，但由于工作液壓縮氣體做功，實(shí)際排出氣體溫度略高于吸入氣體溫度；③非驅(qū)動(dòng)端軸承溫度要高于驅(qū)動(dòng)端軸承溫度，這是因?yàn)榉球?qū)動(dòng)端軸承需同時(shí)承受徑向和軸向載荷。

　　由圖6 可見，液環(huán)泵各性能參數(shù)變化具有相關(guān)性。當(dāng)氣體閥門開度增大時(shí)，液環(huán)泵吸入壓力升高，抽氣速率增加，排氣管線和工作液出口溫度將逐漸降低，泵內(nèi)氣相占據(jù)的空間增大而液相的空間減小，因此所需供水量減小，系統(tǒng)維持液環(huán)所需能量減少使泵軸功率下降；當(dāng)氣體閥門開度減小，上述監(jiān)測(cè)參數(shù)變化情況則相反；若氣體閥門開度不變，上述監(jiān)測(cè)參數(shù)則近似維持穩(wěn)定。若閥門開度不變而監(jiān)測(cè)量變化幅度較大，則說明液環(huán)泵機(jī)組可能有故障發(fā)生。

圖6 液環(huán)泵各監(jiān)測(cè)信號(hào)時(shí)域曲線圖

　　因測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)存在強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾，原始信號(hào)中含有較多脈沖噪聲，需要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波。例如對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)采用了中值算法濾波，對(duì)振動(dòng)信號(hào)則采用了巴特沃斯低通濾波器濾波。

　　2.3、信號(hào)頻域分析

　　液環(huán)泵工作異常或發(fā)生故障時(shí)，其振動(dòng)值一般有較顯著變化。特定的振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)特定的故障，液環(huán)泵振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)頻率經(jīng)常是整數(shù)倍或分?jǐn)?shù)倍的關(guān)系。以液環(huán)泵驅(qū)動(dòng)端軸承座X方向振幅譜(如圖7)為例，在頻率值f=16 Hz 附近出現(xiàn)較大的振幅，該頻率正好是泵額定轉(zhuǎn)速(980r/min)下的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率值f=980/60≈16.33 Hz。加之振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形近似正弦波，由液環(huán)泵轉(zhuǎn)子不平衡故障機(jī)理分析知，該液環(huán)泵存在轉(zhuǎn)子不平衡問題，判斷其動(dòng)平衡沒有達(dá)到精度要求。

　　2.4、液環(huán)泵性能曲線

　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可根據(jù)用戶需要，給出液環(huán)泵穩(wěn)定運(yùn)行后的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(15 ℃工作液、20 ℃進(jìn)氣)下的性能曲線。不同轉(zhuǎn)速下的液環(huán)泵的標(biāo)準(zhǔn)性能曲線如圖8 所示，其中橫坐標(biāo)是液環(huán)泵吸入口絕對(duì)壓力，縱坐標(biāo)分別是抽氣速率和軸功率。

圖7 驅(qū)動(dòng)端軸承座X 方向振幅譜

圖8 液環(huán)泵性能曲線

　　由圖可見，在各個(gè)轉(zhuǎn)速下，隨著吸入壓力的增加，液環(huán)泵吸入的氣量逐漸增大并達(dá)到一個(gè)峰值，隨后略有減小直至基本恒定。轉(zhuǎn)速的增加使抽氣速率性能曲線整體上移。軸功率性能曲線呈拋物線狀，在某個(gè)吸入壓力下存在一個(gè)峰值。轉(zhuǎn)速的增加也使軸功率曲線整體上移。

3、結(jié)論

　　(1)本文對(duì)液環(huán)泵工作性能在線監(jiān)測(cè)及故障診斷進(jìn)行了研究并開發(fā)了一套液環(huán)泵性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性及準(zhǔn)確性，以2BE1-203 型液環(huán)泵為監(jiān)測(cè)對(duì)象，建立了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采集了在不同工況下的信號(hào)樣本，為液環(huán)泵的故障診斷研究提供了數(shù)據(jù)支持。實(shí)驗(yàn)證明，通過該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能方便、實(shí)時(shí)的了解液環(huán)泵的運(yùn)行性能。

　　(2)為了從采集數(shù)據(jù)挖掘出更多液環(huán)泵工作性能信息，采用信號(hào)時(shí)域和頻域分析法處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而深入分析液環(huán)泵的工作狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)泵故障及其原因，并實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，從而提高了泵的可靠性和安全性。