往复真空泵的故障诊断与处理方法分析

往复真空泵的故障诊断与处理方法分析

王宇飞1 张勋2

（1.兰州石化职业技术学院机械系甘肃兰州730060 2．兰州石化设备维修公司甘肃兰州730060）[摘要]往复式机械在工作时旋转和往复运动共存，机器在工作负荷下，旋转惯性力和往复惯性力共同作用使机器和基础产生剧烈振动[1]。本文针对PSA装置立式真空泵振动异常，进行了详细的故障分析，对真空泵更换活塞配件材质后，驱动机受力以及更换活塞后十字头对十字头滑道作用力进行了受力分析。通过理论计算分析出导致真空泵剧烈振动的原因，并得到了实践的验证，对分析往复泵的振动有着一定的意义。

[关键词] 往复泵振动故障诊断受力分析

[正文]

0、概述

本文PSA装置的作用是催化尾气的提炼，并对其中的乙烷乙烯进行提纯后再加工利用，该装置中立式真空泵作为抽真空输送装置产品气的关键设备，在装置运行过程中起着重要作用。真空泵的的具体参数如表1：

表1.PSA装置立式真空泵运行参数

1、问题的提出

立式真空泵的工作介质为催化尾气经装置提取浓缩后的产品气，其主要成分为乙烯、乙烷，此介质为重要的化工原料。因为气体纯度不高，且含有腐蚀性介质，造成往复真空泵振动异常、故障频发。

2、故障及原因分析

2.1故障

该装置真空泵因运行周期长，活塞（铸铝）严重腐蚀以致活塞破裂，更换活塞（铸钢）后开车运行72小时后设备发生剧烈振动导致设备停车检修，致使十字头与滑道的磨损严重。

2.2故障原因分析

往复式机械的故障从状态监测参数上可分为两类：一类是热力参数的异常；另一类为机

器的动力性能参数的异常，也就是设备的机械故障，然而该真空泵的故障属机械故障，从以下几方面分析故障原因：

2.2.1更换活塞材质后，活塞惯性力过大引起设备振动；

根据设备开车运行记录，在检修后72小时之内设备振动在标准所允许的范围之内，设备运行正常，因此活塞的惯性力的变化不是造成设备振动的原因。

2.2.2活塞更换后原动机功率和转速不够造成设备运行不稳；

检查工艺记录发现电机未出现明显故障，电机运行正常，电机电流未超过电机设计功率下电流95A。

2.2.3轴承异常磨损；

在检修过程中，对入曲轴两侧滚动轴承进行检查，经拆检发现轴承完好，未发现异常磨损和疲劳。

2.2.4连杆大头瓦与曲轴配合间隙过大或连杆小头瓦与销子之间配合间隙过大；

通过压铅法对大头瓦与曲拐及连杆小头瓦与销子之间的配合处进行间隙测量，测量结果是配合间隙符合检修标准，因此配合间隙不是造成设备振动的主要原因。

2.2.5活塞杆连接螺栓松动；

通过读取振动频谱，及检查发现活塞连杆螺栓紧固，活塞杆原装位置不变。

2.2.6十字头与十字头滑道间隙增加，导致十字头在滑道内撞击产生振动。

检修过程中发现十字头及十字头滑道磨损严重，且十字头滑道内有明显的多道拉痕，用塞尺检查十字头与十字头滑道配合间隙，间隙值为3.5mm，超出检修标准规定间隙范围10倍之多。基本确定十字头与滑道配合间隙的增大是造成设备振动的主要原因。

3、真空泵的故障诊断

通过故障原因的分析基本确定十字头与十字头滑道间隙增大是造成设备振动原因，然而要确定故障的基本类型需要明确设备的振动形式，经分析确定为以下两方面：

3.1活塞更换后重量增加，十字头对滑道的作用力增大，运行过程中冲击过大，引起设备振动。活塞更换以后，新活塞重量是旧活塞质量的近4倍重。旧活塞的材质为空心铸铝，重25KG，而为了保证活塞的刚度，新活塞材质选用铸钢，重达100KG。如图1所示为往复真空泵的运动部件受力分析简图，活塞材质选用的变化造成活塞杆受到的总活塞力P增加，同时连杆传递到十字头的连杆力也增加。通过对十字头进行受力分析可知，十字头对滑道的作用力受到连杆力的影响。当连杆、活塞杆、十字头三个部件成一条直线时滑道对十字头的反作用力N最小；当连杆与十字头角度β最大时，滑道作用于十字头的反作用力最大。β角度的

不断变化，使得十字头对两侧滑道产生周期性的作用力，故而磨损滑道，设备产生异常的振动。[2]

图1 往复真空泵的运动部件受力分析简图

通过应力测试的方法，实验得出更换活塞前后的滑道对十字头的反作用力的最大值: max

N

=62.55N

更换前

N

max

=141.6N

更换后

以上数据表明，活塞材质更换后，十字头对滑道的反作用力活塞更换前的2倍，由于十字头与滑道之间存在间隙，并且在运行过程中不断增大，引起十字头对滑道的撞击不断增加造成真空泵的振动加剧。

3.2十字头与十字头滑道均采用铸铁件，由于十字头与滑道相互作用力的增大，使得十字头表面比压增大，超过材料许用比压值。加快了滑道与十字头的磨损，最终导致滑道间隙不断增大，进而引起了设备的整体振动。通过现场测绘得到真空泵行程s=270mm，转速为980r/min，连杆长度为500mm，十字头外径为D=237mm，长度L=185mm，宽度B=141mm。

立式往复机根据十字头设计要求，需要对十字头进行表面比压校核。由以上计算出的最大侧向力N值，根据式1计算十字头表面比压：

()Mpa B

L g Q N q ??+=1 式1 式中: N ——最大侧向力，由动力计算确定，公斤

Q ——十字头总重（公斤），立式往复机中Q 值不计。

经计算得：

()B L g Q N q ??+=

更换前1=Mpa 235.0141

.0185.08.955.62=?? ()B L g Q N q ??+=更换后1=Mpa 532.0141

.0185.08.96.141=?? 由于铸铁与铸铁配合时应满足[1q ]≤0.2～0.3 Mpa 的需用条件，可以判断是由于十字头表面比压超过许用比压值，造成滑道磨损而引起了设备振动。

注：许用比压值，当铸铁与铸铁时，[1q ]≤0.2～0.3 Mpa ；

当铸铁与巴氏合金，[1q ]≤0.6 Mpa 。[3]

4、故障的处理

通过以上计算及分析可知，往复真空泵之所以会发生振动加剧的现象，是由于更换活塞材质以后，十字头对滑道的作用力明显增加，导致十字头与滑道磨损增加，从而引起了设备的振动。

由于为了保证活塞的刚度，活塞材质不能再更换，建议通过改造十字头与滑道的配合材料及配合间隙来消除设备振动，具体方法是：

4.1在十字头表面浇注巴氏合金材料，通过浇注巴氏合金增大十字头与滑道之间的表面许用比压值，使十字头的表面比压达到许用范围内，减少了十字头与滑道的磨损，保证设备的正常运行。如图2所示：

图2 十字头表面质量改进

改造前 改造后

4.2由于十字头对滑道的作用力增加了，为减小十字头对滑道的冲击，对十字头与滑道的间隙进行了控制，间隙值尽可能的靠近设计值的下限0.15mm ，在保证设备运行油路畅通，滑

道润滑正常的情况下，尽可能的减小十字头对滑道的冲击。

5、检查与验证

往复真空泵的十字头表面浇注巴氏合金后，设备自开机运行以来，振动情况良好，并且好于其它正常运行的立式真空泵，设备稳定运行三个月，无停车现象的发生，振动值没有显著增加及异常，润滑油油质正常，设备依然在监测中。因此，通过对设备改造，降低了设备的振动值，消除了异常振动，解决了设备故障，使往复泵能处于一个长周期的稳定运行。

6、结语

机器设备的故障诊断是一门新兴学科，学科产生时间不长，但近年了得到了快速发展，在生产过程中起到了重要的作用。正是由于对设备进行状态监测和故障诊断，有效的提高了设备的检修效率[4]。相对于旋转机械，往复式机械的激振源多，设备会在往复惯性力和旋转惯性力的共同作用下运行，经常会造成机器及基础的振动加剧，因此对往复机械进行故障诊断有着一定的难度，通过对真空泵进行故障诊断，能为更好的对往复机械进行故障诊断提供实践的支持。

[参考文献]

[1]杨国安-机械设备故障诊断实用技术[M]-第一版-北京：中国石化出版社，2007年：156~164.

[2]张涵-化工机器[M]-第一版-北京：化学工业出版社，2005年：118~130；

[3]JB/T7675-2005往复真空泵；

[4]张键-机械故障诊断技术[M]-第一版-北京：机械工业出版社，2008年：75~76。

作者简介：王宇飞，1982年，男，满族，河北承德，讲师，学士，化工机械的状态监测与故障诊断

The fault diagnosis of

reciprocating vacuum pump and processing method Abstract: Reciprocating machinery on the job rotary motion and reciprocating motion coexist，The machine under the working load，the rotation inertia force and reciprocating inertia force basis and work together to make machine vibration violently.

Key words: reciprocating pump , vibration, fault diagnosis，Stress analysis