鉆機泥漿泵振動監(jiān)測系統(tǒng)設計

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1、摘 要 鉆井泥漿泵是石油鉆井消費中不可缺少的主要設備之一，泥漿泵的質量對鉆井消費的速度、質量和本錢都有很大影響，并且隨著鉆井工藝的開展，其影響會越來越大。泥漿泵的液力端都是采用標準單元構造，而動力端采用曲軸十字頭構造。泥漿泵主要由泵殼、葉輪、前后端蓋、曲軸、十字頭等零部件組成。 在對泥漿泵狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷、信號分析等理論研究的根底上，提出了一種振動監(jiān)測的方法。監(jiān)測診斷系統(tǒng)是指采用傳感器固定安裝，把信號通過現(xiàn)場布線引到指定的地點，采用硬件(主要是測量儀表)進展簡易診斷，然后通過軟件系統(tǒng)(主要采用便攜式系統(tǒng))進展精細診斷，精細診斷系統(tǒng)根據需要選擇何時診斷以及采用在線診斷或離線診斷。這樣既可以

2、方便現(xiàn)場工作人員進展常規(guī)性的檢查，又可以深層次的診斷設備故障的原因、部位以及嚴重程度，進展深化分析，作出判斷。 本文通過對泥漿泵的一些主要零件進展強度校核、對泥漿泵機組進展振動監(jiān)測試驗與振動特征分析；并利用振動信號對泥漿泵模型進展信號監(jiān)測和故障診斷分析，建立完好的泥漿泵振動監(jiān)測系統(tǒng)。這樣可以到達對設備運行狀態(tài)“心中有數〞，做到故障提早發(fā)現(xiàn)、及時維修、“防患于未然〞。最大程度上進步了設備運行的可行性，進步鉆機泥漿泵的效率，給企業(yè)帶來極大的經濟效益和社會效益。 關鍵詞：泥漿泵；監(jiān)測；故障分析；振動測試 39 / 44 Abstract Drilling mud is one of t

3、he indispensable to the production of oil drilling main equipment, the quality of the drilling mud pump to the rate of production, quality and cost have great influence, and with the drilling process of development, its impact will grow. The mud pump hydraulic end are using standard unit structure，A

4、nd the crankshaft crosshead with power structure. Mud mainly by the pump casing, impeller, front and rear cover, crankshaft, crosshead and other component parts. In the mud pump condition monitoring and fault diagnosis, signal analysis based on the study of the theory, proposed a method of vibratio

5、n monitoring. Monitoring and diagnosis system is the use of sensors fixed installation, Cited by routing the signal to the specified site location, the use of hardware (mainly measuring instruments) for simple diagnosis, then the software system (mainly portable system) for precision diagnosis, prec

6、ision diagnosis system according to need to choose when to diagnosis and diagnosed online or offline the diagnosis. This can not only convenient field staff for regular check, but also deep-seated causes of diagnostic equipment, location and severity, depth analysis to make judgments. This article

7、through to the mud pump some of the key parts of the mud pump intensity, the vibration monitoring and analysis of characteristics of the vibration characteristics test; And the use of vibration signals of mud model signal monitoring and fault diagnosis, Establish a complete mud pump vibration monito

8、ring system. This can be achieved for devices running "a pretty good idea". Do fault to find out, timely maintenance, "to nip in the bud". The biggest increases on the degree of the equipment operation feasibility, Improve the efficiency of mud pump rig, Bring great economic benefits to the enterpri

9、se and social benefits. Keywords: Mud pump; Monitoring; Failure analysis; Vibration test 目 錄 第1章 緒 論 1 1.1 研究的目的和背景 1 1.2 泥漿泵國內外開展情況 1 1.3 泥漿泵監(jiān)測系統(tǒng)的故障診斷現(xiàn)狀 2 1.4 論文構造圖 3 第2章 鉆機泥漿泵主要零件選擇及強度的計算 4 2.1 機架 4 2.2 泵體 4 2.3 連桿十字頭連接處銷子強度的計算 4 2.4 V帶傳動的計算 6 2.5 軸承的選擇 8 2.6 泥漿泵電動機的選擇 10 第3章 泥漿泵

10、機組振動試驗監(jiān)測與振動特征分析 13 3.1 常見故障及改良措施 13 3.2 泥漿泵機組智能故障診斷系統(tǒng) 13 3.3 機組工況及振動信號測試方案 15 3.4 機身外表振動的振源初步分析 16 3.5 機組振動頻譜分析 16 第4章 泥漿泵振動監(jiān)測系統(tǒng)設計 23 4.1 泥漿泵的工作原理 23 4.2 泥漿泵在線狀態(tài)監(jiān)測方案設計 23 4.3 系統(tǒng)模塊與監(jiān)測參數 25 4.4 泥漿泵狀態(tài)監(jiān)測圖解 26 4.5傳感器的安裝和使用 27 4.6振動監(jiān)測系統(tǒng)界面圖 28 結 論 29 參考文獻 30 致 謝 32 第1章 緒 論 1.1 研究的目的和背景

11、 隨著科學技術的迅猛開展，現(xiàn)代工業(yè)消費中的機械設備正朝著大型化、復雜化、高速化、自動化及大功率方向開展。由于設備中不同局部之間的互相聯(lián)絡、耦合程度更加嚴密，一個局部出現(xiàn)故障，將引起整個消費流程中斷，現(xiàn)代化的消費設備在進步消費效率的同時也大幅度的增加了設備的維修費用。設備振動監(jiān)測技術是目前國內外一項開展迅速、備受歡送的重要技術。它是平安經濟運行的需要，設備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷越來越得到重視。因此研究設備振動監(jiān)測系統(tǒng)是很有意義的。鉆機泥漿泵是鉆探機械設備的重要組成局部，對其振動監(jiān)測也極其重要。泥漿泵分單作用及雙作用兩種形式，單作用式在活塞往復運動的一個循環(huán)中僅完成一次吸排漿動作。而雙作用式每往復

12、一次完成兩次吸排漿動作。由于泵軸與電機不同心、葉輪不平衡、軸承損壞等原因泥漿泵會發(fā)生振動，出現(xiàn)故障。機械設備在運行過程中的振動及其特征是反映系統(tǒng)狀態(tài)及其變化規(guī)律的主要參數之一，因此針對鉆機泥漿泵進展振動監(jiān)測系統(tǒng)設計[1]。 結合鉆機泥漿泵的構造特點和整體振開工況條件，進展泵體整體振動和噪音分析，對故障多發(fā)部位或部件進展專門研究，并對經典的故障類型進展詳細的分析，最終設計建立泥漿泵模型的振動測試系統(tǒng)。 1.2 泥漿泵國內外開展情況 我國的泥漿泵是從上世紀60年代才開場由引進美國技術開展起來的，目前也是隨著世界的先進技術的開展而開展。根據2020年統(tǒng)計，中國擁有鉆機1000余臺，占世界鉆機的

13、32%，其中中石油集團公司擁有702臺。因此，中石油集團公司的鉆機情況根本反映了國內鉆機的現(xiàn)狀。國內消費鉆井泵的企業(yè)主要有：寶雞石油機械、蘭州蘭石國民油井石油工程。 在中國石油集團公司擁有的702臺鉆機中，4000m以下的鉆機占總量的80%。平均新度系數僅為0.4，其中48%的鉆機新度系數小于0.3,有500臺左右的鉆機服役10年以上，待更新。在“十五〞期間，中石油集團公司投人巨資更新鉆機，隨之配套的鉆井泵相應也需要更新。在2000年統(tǒng)計，中國石油集團公司年累計完成井數為7165口，進尺為10908km，其中井深小于4000 m 的井數和進尺分別為7056口和10383km，所占比例分別為9

14、8.5%和95.2%。從以上分析數據可知， 在用鉆機主要為4000m以下鉆機。 國外泵業(yè)開展迅速，高科技的開展和應用起了致關重要的作用，如CAD/CAM技術的應用，推動了泵的設計多樣化，消費朝多品種、小批量方向開展。制造技術的進步給泵業(yè)的開展注入了新的力量，由合成纖維、陶瓷及聚四氟乙烯等材料制成的低摩擦壓縮填料和石棉填料相比，在多方面顯出了優(yōu)勢，顯示了新的生命力[2]。 1.3 泥漿泵監(jiān)測系統(tǒng)的故障診斷現(xiàn)狀 柱塞式泥漿泵是油田廣泛使用的一種往復式機械，對維持油田正常消費具有重要作用。80 年代以來，我國廣闊科技工作者在旋轉機械的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面做了大量工作，獲得了許多成果。但在往

15、復機械方面，那么由于各種原因此相對落后。科技工作者經過大量實驗，發(fā)現(xiàn)了柱塞式泥漿泵泵的幾個重要故障特征頻段，掌握了一些常見故障與這些特征頻段的關系，并發(fā)現(xiàn)泥漿泵泵故障嚴重程度與頻段內的能量大小有親密關系。在此根底上開發(fā)研制的故障診斷系統(tǒng)，根本上能比擬準確地判斷柱塞式泥漿泵泵的故障。該系統(tǒng)由專門研制的數據采集器、軟件和筆記本式計算機組成，操作簡單，便于現(xiàn)場使用。 泥漿泵是在鉆探過程中，向鉆孔輸送泥漿或水等沖洗液的機械。泥漿泵泵一旦發(fā)生故障,常造成甚至高達數十萬元的經濟損失和嚴重的社會危害川。應用故障診斷技術,可以方便地判斷出故障原因,隨后采取解決措施。所謂采油設備故障診斷技術,是針對油田泥漿泵

16、機組在其狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷及維修決策管理等方面存在的諸多缺陷,研制開發(fā)出的集數據采集、信號處理、專家系統(tǒng)為一體的技術。 專家系統(tǒng),是一種以知識為根底的、智能化的計算機軟件系統(tǒng),它將領域專家的知識、經歷加以總結,形成規(guī)那么,存人計算機建立知識庫。采用適宜的控制策略,按輸人的原始數據進展推理、演繹,做出判斷和決策,因此能起到領域專家的作用。近年來,專家系統(tǒng)在很多方面都有廣泛的應用,尤其是在故障診斷方面,更是有了極大的開展。在國內,專家系統(tǒng)主要應用在診斷型的專家系統(tǒng)方面,而且主要在大型石化、石油企業(yè)中。其中專門針對油田關鍵設備—泥漿泵泵的專家系統(tǒng)的開發(fā),也有一些開展和應用。但是,目前大局部專門針對

17、泥漿泵的診斷系統(tǒng),很多都處于實驗室研究階段,極少有直接應用于實際消費的。并且,即使是應用于現(xiàn)場油田的一些診斷系統(tǒng),其操作人員必須具有一定的相關知識背景,而且還需長時間的培訓,方能純熟操作。這些都給實際應用帶來了極大的不便。本文所研究的泥漿泵振動監(jiān)測系統(tǒng),根據泥漿泵機組的特點,開發(fā)了專門針對泥漿泵的小型專用知識庫,并利用正反向棍合推理機制,進步了診斷效率。根據采集到的各類數據,自動完成診斷過程,以圖形或漢字顯示出診斷結果。故障特征提取、診斷均自動完成并將診斷結果層次化,分級別顯示?，F(xiàn)場應用獲得了良好的效果[3]。 1.4 論文構造圖 論文整體構造圖如圖1-1所示： 緒 論 泥漿泵主

18、要零件的選擇和強度計算 泥漿泵機組振動試驗監(jiān)測與特征分析 泥漿泵振動監(jiān)測系統(tǒng)設計 監(jiān)測參數 系統(tǒng)功能 泥 漿 泵 狀 態(tài) 監(jiān) 測 圖 傳 感 器 的 安 裝 使 用 泥漿泵振動監(jiān)測系統(tǒng)設計結論 圖1-1論文整體構造 第2章 鉆機泥漿泵主要零件選擇及強度的計算 泥漿泵零件強度的計算是按皮帶傳動，電機功率5.5Kw，泵的額定壓力 ，流量，柱塞來進展的[4]。 2.1 機架 機架是由8#槽鋼、平墊板、撐管、加固筋等構造件焊接而成。 2.2 泵體 泵體可實現(xiàn)吸、排水泥漿功能。泵體由主軸、偏心套、連桿、滑套、十子頭、活塞銷等組成。 泵頭由拉桿、柱塞、漿缸、閥座、

19、閥蓋、球閥、進漿室、排漿室、進漿膠管接頭、空氣室等組成。 行星軸和主軸均安有圓錐滾子軸承，既能承受向心力又能承受斜齒輪產生的軸向分力，有較高的抗彎強度。柱塞和拉桿都采用兩道C形滑環(huán)組合密封，能承受高壓，高溫度250，低溫-100，耐磨，自光滑，適用于水、水泥漿、砂漿、礦物油、酸、堿等各類介質。柱塞通過一套冷卻裝置降低溫升，只需要把膠皮水管一端接近直通管接頭，冷卻水即可進入冷卻水管，冷卻拉桿、柱塞。 泵的進口為，設置在進漿室的右側、內孔為，有膠管一端接進漿膠管接頭，另一端接水泥漿攪拌桶出口。攪拌機的出漿口必須高于或等于進漿膠管接頭孔的高度，使?jié){涂順利的被泵吸入[5]。 泵的出口為，纖維編織

20、兩層高壓膠管制25mm，接排漿室膠管接頭。 2.3 連桿十字頭連接處銷子強度的計算 銷的類型可根據工作要求選定，用于聯(lián)結的銷，其直徑可根據聯(lián)結的構造特點按經歷確定，必要時再作強度較核。 定位銷通常不受載荷或只受很小的載荷，數目不能少于兩個。銷在每一個被聯(lián)結的件內的長度約為銷直徑的1-2倍，定位銷的材料通常選35、45鋼，并進展硬化處理，根據工作需要也可以選用30CrMnSiA、1Cr13、2Cr13、H62和1Cr18Ni9Ti等材料；彈性圓柱銷多采用65Mn，其槽口位置不應裝在銷子受壓的一面，要在裝配圖上表示出槽口的方向。 設計平安銷時，應考慮銷剪斷后要不易飛出和要易于更換。

21、平安銷的材料可選用35、45、50鋼或T8A、T10A等，熱處理后硬度為30-36HRC；銷套材料可 選45鋼、35SiMn、40Cr等，熱處理后的硬度為40-50HRC。平安銷的直徑應按銷的抗剪強度τb進展計算，一般可取τb 。 〔2-1〕 根據本設計的實際情況，選擇45鋼d=16mm的圓柱銷。 材料：45號鋼 (1)外加負荷 (2)各支點反力, 解得： (3)各支點彎矩如圖2.1 (4)按彎曲強度計算 從圖2

22、.1的彎矩圖可知危險短面為C處截面，截面C處的抗彎摸量W 圖2-1 彎矩圖 截面C處的彎曲應力 平安系數n 平安 〔5〕按剪切強度計算 由于此銷為雙剪切 故剪力 剪應力 平安系數 〔2-2〕 平安 式中：—許用剪應力 ； 〔6〕按擠壓強度計算 擠壓應力 平安系數 〔2-3〕 平安 式中：—擠壓剪應力 。 綜上所敘連桿小頭銷子直徑為16mm滿足強度要求[6]。 2.4 V帶傳動的計算 帶傳動是由固聯(lián)于主動軸上的帶輪

23、、固聯(lián)于從動軸上的帶輪和緊套在兩輪上的傳動帶組成的。當原動機驅動主動輪轉動時，由于帶和帶輪間的摩擦〔或嚙合〕，便拖動從動輪一起轉動，并傳動一定動力。帶傳動具有構造簡單、傳動平穩(wěn)、造價低廉以及緩沖吸振等特點，所以此次設計中選用了帶傳動。 在帶傳動中，常用的有平帶傳動，V帶傳動，多楔帶傳動和同步帶傳動等。在一般機械中，應用最廣的是帶傳動。V帶傳動較其它帶傳動能產生更大的摩擦力。這是V帶傳動的主要優(yōu)點。因此，我選用了V帶傳動。 (1)計算功率 (2)膠帶型號的選擇 根據及 (3)傳動比為； (4)小帶輪直徑D1確實定 查表得 (5)大帶輪直徑D2的計算

24、 〔2-4〕 其中，——小帶輪直徑； ——傳動比； ——彈性滑動率。 查表得，大帶輪直徑為266mm。 (6)帶速V 速度在5～25的范圍內，適宜 (7) 初定軸間距 取 (8)初算膠帶基準長度L0 選取基準長度 (9) 實際中心距a (10)小帶輪包角α1 (11)單根膠帶傳遞的功率 根據 查得 (12)單根膠帶傳遞功率的增量 根據 查得 (13)膠帶根數

25、 〔2-5〕 ==2.96 取Z=3 式中—包角系數； —長度系數。 (14)單根膠帶的預緊力 =500〔〕+0.1 =146.05N (15)帶輪的構造和尺寸 a.小帶輪的構造尺寸確定 由所選電機的類型，Y132S-4型三向異步電動機。起軸伸直徑d=38mm，長度L=88mm，故小帶輪軸孔的直徑應取=38mm，轂長應小于88mm。 由表14-18查得，小帶輪應為實心軸。輪槽尺寸及輪寬應按表14-16計算，可得=11mm，=3mm，=11mm，e=15mm，=10mm，=6mm。 =80mm。取。

26、 b.大帶輪的構造尺寸確定[7] 根據小帶輪尺寸的選定，以及以上關于帶輪傳動的計算和減速器的構造尺寸，可得，=14mm，=3mm，=15mm，e=19mm，=12mm，=7.5mm。 =120mm。取 2.5 軸承的選擇 滾動軸承是現(xiàn)代機器中廣泛應用的部件之一，它是依靠主要元件間的滾動接觸來支承轉動零件的。與滑動軸承相比，滾動軸承具有摩擦阻力小，功率消耗小，啟動容易等特點。因此，此次設計的軸承主要選擇滾動軸承。 A即主軸左端處軸承為：33210 其主要性能參數： 主要特性：額定動載荷比為1.6-3.5，可以同時承受徑向載荷及軸向載荷。外圈可別離，安裝時可調整軸承的游隙

27、，承載才能大，一般成對使用。 B處即主軸右端處軸承為32005，與A處的軸承是配對使用的。 其主要性能參數與處的軸承是一樣的。 C處即為連桿與偏心裝置處的軸承為：單列深溝球軸承61912， 其主要性能：主要承受徑向載荷，也可同時承受小的軸向載荷；當量摩擦系數較小，軸向位移限制在軸向游隙范圍內；極限轉速高；構造簡單，尺寸小；光滑簡單；密封性好，防塵性好。 行星軸上的軸承選擇：角接觸球軸承，左右兩邊各一個，配對使用，并且型號都為6301[8]。 由前面軸的受力分析可以看出，軸承只受徑向力，而無軸向力。軸承所承受的徑向力分別為： 2.5.1 軸

28、承壽命計算 〔1〕當量動載荷P 式中：—載荷系數=1.2。 〔2〕軸承壽命L[9] A處軸承: =16670〔27800/ 6874.6〕10/3/255=6887.35h B處軸承: =16670〔20200/3992.2〕10/3/255=8343h C處軸承: =16670〔27800/ 5699.1〕10/3/255=37136.7h 2.5.2 靜載荷的計算 〔1〕=17500/1.2=14583N =13900/1.2=11593N =42600/1.2=35500N 式中：S0—靜載荷平安系數。 取S0=1.2

29、 〔2〕驗算當量靜載荷P0 F+F 〔2-6〕 =0.65728.8+0 =3437.2N＜FγA 〔2-7〕=0.63326.8+0=1996.1N＜FΓB 取 〔2-8〕 =0.65699.1=3419.5＜FΓe 式中: X0－靜載荷系數(徑向)　　X0=0.6； Y0－靜載荷系數(軸向) 　Y0=0.5； 故滿足要求[11]。 2.6 泥漿泵電動機的選擇 泵的原

30、動機類型應根據動力來源、工廠或裝置能量平衡、環(huán)境條件、調節(jié)控制要求以及經濟效益而定。 現(xiàn)今電動機主要有鼠籠式和線繞式兩種，三向交流鼠籠型異步電動機是石化裝置用泵的主要原動機，它具有構造簡單、維護方便、價格較低、體積緊湊、啟動及運行均較方便可靠的優(yōu)點。但是它不能經濟、方便地實現(xiàn)范圍較廣的平滑調速、運行中必須從電網吸收滯后的無功電流而使電網功率因素變低，一般不適于大型泵及調速泵，而多用于中、小型泵。 相比之下，三相交流繞線型電機和三相交流同步電機，那么可用于對啟動、調速、改善電網功率因數、大功率、高效率、轉速恒定等有特殊要求的場合，但用于驅動泵的不多。 直流電機雖有調速性好、啟動轉矩大等優(yōu)點

31、，但需直流電源，造價高，維修較復雜，一般也不常用于消費裝置中。 當需要改變工廠的蒸汽平衡，對裝置中大型泵或需調速等特殊要求的泵，可以用氣輪機作泵的原動機。 隨著石化裝置技術程度及經濟性的進步，采用反轉離心泵或液力透平作為泵的輔助或主要原動機，以回收壓力液流的可用能量；采用調速或多速電機，或采用電磁的、液力的、機械的耦合器以到達泵調速的目的等技術，近年來已應用于石化裝置。 此外，在特定的情況下，也有用蒸汽機、內燃機、燃汽機等作為泵的原動機的。 然而，電機的選擇還要根據某些參數才能確定最終的電機型號計算過程如下： 由參數可知， 而根據公式F= 可得，F(xiàn)= 其中 F——主軸所受的軸向

32、力； A——運動活塞的截面積； P——作用在軸上的最大壓力。 由以上便可得主軸的轉矩T： T=Fr=484651=247.146N.m 根據公式， P= 〔2-9〕 可得 P= =443.45/r 其中 p——為排量； M——為轉矩； P——為最大壓力。 又由Q=，可得軸的轉速r= 〔2-10〕 r

33、= =170r/min； 其中 Q——為流量〔L/min〕； P——為排量〔〕。 最終根據以上所求的參數，可根據公式T=9550求得軸的輸出功率 P= = =4.39Kw； 取每級齒輪的傳動效率為0.97，帶的傳動效率為0.92?？伤愕秒姍C的輸出 功率為P= =5.08Kw。 一般的，Y系列是供一般用處的全封閉自扇冷鼠籠型三相異步電動機，具有效率高、性能好、噪音低、振動小、體積小、重量輕、運行可靠、維護方便等優(yōu)點。而Y系列電動機主要擁有啟動轉矩高、啟動電流小等優(yōu)點。 根據以上的表達和有關計算，

34、決定選擇Y132S-4型三向異步電動機，其功率為5.5Kw，轉速為1440r/min，重量為95Kg。即Y132S-4，5.5Kw、1440r/p。 此系列的電動機的主要特點：啟動轉矩高、啟動電流小，效率較高，損耗少，運行可靠，運行溫度低；于其構造型式為封閉式，因此可以在塵土飛揚、水土飛濺的環(huán)境中使用，在比擬潮濕及有細微腐蝕性氣體的環(huán)境中也能有較長的使用壽命[12]。 第3章 泥漿泵機組振動試驗監(jiān)測與振動特征分析 泥漿泵機組振動試驗監(jiān)測與振動特征分析主要是為異常工況下振動信號提供分析參考，建立數據庫。 3.1 常見故障及改良措施 1.常見故障一 由于十字頭在滑道內不斷地來回運動

35、，容易出現(xiàn)將滑道拉傷等情況，嚴重時會造成泵殼報廢。由于這種型號的泵采用的是泵殼缸套的一體化設計，所以其維修即等于對整臺泵進展大修。改良措施：十字頭上方安裝溫度感應器，及時測量各缸十字頭與滑道溫度，防止拉缸。 2. 常見故障二 曲軸箱內部故障主要有：機油粘度達不到要求；機油內存在雜質；機油內進水乳化等以及曲軸與軸瓦間隙過大或過小；曲軸軸向軸承間隙過大或過?。贿B桿變形等。由于長時間的運轉，泥漿泵各運動副間隙增大，十字頭和十字頭銅套會加劇磨損，間隙增大導致泵振動加劇，機油溫度升高，泵運行噪音也明顯加劇，曲軸箱機油溫度可升高到65℃左右，嚴重時造成事故發(fā)生。改良措施：在曲軸箱內安裝電子溫度感應器，

36、測量各缸軸瓦溫度，一旦超溫及時報警，防止造成燒瓦事故發(fā)生。 3. 常見故障三 在設備運轉過程中，由于密封墊、盤根等損壞造成漏水，水沿柱塞挪動而進入曲軸箱內，造成機油乳化變質，各光滑部位光滑失效，發(fā)熱。改良措施：在曲軸箱內裝一儀器，用于測量機油粘度或者測量光滑油的酸值〔 pH 值〕，當箱體內進水后，機油乳化時，pH 值減小。 4. 改良的實際意義 采用現(xiàn)代傳感技術完善泥漿泵的故障診斷方法，具有很重要的現(xiàn)實意義，既能保證設備的平安運行，防止造成嚴重的事故，確保工人的人身平安；同時從經濟效益來看，可以大大節(jié)省各種維修費用等[14][15]。 3.2 泥漿泵機組智能故障診斷系統(tǒng) 1. 硬

37、件系統(tǒng) 硬件由傳感器、診斷儀主機、便攜式計算機及連接電纜組成。溫度和壓力傳感器用于微溫差法測泵效時采集泵的進出口溫度和壓力; 振動傳感器用于單通道采集泵軸承、電動機軸承、泵葉輪的振動信號及雙通道采集泵和電動機的軸心軌跡; 振動和轉速傳感器同時使用, 可校正轉子的動平衡。采集數據時, 傳感器采集的壓力、溫度、振動、轉速信號通過電纜傳給診斷儀主機, 再經過主機內的A/D轉換器轉換后存入緩存, 隨后經通訊接口傳入計算機存入硬盤。2. 軟件系統(tǒng) 軟件系統(tǒng)主要由數據采集軟件和故障診斷軟件兩局部組成, 主要功能有以下幾點。(1) 數據采集 數據采集軟件可以采集注水泵軸承、電動機軸承、泵的每一級葉輪及根

38、底的振動信號、泵和電動機的轉速信號、泵的進出口壓力信號和溫度信號。每臺泵機組有20個測點需采集振動信號, 1個測點采集轉速信號, 2個測點采集溫度信號, 2 個測點采集壓力信號。(2) 信號分析與處理 ①時域分析。提取經過預處理的信號的時域特征向量, 包括最大值、最小值、平均值、峰值、絕對平均值、均方值和脈沖值等指標。能自動或手動顯示時域波形。根據選擇的起點和終點, 可以計算出被測對象的轉速等數據。②頻域分析。求取信號的功率譜、幅值譜、倒頻譜和差譜等。可任意選定起點和終點進展分析; 顯示有關頻域指標,如極值、均值、倍頻、邊頻、分頻。還有以下功能: 頻譜細化, 包括簡易降頻細化和精細濾波細化,

39、用以進步頻域分析時橫坐標的分辯率; 多文件頻譜分析, 最多可同時取入20 個文件進展頻譜分析; 數字濾波, 包括低通濾波、高通濾波、帶通濾波和帶阻濾波。(3) 特征提取 特征提取是對讀入的數據進展處理, 根據建立的故障形式提取故障特征, 形成有用的診斷數據。(4) 泵效診斷 采用微溫差法, 根據所測泵的進出口壓力、溫度等參數計算出泵效、揚程等參數。(5) 軸心軌跡 用雙通道振動法測得軸承座上X 、Y 向的振動信號, 計算出每一轉軸心跡。(6) 智能診斷 根據現(xiàn)場試驗, 建立各個泵運行參數的診斷標準庫。在此根底之上建立趨勢分析及預測系統(tǒng)。最終到達通過振動、壓力、溫度、轉速等信號的采集、分析處理,

40、 診斷出故障類別、部位、嚴重程度及應該采取的維修保養(yǎng)措施。智能診斷知識庫是本系統(tǒng)的核心局部。每次測試每臺泵機組有25個數據采集點, 每個點要提取基頻、倍頻等指標約20個。因此, 檢測一次有2500個以上的指標需要分析。如此多的數據, 人工處理需要消耗大量的時間和精力。而本系統(tǒng)開發(fā)的智能診斷知識庫那么有效地解決了這一難題。其原理是:知識庫預先將泵的各種故障以一定的數據構造存儲在庫中。在診斷時根據庫中的故障模型自動調入需要分析的數據, 對各種指標進展提取, 并將提取的特征值存儲在知識庫中。這樣,知識庫既是一種故障模型庫, 也是一個數據庫, 即知識庫既包括注水泵的各種故障診斷模型,也包括每次對泵的處

41、理結果的存儲。根據文獻并結合現(xiàn)場屢次測試得到的概率分布數據, 確定了每一種故障類型的特征頻率及其幅值的重要度系數。為了更全面地反映部件的運行狀況, 還提取了邊頻的幅值、分頻的幅值、脈沖值、平均幅值, 同樣也分別給了一個重要度系數。該系數說明了各特征在該故障模型中的奉獻大小。診斷時, 需要用重要度系數對最終的診斷結果進展加權修正[15][16][18]。 3.3 機組工況及振動信號測試方案 3.3.1 機組工況 轉速:電動機1470r/min;柱塞泵曲軸370r/min。 功率:電動機額定功率為185 KW。 壓力:進口注入壓力<2MPa;出口額定壓力為21MPa。 3.3.2 診斷

42、分析 為了兼顧各油區(qū)設備的檢測需要,根據油田各油區(qū)分散、設備多等特點,測試分析系統(tǒng)采用EZ-Tomas系統(tǒng)(如圖3-1)。系統(tǒng)由振動傳感器、數據采集器、EZ軟件和計算機組成。它以微機為中心,以FFT(快速傅立葉變換)為手段,對實測振動信號進展分析與變換,即可得到泵組某一測點的振動頻譜圖,通過對頻譜圖分析,掌握泵組當前的運行狀態(tài),判斷設備正常與否,用診斷結果來指導維修工作[20]。 機組 振動傳感器 數據采集器 EZ軟件 計算機 圖3-1 測試與分析系統(tǒng)組成框圖 3.3.3 測點布置方案 要實現(xiàn)不解體診斷,振動信號只能在機殼外表拾取。泥漿泵組工作時,通過曲柄連桿機構將電

43、動機的旋轉運動轉化為柱塞的往復運動,同時將電動機的機械能傳給所輸送的液體。所以在構造上,它既有旋轉運動部件,又有往復運動部件,且其負載大,工況惡劣,因此動態(tài)響應極為復雜。在確定檢測方案時,傳感器的布局盡可能靠近待測部位,使測取信號的傳遞途徑短而直接,盡量防止信號的減弱、畸變或傳遞受阻,使所測的信號能最大限度地反映檢測部位的工況?；谏鲜鲈敲?對于測點,電動機局部選在前、后端的垂直與程度方向;泵組動力端曲軸局部選在左、中、右的垂直與程度方向及右端軸向方向;十字頭位置選在各連桿運動軸線的垂直方向; 液力端柱塞處選在各柱塞殼體外垂直方向；泵頭測點為各缸的垂直與程度方向。為了理解周圍環(huán)境振動的影響,

44、在基座前、后還各選了一垂直方向的測點[18][21]。 3.4 機身外表振動的振源初步分析 3.4.1 振源初步分析 泥漿泵機組構造復雜部件及鼓勵源多機身外表振動是由內部各種激振源共同作用的綜合反映,其主要鼓勵源有:液壓缸內液體壓力、激蕩力;液閥組件運動的沖擊力;柱塞運動橫向撞擊力;柱塞往復運動慣性力通過連桿、曲軸產生的周期性鼓勵;曲軸旋轉運動產生的鼓勵;皮帶傳動引起的振動;電機的滾動軸承撞擊引起的振動;電動機旋轉慣性力;其他機構的鼓勵等[23]。 在這些鼓勵的共同作用下,機身外表振動很復雜,機身外表總的響應是多個鼓勵響應之綜合影響,如何從復雜的鼓勵響應中別離出某些鼓勵源是泥漿泵機組振

45、動信號分析的難點。 3.5 機組振動頻譜分析 圖3-2為泥漿泵測點布置簡圖 圖3-2 測點布置簡圖 表3-1 測點說明 1.閥座振動分析 〔1〕閥組軸向振動分析 機組包括3 個閥組，分析其軸向振動信號： 圖3-3 閥組振動監(jiān)測時域信號比照 分析以上閥組振動時域信號可以看出，柱塞的沖擊特性反映的非常明顯，且沖擊周期根本保持一致。振動最大峰值均為0.1。閥組軸向振動時域峰值較為正。 圖3-4 閥組振動監(jiān)測頻域信號比照 各閥組振動頻域信號成份根本一致，主要頻率成份出如今高190Hz 附近。在低頻段36Hz 附近出現(xiàn)另一能量成份。振動最大峰

46、值分別為：0.008、0.006、0.006。閥組軸向三點監(jiān)測振動信號能量成份根本一致，說明閥組整體工作較為穩(wěn)定。 〔2〕閥組徑向垂直振動分析 圖3-5 閥組垂直徑向振動監(jiān)測時域信號比照 分析閥組垂直徑向振動時域信號發(fā)現(xiàn)，三個測點最大峰值分別為0.06、0.06、0.1，同時穩(wěn)定的沖擊特性和周期性都保持一致，監(jiān)測點3B 幅值略微偏大，且沖擊更為干脆。 圖3-6 閥組垂直徑向振動監(jiān)測頻域信號比照 分析閥組整體徑向振動頻域信號發(fā)現(xiàn)，三者成份根本一致，振動最大峰值分別為：0.0025、0.0025、0.005，主要能量成份分布區(qū)域為低頻段40~90Hz 附近和高

47、頻段160Hz 附近，整體較為分散。振動時域信號和頻域信號顯示，閥組徑向垂直振動根本正常。 〔3〕閥組整體徑向振動分析 本局部包括兩個測點，測點4A 為出口管線連接處軸向振動〔垂直方向〕，測點4B 為進口管線連接處軸向振動〔程度方向〕。 圖3-7 閥組整體徑向振動時域信號比照〔上為垂直，下為程度〕 圖3-8 閥組整體程度徑向振動頻域信號比照〔上為垂直，下為程度〕 分析閥組整體程度徑向振動時域信號可以發(fā)現(xiàn)，進、出口沖擊特性和周期性都十清楚顯，最大峰值分別為0.1、0.05，較為穩(wěn)定。兩個方向頻域信號差異較大，垂直方向上能量集中分布在高頻段，最大峰值出如今192H

48、z 處，顯示沖擊較為明顯；程度方向上振動能量的分布那么比擬分散。 2.管線振動分析 〔1〕進口管線徑向振動分析 這里監(jiān)測測點為入口管線徑向振開工況，一測點為入口管線徑向垂直方向；另一測點那么為入口管線徑向程度方向。 圖3-9 入口管線徑向振動時域信號比照〔上為垂直，下為程度〕 圖3-10 入口管線徑向振動頻域信號比照〔上為垂直，下為程度〕 從時域信號來看，二者振動最大峰值分別為0.2、0.1，顯然進口管線振動以垂直為主，這一點從頻域信號比照圖中得到了驗證。振動頻域信號最大峰值分別 為：0.02、0.03，徑向垂直振動頻域信號包含著更多的高頻段〔190Hz 附近

49、〕能量成份。二者能量成份差異不大，振動較為正常。 〔2〕出口管線徑向振動分析 這里監(jiān)測測點為出口管線徑向振開工況，測點6A 為出口管線徑向垂直方向，測點6B 那么為出口管線徑向程度方向。 圖3-11 出口管線徑向振動時域信號比照〔上為垂直，下為程度〕 圖3-12 出口管線徑向振動頻域信號比照〔上為垂直，下為程度〕 出口管線徑向振動兩個方向存在著較大的差異。從時域信號來看，振動最大峰值均為0.1、0.3，顯然程度方向沖擊振動更為劇烈。從頻域信號分析來看，頻率成份較為類似，最大峰值分別為0.008、0.02，程度方向幅值明顯。 3.曲軸振動分析 圖3-

50、13 曲軸振動時域信號徑向〔上〕與軸向〔下〕比照 圖3-14 曲軸振動頻域信號徑向〔上〕與軸向〔下〕比照 曲軸箱振動測試點位于曲軸端部軸向與徑向。振動較為穩(wěn)定，振動最大峰值分別為0.1、0.2，且沖擊特性非常明顯，沖擊周期保持一致。分析頻域信號可知，振動最大峰值分別為0.008、0.012，能量成份根本類似。該次監(jiān)測曲軸振動根本正常。 〔1〕柱塞泵垂直徑向振動要強于程度徑向。綜合考慮閥組監(jiān)測軸向、徑向程度、徑向垂直三個方向的振動信號，閥組整體工作根本正常。 〔2〕進口管線整體振動較為強烈，垂直徑向方向振動偏大，值得注意；出口管線振動較為正常。 〔3〕曲軸兩個方向上的監(jiān)測信號顯

51、示，3#機組與2#機組振動頻域成份根本一致，幅值穩(wěn)定，這說明曲軸振動根本正常。 上述主要為閥坐、管線和曲軸振動分析，從時域信號的幅值和沖擊周期比可以甄別所監(jiān)測部位是否正常，而在頻域信號中是通過幅值與頻譜能量分布甄別。 第4章 泥漿泵振動監(jiān)測系統(tǒng)設計 4.1 泥漿泵的工作原理 工作原理： 泥漿泵是采用單缸雙作用柱塞泵工作。由電機通過帶傳動輸入動力，通過行星減速器減速。經偏心輪將回轉運動轉化為直線往復運動。驅動雙作用柱塞泵作功。柱塞泵的進漿室、排漿室各有兩個鋼球組成的單向控制閥。當活塞桿向左驅動時，缸體右腔進漿，缸體左腔排漿。當活塞桿向右驅動時，缸體左腔進漿，缸體右腔排漿。除此之外,在主

52、通路上安裝空氣力表用來調整泵在抽吸過程中產生的波動大小。 4.2 泥漿泵在線狀態(tài)監(jiān)測方案設計 4.2.1 系統(tǒng)功能 泥漿泵 分析畫出泥漿泵系統(tǒng)功能簡圖，見圖 泥漿泵 4-1 圖4-1 泥漿泵系統(tǒng)功能簡圖 系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能初步設定如下： 〔1〕 信號采集功能 使用壓力及振動傳感器對泥漿泵進展多通道數據采集。 〔2〕 實時監(jiān)測功能 機械的壓力、振動信號為表征機械運行狀態(tài)的重要運行指標，它們在機械狀 態(tài)監(jiān)測與故障診斷中起著非常重要的作用。該系統(tǒng)主要用于主機現(xiàn)場測試，對柱塞泵的液力端壓力、液力端閥蓋振動、曲軸箱部位振動等進展信號實時監(jiān)測。 〔3〕

53、報警功能 通過設置報警限，在監(jiān)測值超標的情況下實現(xiàn)報警。并且保存故障的數據，以便分析。 〔4〕 趨勢分析功能 應用數據庫實現(xiàn)歷史數據的保存，對各類監(jiān)測數據實現(xiàn)趨勢分析。 〔5〕 故障診斷功能 該系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)對所采集的信號進展比照分析，查找錯誤的信息，以便確定故障的位置，及時的排除故障。通過幫助系統(tǒng)，操作者可以發(fā)現(xiàn)錯誤，并進展判斷，得到故障的原因，以便及時的修理。 〔6〕 網絡發(fā)布功能 系統(tǒng)能實現(xiàn)網絡同步故障診斷與信息發(fā)布功能[25]。圖4-2為泥漿泵系統(tǒng)數據采集網絡拓撲圖。 局 域 網 圖4-2 泥漿泵系統(tǒng)數據采集網絡拓撲圖 4.3 系統(tǒng)模塊與監(jiān)測參數

54、4.3.1 系統(tǒng)模塊 1.數據采集模塊 通過硬件設計實現(xiàn)對現(xiàn)場數據實時采集功能。 2.實時檢測模塊 實現(xiàn)功能： 振動〔通過振動傳感器實現(xiàn)〕 〔1〕實時監(jiān)測曲軸箱振動變化 〔2〕實時監(jiān)測十字頭振動變化 〔3〕實時監(jiān)測填料〔柱塞〕處振動變化 3.趨勢分析模塊 系統(tǒng)通過數據庫支持將保存歷史數據用于查詢與趨勢分析。數據趨勢分析最根本底形式就是反映各參數的粗略走向與進展趨勢預測，并對每一設計操作條件設置報警值。參數超過報警值，系統(tǒng)自動產生報警[26]。 4.3.2 監(jiān)測參數 1.監(jiān)測一臺柱塞泵，廠方應提供如下參數： 〔1〕設計功率 〔2〕設計載荷 〔3〕柱塞直徑 〔4〕行

55、程 〔5〕連桿長度 〔6〕柱塞桿尺寸/載荷等 2.現(xiàn)場系統(tǒng)接收的一類輸入信號 振動信號： 〔1〕軸箱振動 〔2〕液力端入口端閥端蓋振動 〔3〕液力端出口端閥端蓋振動 4.4 泥漿泵狀態(tài)監(jiān)測圖解 4.4.1 泥漿泵狀態(tài)監(jiān)測圖解 泥漿泵在線監(jiān)測傳感器布置如圖4-3所示： 圖4-3 泥漿泵在線監(jiān)測傳感器布置簡圖 〔1〕曲軸端蓋處放置1個傳感器，用來監(jiān)測曲軸徑向振動變化，從而反映曲軸的工作狀態(tài)。 〔2〕在液力端入口處閥蓋外表放置1個傳感器，用來監(jiān)測該部位振動狀態(tài)的變化。 〔3〕在液力端出口處閥蓋外表放置1個傳感器，用來監(jiān)測該部位振動狀態(tài)的變化。 放置在

56、出口管線管口的傳感器，用來測試排液壓力，綜合入口、出口處閥蓋振動監(jiān)測信息，可判斷液力端工況[27]。 4.5傳感器的安裝和使用 傳感器在泵組機身上的兩種可供選擇的安裝方式： 〔1〕在泵閥端蓋處打孔，孔〔螺紋〕尺寸：M5*5~10mm〔直徑*深度〕；或利用泵閥蓋處已有孔隙。螺釘尺寸有如下三種方案： 圖4-4傳感器螺釘安裝方案 〔2〕利用傳感器安裝座〔包括高粘度膠水和磁座兩種方式〕。 〔3〕傳感器——數據采集與實時監(jiān)測中心的線路走線方式：走明線，線路附帶防爆保護，通過中間墻〔擴已有網線孔〕聯(lián)入監(jiān)測系統(tǒng)控制中心。 通過對泥漿泵的相關參數理解和去柱塞泵工作現(xiàn)場參觀拍照做出了測點

57、布置簡圖，從而做出了泥漿泵在線監(jiān)測方案設計。對系統(tǒng)功能做了局部設定，又做出系統(tǒng)幾大模塊，使思路更加明晰。得出泥漿泵狀態(tài)監(jiān)測圖解和系統(tǒng)整體布置圖解，最后又細致的分析了傳感器的安裝方式，使整個系統(tǒng)更加的全面[28]。 4.6振動監(jiān)測系統(tǒng)界面圖 振動監(jiān)測系統(tǒng)界面圖如圖4-5所示： 圖4-5振動監(jiān)測系統(tǒng)界面圖 結 論 隨著鉆井工藝的開展，振動監(jiān)測及故障診斷的開展，鉆機泥漿泵的影響會越來越大，對設備監(jiān)測診斷系統(tǒng)的需求也日益增加。本文對鉆機泥漿泵振動監(jiān)測分析診斷系統(tǒng)進展了總體設計研究，并根據工廠設備管理的實際需求號分析及診斷理論，采用數據庫，計算機等技術該系統(tǒng)進研究設計。 本文的主要研究工

58、作和成果總結如下： (1) 本文介紹了泥漿泵監(jiān)測系統(tǒng)的故障診斷現(xiàn)狀及泥漿泵國內外的開展狀態(tài)，在研究振動機理有關故障診斷和信號分析的根底上提出了振動監(jiān)測診斷的方法，利用該方法在對鉆機泥漿泵進展監(jiān)測診斷其效果是顯著的同時也豐富了大型旋轉機械振動監(jiān)測診斷的理論和方法。 (2)研究鉆機泥漿泵振動監(jiān)測系統(tǒng)的總體構成，主要研究設計鉆機泥漿泵振動監(jiān)測分析診斷系統(tǒng)。旨在對鉆機泥漿泵振動監(jiān)測和故障診斷技術及實現(xiàn)進展一些探究，針對設備的常見故障，提出一套較完善的振動監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)。 (3)用于精細診斷的便攜式系統(tǒng)運行穩(wěn)定、功能全面，可以滿足現(xiàn)場監(jiān)測時的各種要求。防止機組發(fā)生重大事故而造成的宏大經濟損失，

59、保證設備在規(guī)定的期間內無故障平安可靠運行。 (4)該系統(tǒng)具有強大的設備信息管理功能，對于大量的數據進展存儲，進步了數據的讀取、檢索速度。本文所研究開發(fā)的設備測點管理系統(tǒng)具有一定的實用性和通用性。 (5)開展設備監(jiān)測和故障診斷非常合適國有大中型企業(yè)的設備維修管理，它結合消費現(xiàn)場的工況變化和定期維修方式，能更有效地搞好設備維護和檢修，更加顯示出推廣預測維修所具有的優(yōu)越型，這使得設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術在今后有了較大的開展和應用空間。 隨著計算機和診斷相關技術的開展，故障診斷系統(tǒng)已經逐步開展成為一個復雜的綜合體，向著信息化、智能化、網絡化的方向開展。因此該系統(tǒng)可以有以下改良和開展： (1)

60、系統(tǒng)設備信息管理網絡化：采用集中式或分布式數據庫方案，利用C/S或B/S方式，實現(xiàn)系統(tǒng)設備信息網絡查詢和管理。 (2)高性能的數據庫：工廠設備統(tǒng)一管理后將會涉及到所有設備的信息和測點數據，大量的信息對數據庫提出了更高的要求，可以選用SQLServer、Oracle等大型數據庫對數據進展存儲，使用最新的數據驅動程序完成數據操作。 參考文獻 [1] 張力，張宏生，呂圣仕.代大型石油鉆機更新的開展趨勢[J].石油礦場機械，2003,6：100-101. [2] 張連山.國外鉆井泵技術開展和研究動向[J]，國外石油機械，2000,20-25. [3] 段禮祥.油田注水泵的狀態(tài)監(jiān)測[J].中國

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