关键词: 泥浆泵; 故障诊断; 共振解调; 轴承; 自功率谱 中图分类号: TP306 + ． 3 文献标识码: B 文章编号: JS-S265( 2010) 02-0044-005
一、引言
泥浆泵是 钻 井 工 程 中 的 重 要 设 备，它 负 责将钻井时用以携带岩屑的高压泥浆输入井 内。在钻井 过 程 中，必 须 保 证 高 压 泥 浆 平 稳 不断泵送，否则高压泥浆的断流将会引起塌 井，造成施工点位的废弃和极大的经济损失。 因此实时掌握其工作状况对钻井工程的正常 进行非常重要。
第 6 卷第 2 期 2010 年 6 月
三江学院学报
Journal of Sanjiang University
Vol． 6，No． 2 Jun． ，2010
泥浆泵轴承的故障诊断
范凯，齐明侠，张志毅
( 三江学院 机械工程学院，江苏 南京 210012)
摘 要: 泥浆泵是钻井工程中的重要设备，实时掌握其工作状况对钻井工程的正常进行非常 重要。本文通过测取 3NB1300C 泥浆泵正常工况和一些故障工况下的振动信号，对动力端轴承共 振解调后的时域信号进行了频域分析，得到了有价值的检测部件振动规律、一般特征以及故障 特征。
泥浆泵从结构上分主要有两部分: 液力 端和动力端。由动力端的曲柄连杆机构通过 连接液力端和动力端介杆机构带动液力端的 活塞运动。 通 过 活 塞 的 往 复 运 动，改 变 缸 套 中的压力，此变化促使吸入阀和排出阀产生 关开动作，从而实现将泥浆通过排出管线送 向井底的功能。
二、共振解调技术［1］
所谓 共 振 解 调 技 术 ( 或 称 冲 击 脉 冲 技 术、包络 检 波 技 术 或 早 期 故 障 检 测［IPD］技 术) 是对低频冲击所激起的高频共振波形进 行包络检波和低通滤波即解调，获得一个对 应于低频冲击的、而又放大并展宽了的共振
6． 9850 3． 136405 3． 855545 67． 795718
7． 620 3． 421532 4． 206049 73． 958965
表 3 轴承 4053172 的故障特征频率
轴转频 ( Hz)
外圈故障 内圈故障 滚动体
( Hz)
( Hz) 故障( Hz)
fn
0． 446230 fn 0． 553771 fn 9． 191304 fn
经测试计算得测点 1、测点 3 轴承测试 ( 时域和频域) 图。( 如图 2 ～ 图 7 所示) 。
第6 卷
从测点 1 轴承不同状态下的频域图可以 明显地看到: 频谱图中始终都含有基频为轴 转频及其倍频的频率分量。这是因为测点 1 的轴承是曲轴( 被动轴) 的支撑轴承。由于 泥浆泵曲 轴 的 结 构 特 点 和 受 力 特 点，该 轴 承 将会受到基本频率为轴转频的外力作用。在 此外力的作用下，由于轴承径向间隙的存在， 46
统，公式中的 fn 是轴承、齿轮所在轴的转动频 率。相应的对于泥浆泵动力端的各轴承的故 障频率分别为表 2、表 3、表 4 和表 5 所列。
表 2 轴承 32844 的故障特征频率
轴转频 ( Hz)
外圈故障 内圈故障 滚动体
( Hz)
( Hz) 故障( Hz)
fn
0． 449020 fn 0． 551975 fn 9． 705901 fn
范凯，齐明侠，张志毅: 泥浆泵轴承的故障诊断
第6 卷
轴承; 测点 6、7 为传动轴轴承。其中: 测点 0 处安装的为电涡流传感器; 测点 1 ～ 7 处为复 合共振解调传感器。
图 1 测点布置
四、3NB1300C 泥 浆 泵 动 力 端 轴 承振动分析
泥浆泵动力端的故障主要发生在齿轮和 轴承上，而 其 中 以 轴 承 的 故 障 最 为 常 见。 泥 浆泵动力端的轴承均为滚动轴承。
第2 期
范凯，齐明侠，张志毅: 泥浆泵轴承的故障诊断
第6 卷
轴承将会受到冲击。该冲击被共振解调仪拾 取、处理后，再 进 行 自 功 率 谱 分 析，频 谱 图 上 就会出 现 基 频 为 轴 转 频 及 其 倍 频 的 频 率 分 量。当轴承 出 现 某 种 故 障 时，自 功 率 频 谱 图 上就会出现相应故障频率的基频及其倍频的 频率分量，如图 3 所示。但这并不是说自功 率频谱图上的图线如果出现谱线种类很多， 轴承就一 定 出 现 了 某 种 故 障。 而 且，对 于 现 场出现的轴承故障，当故障在某一个界限之 下时，是不 会 对 泥 浆 泵 造 成 损 坏 的。 所 以 不 能只根据是否有故障特征谱线就来简单地判 定该轴承还能不能使用。表 5 和表 6 列出各 泵轴承的处理结果。
州: 608 所，2002．
表 6 新泵 10MPa 轴承特征值
测点 特征值( 外圈) 特征值( 内圈) 特征值( 滚子)
1
0． 29919
0． 29717
0． 14733
3
0． 30070
0． 29529
0． 09808
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第2 期
三江学院学报
Mud Pump Bearing Fault Diagnosis
1． 8333 0． 818088 1． 015247 16． 850724
2． 0
0． 892460 1． 107542 18． 382608
表 4 轴承 228 /666． 75 的故障特征频率
轴转频 ( Hz)
外圈故障 内圈故障 滚动体
( Hz)
( Hz) 故障( Hz)
fn
0． 466322 fn 0． 533678 fn 14． 779101 fn
解调波。传 统 技 术 只 通 过 直 接 信 号 的 FFT 分析，获得频谱，试图从中获得冲击脉冲的频 谱，却往往 因 为 目 标 频 谱 总 是 被 强 大 的 干 扰 频谱( 一般是大的低频分量) 所掩盖而不能 成功。而且，捕 获 冲 击 脉 冲 需 要 非 常 高 的 采 样频率，因为 冲 击 波 很 窄，频 率 很 高，往 往 因 为硬件的原因而无法实现。
三、数据采集系统的测点布置
3NB1300C 泵的 测 点 布 置 如 图 1 所 示。 测点 1、5 为曲轴轴承; 测点 2、3 为连杆大头
收稿日期: 2010 － 05 － 10 作者简介: 范凯( 1975 － ) ，男，工学硕士，三江学院机械工程学院教师。研究方向: 机电一体化。 44
第2 期
从目前的 应 用 上 看，实 现 共 振 解 调 的 途 径有两种: 一种是通过硬件电路对传感器采 集的信号进行处理，从而得到共振解调波; 另 一种是通过软件即某种算法( 希尔伯特包络 法或别的包络方法) 对传感器信号处理，而 得到共振解调波。
共振解调 技 术 出 现 以 来，被 广 泛 应 用 到 具有冲击性质的信号处理中。通过对共振解 调波的分析可以进行简易诊断和精密诊断。 轴承和齿轮的状态监测和故障诊断是其应用 的一个重要方面。
第6 卷
FAN Kai，QI Ming-xia，ZHANG Zhi-yi
( School of Mechanical Engineering，Sanjiang University，Nanjing 210012，China)
Abstract: Mud pump is one of the important equipments in the drilling engineering． Smooth drilling necessitates the real － time awareness of the condition of the pump． Based on the vibration signals tested on the 3NB1300C mud pump in the normal working conditions and some common faults working conditions，the demodulated － resonance signals of the bearing in the power side of the pump are analyzed in frequency domain． After the analysis，the tested assemblies’vibration characteristics，the normal and fault features are obtained． Key words: Mud Pump，Fault Analysis; Demodulated Resonance; Bearing; Power Spectrum
在对动 力 端 轴 承 振 动 信 号 的 测 试 处 理 中，由于干 扰 众 多，所 以 谱 线 混 杂，故 障 信 号 不易提取，为了解决这一问题，采用了共振解 调技术。
( 一) 故障频率计算
若轴承的中径( 滚动体节圆直径) 是 Do ( mm) ，滚动体的直径是 d( mm) ，滚动体的数 量是 Z，所诊断部件所在转轴的转速频率是 fn( Hz) ，轴承滚动体的接触角是，则按照“多 个同类故障的归类诊断准则”［2］进行简化，轴 承各 类 零 件 故 障 的 特 征 频 率 计 算 公 式 见 表 1［2］。
( 二) 诊断准则
利用经过共振解调仪处理过的振动信号 进行故障分析诊断须用到共振解调主动诊断 方法［2］，利用表 1 的简化公式，可以对泥浆泵 的动力端轴承故障进行分析和诊断。
( 三) 自功率谱图分析
对先行进行共振解调处理后的振动信号 数 据，进 行 FFT 变 换 后，进 行 自 功 率 谱 的 分析。
1． 8333 0． 854924 0． 978410 27． 095019
2． 0
0． 932644 1． 067356 29． 558202
三表中轴转频中的两值分别对应的是泥浆泵 在 110、120 冲 / 分的计算结果。表 2 和表 3、4 的轴 转频相差很大，是因为轴承 32844 所在的轴为传动 轴，而 另 外 两 类 轴 承 所 在 的 轴 为 曲 轴，两 轴 在 转 速 上相差了一个齿轮传动比 3． 81。所以在同一个冲 次下，传动轴的转频是曲轴转频的 3． 81 倍。