摘要：进行离心泵故障诊断可以大幅提高泵的运行平稳性。概述离心泵故障的基本理论，分析振动对离心泵的影响，介绍压力脉动与离心泵故障的联系，阐述旋转叶轮机械的故障原理及其诊断方法的研究现状，展望离心泵故障诊断的发展趋势，以期为离心泵故障诊断的进一步研究提供参考。
关键词：离心泵；故障诊断；研究现状；发展趋势
中图分类号：TH311 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2019）01-0070-06
离心泵具有结构简单紧凑、安装方便、运行范围广等优点，在工业、冶金、城市给排水、航天、航海等各个领域都有广泛应用。随着离心泵应用领域日益广泛，维护与故障诊断在离心泵的使用中愈加重要。目前，国内对离心泵的检测和故障诊断仍处于起步阶段，关于离心泵的研究一般都是对正常运行状态的性能进行分析，而有关其故障或事故状态下的性能研究还比较少。离心泵运行状态检测的普遍方式仍是定期维护和定时保养，这不仅导致维修过度或保养欠缺，还可能因为不能有效解决隐在故障而影响离心泵的正常工作。本课题对离心泵故障诊断的相关研究进行概括总结，重点对离心泵的振动、压力脉动及旋转机械的故障机理和诊断方法进行分析，并展望离心泵故障诊断的发展趋势。
1 离心泵故障分类及特点
离心泵运行故障可分为两类：一是不合适的工作条件使泵发生故障，如不当操作、零件加工精度不够等，这类故障可通过更换部件或调整运行参数排除；二是离心泵一直在故障或极端条件下运行，使得泵系统故障越来越严重。离心泵故障特点主要有两个：一是并发性，即离心泵的故障一般都是由多种故障并发引起；二是随机性，即同一种泵在故障模式下的表现形式不一定相同。
2 离心泵的国内外研究现状
2.1 离心泵振动研究现状
离心泵振动水平是评价泵运行可靠性的一个重要指标。离心泵振动可分为流体诱导振动和机械结构振动两类。
轴承磨损、转子不平衡及零件缺陷是引起机械结构振动的主要原因。其中：对由转子不平衡引起机械结构振动的机理已有较为系统的研究，转子不平衡的影響在很大程度上可以通过动平衡技术来减小，采用柔性联接可有效防止两转子间产生周期性的激励源。轴承磨损是导致机械结构振动的另一重要原因，这可能是驱动端与非驱动端同时产生缺陷、也可能是单侧磨损导致。轴承刚度不够会引起离心泵的振动，并且轴承耐磨性能差、轴瓦间隙过大和推力轴承以及其他滚动轴承磨损也会加剧离心泵的振动。殷洪权通过ADAMS建立了机组轴系的虚拟样机模型，给出轴系建模办法，表明通过适度调整泵轴和联轴器等结构可以使轴的固有频率避开转子的工作频率，从而减小振动。Khalifa研究了叶轮切割对离心泵性能的影响，指出不同形状的叶轮切割均会使叶片与隔舌间隙增大，从而使泵内压力脉动与振动减小。蒋爱华等人采用相空间重构的方法确定影响离心泵系统振动特性因素的数量。Srivastav等人研究了叶顶间隙对离心泵结构振动的影响，指出随着叶顶间隙的增大泵的振动会逐渐降低。赵万勇等人研究了内流对离心泵转子振动的影响，建立了符合泵转子振动的分析理论，并指出应综合应用各种独立故障的分析方法来研究离心泵的运行故障。
与机械结构振动研究的日渐成熟相比，离心泵流体诱导振动研究还需深入。流体诱导振动主要是由流动分离、空化、失速及漩涡等不稳定流动产生的压力脉动引起的。数值计算和试验测试是研究压力脉动的两种主要方法。在数值计算方面，Zhang N等人分析了斜坡式蜗壳对离心泵内压力脉动的影响，结果表明，斜坡式蜗壳能够明显降低泵内压力脉动。Spence等人研究了隔舌位置、导叶安放形式和口环间隙等对压力脉动的影响，发现压力脉动频谱主要受叶轮与隔舌间动静干涉的影响。Gao B等人对低比速离心泵内压力脉动进行研究，结果表明，工况对不同测点压力脉动幅值有较大影响，压力脉动主频在叶频。Asim等人研究了离心泵蜗壳内压力脉动，发现叶轮与隔舌动静干涉对隔舌附近的二次流有明显影响。Zhang Y等人采用大涡模拟方法分析了离心泵蜗壳内压力脉动，发现压力脉动在隔舌处最大。崔宝玲等人研究了复合叶轮离心泵内的压力脉动，发现叶轮和蜗壳的动静耦合是产生压力脉动的主要原因，且主频受轴频控制。王福军等人分析了双蜗壳离心泵内的压力脉动，发现隔板和隔舌处压力脉动频率在大流量下均为叶频，小流量下以轴频为主。祝磊等人分析了不同隔舌型式对离心泵内压力脉动的影响，发现采用短舌和中舌有利于降低离心泵内的压力脉动。姚志峰等人分析了双吸离心泵内的压力脉动，结果表明，在吸水室和压水室内压力脉动的特征频率主要是轴频及低于轴频的频率。黄茜等人研究了流量对离心泵内压力脉动，结果表明，流量越小泵内压力脉动越大。在试验测试方面，Parrondo等人研究了离心泵叶片附件的压力脉动，发现泵内压力脉动强度主要由叶片与隔舌的动静干涉决定。Dong R等人的试验结果表明，隔舌是离心泵内压力脉动的主要激励源。Mele等人通过试验测试了转速对离心泵流动振动的影响，发现随转速的增加流动诱导振动也不断增强。陈长盛测试了不同转速下船用离心泵的振动特性，发现振动大小与转速的4～9次方成正比。周林玉对偏工况下离心泵内的压力脉动进行了试验分析，指出小流量下叶轮出口压力脉动主频不再是叶片通过频率，并且频谱宽度明显增大。陈斌测试了单叶片螺旋离心泵内的压力脉动，发现压力脉动在叶片圆周厚度1/3处时最小。蔡建程测试了离心泵隔舌附近的压力脉动，发现隔舌附近的压力脉动以离散分量为主，且其强度随着流量的减小逐渐增大。
综上所述，目前已经开展了大量有关离心泵振动的研究，但有关离心泵故障状态下运行特性的研究还比较缺乏，因此未来需要加强通过压力脉动和振动数据分析来辨别不同故障类型方面的研究。
2.2 旋转机械故障机理研究现状
离心泵是一种典型的旋转机械。旋转机械由于其性能稳定、噪音小、自动化程度高等优点，在工业和生活领域中被广泛使用。随着旋转机械应用领域的增加，其发生故障的形式也变得多种多样，因而对旋转机械故障机理的研究也逐渐增多。Samira等人采用帕克变换和希尔伯特变换分析了感应电动机的机械故障信号。Sohre对系统总结了旋转机械的典型故障，并归纳为9类37种。Chuan Li等人采用形态小波分析了滚动轴承的监测信号，成功消除了其中的随机噪声。王洪杰等人提出把分频段控制技术和信号处理方法相结合的故障诊断方法，并对锅炉给水泵常见故障进行归类与分析。程军圣等人的研究表明，基于局部均值分解的能量算子解调方法能够有效提取设备故障振动信号。朱俊对多级离心泵叶轮堵塞、叶片断裂、气蚀、口环磨损等4种常见故障进行了研究，提出一种基于工艺参数和振动的泵效率降低的监测方法。赵鹏采用递归定量分析理论对Elman神经网络进行了改进，并应用于离心泵的振动信号提取。张晓清等人总结了常见的离心泵故障类型，并给出一些处理方法。
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