下面的案例研究描述了一种使用独特的振动分析方法检测正排量泵内吸入或排出阀故障的经过验证的方法。寻找可靠检测方法的决心导致了对设备和工艺的更好理解，从与供应商合作到实施设计变更。本案例研究描述了从重复故障到提高设备可靠性和降低维护成本的过程。
注意:案例研究中经常使用以下术语和缩写:
脉冲能量= gSE(20世纪70年代末开发的一种高频处理技术)
时间波形= TWF
介绍
Yara Belle Plaine是一家位于加拿大萨斯喀彻温省的氮肥厂，多年来一直是世界上最大的单列氮肥厂。预测性维护(PdM)技术在1992年的设备调试期间被采用，并在今天的可靠性工作中被积极应用。幸运的是，有高技能和经验丰富的管理人员和具有PdM背景的员工可以启动、运营和维护新工厂。
随着时间的推移，关于PdM技术的知识和经验呈指数级增长。在20世纪90年代早期，便携式振动监测正在发展，工业可以看到潜力，但只有少数供应商可供选择。振动技术主要用于监测工业工厂中发现的典型旋转设备组合，如泵、风扇、电机、压缩机、涡轮机、输送机、齿轮箱等。本案例研究的重点是如图1所示的容积泵。
图1:中型三缸柱塞泵
病历
往复式容积泵(图1)在世界各地的许多不同行业中都有应用。往复泵使用一个或多个振荡活塞、柱塞或隔膜(隔膜)来移动流体，而泵头中的阀门则限制流体运动，以控制所需的流体方向。
在吸气行程中，柱塞缩回。这降低了腔内的压力，导致吸入阀打开，导致流体进入气缸。在正向行程中，腔内压力增大，柱塞以高速、高正压将液体从排出阀推出，进入排气管。
Yara Belle Plaine工厂包含许多不同尺寸的三缸柱塞泵，这些泵在非常高的压力下运行。柱塞、密封件、排出阀和吸入阀都与被输送的流体接触。因此，材料的选择是基于输送的流体。
通常，工业工厂使用振动分析来监测旋转设备的状态，包括轴承故障、松动、对准、不平衡以及许多其他机械问题。在这个案例研究中，讨论转向如何使用振动分析来确定三缸容积泵泵头的吸入和排出阀的状态。具体来说，这些泵阀是否通过。
为什么知道泵头中的一个或多个阀门是否通过是有用的?让我们先来描述一下团队的旅程，以发现监测这些泵阀的状况是否可行。
问题
早期，中型泵的阀门经常出现故障。每两周收集一次这些泵的振动数据，但在振动数据中没有发现阀门的状况。团队尝试收集整体振动(速度);光谱数据(速度和加速度);总体高频包络数据(HFE)，即峰值能量/gSE;时间波形(加速度和速度)试图发现一些表明阀门失效的迹象。他们甚至尝试了低技术含量的听诊器方法(是的，不可否认，甚至用螺丝刀插进耳朵)。
这种情况持续了几年，由于过早磨损和灾难性故障，中型泵的泵阀继续出现故障。在大多数情况下，阀门阀瓣和阀座正在拉丝，这导致了如图2所示的泄漏路径。
图2:其中一个中型三缸泵的失效泵阀，从左到右显示钢丝拉出的泄漏路径，带有阀杆的阀座，阀板，带有固定螺母的弹簧，安装在阀杆上的衬套
尖刺能量测量是在20世纪70年代末发展起来的，目前已应用于各个行业的机械状态监测和故障诊断。与其他滤波高频包络方法相比，尖峰能量具有独特的信号滤波和检测过程。在传统的峰值能量整体测量基础上，开发了峰值能量谱和峰值能量时间波形，并用于振动分析。通过找到正确的设置组合，有可能在其他便携式振动仪器中使用的hFE测量中复制这些结果。
随着团队对振动分析理解的发展，他们了解到峰值能量(gSE)时间波形(TWF)可以清楚地识别旋转设备中的轴承故障频率。gSE TWF是正域的整流波形，是检测超声范围内非同步频率的理想波形。
使用gSE的信心促使团队尝试对工艺阀门泄漏进行测量。在工艺装置中存在关于隔离用于水力试验的管道系统的问题。该系统有许多隔离阀，但有一个或多个阀门通过，阻碍了团队完成水压测试。理论是，如果工艺阀门略打开，它应该发出高频或可能是超声波频率。液体或空气通过的开口越小，频率就越高。由于gSE是超声振动频率的一种度量，所以尝试了gSE。这被证明是不成功的，因为需要一个基线测量来进行比较，以确定工艺阀门是否通过。而且，只有gSE TWF可以为团队提供分析所需的频率。
然而，该测试将团队带回了泵阀，gSE时间波形的收集被添加到中型三缸泵的两周振动路线中。这种阀门与工艺阀门之间的区别在于，通过多次收集数据，当阀门处于良好状态时，就有了基线数据。下一次阀门故障将允许团队研究收集到的历史数据，以确定这种新的测量方法是否有帮助。
在故障发生之前，团队深入研究了泵阀的工作情况(参见图2中的部分)。密封盘和阀杆之间沿衬套滑动;春季行动;当阀瓣落在阀座上时的冲击;松动;液体从阀门开口流出。阀瓣从位于阀门上的全封闭位置移动到距离阀座一定距离的全开位置。
结论是，当阀瓣尽可能接近全闭位置时，流体诱导的高频振动应最大，但仍允许流体通过密封面。这相当于开了一个小口。那么，这个团队是如何证明和测量这一点的呢?
峰值能量时间波形发现
图3显示了一个带有磁性底座的加速度计如何连接到维护车间空气软管上的触发喷嘴。数据采集器处于实时模式，测量总尖刺能量(gSE)，触发喷嘴开启和关闭。观察到整体峰值能级的变化。一旦确认了这一反应，数据收集器就被设置为使用各种收集滤波器存储gSE时间波形，直到团队找到最佳参数。
图3:加速度计附在空气喷嘴测试尖刺能量理论
当空气通过空气喷嘴时，修正后的gSE TWF清晰地显示出独特的模式。在泄漏期间，TWF中有一个平台。这就是该团队如何能够将振动测量与泵阀状况联系起来。无论液体或空气通过一个小开口，结果都是一样的——产生超声波振动频率。
图4和图5显示了从中型泵的泵头收集到的gSE TWF。从每个泵的阀门位置收集振动读数，三个吸入阀和三个排出阀。图4显示了泵阀处于良好状态时的TWF。该gSE TWF中的窄尖峰表示每个阀门最接近全闭位置时的最小开口。
图4:当泵阀处于良好状态时，纠正gSE TWF
图5为阀门通过时的时间波形。它由阀门打开和关闭时的正常超声波发射组成，由高超声波振动的平台分开。高原的持续时间等于柱塞行程在其中一个方向(吸入或排出行程)所经过的时间。这也相当于泵轴的半转。时间波形之间的差异很明显。
图5:当泵阀通过时，纠正了gSE TWF
该团队的注意力集中在中型泵上，然后转向较小和较大的柱塞泵。中型泵的阀门故障较多。现在团队可以看到发生的故障，对不可靠性的级别和故障模式有了更好的理解。这促使泵供应商讨论提高可靠性的方法。供应商提供了安装升级设计阀门的选项。新设计被证明是成功的，很少失败。
该团队对结果充满信心，将这一独特的振动测量结果添加到现场所有其他三缸泵的路径读数中。其他泵的阀门故障频率较低，但随着P-F曲线的发展，可以看到这些故障模式。
有很多好处:
- 计划维修和组织所需零件、劳动力和工具的时间;
- 电脑化维修管理系统(CMMS)记录更准确;
- 操作对流程的干扰较小;
- 阀门更换可与同一设备上的其他工作相结合;
- 有数据支持根本原因分析(RCA)和故障模式和影响分析(FMEA);
- 安全和环境问题可以得到解决。
结论
总之，容积泵内的阀门状态是可以监测的。学习如何将振动技术应用于这种应用需要数年的时间，但回报是非常值得的努力。团队还学习了如何跳出固有思维，在非标准应用程序中使用通用PdM技术。
了解泵阀缺陷何时开始的好处可以从经济到安全。改进了计划和调度。可能存在导致设计或操作变更的RCA和FMEA活动。可以避免生产损失和无法履行对客户的承诺。根据流经这些泵的危险产品的水平，可以避免安全和环境问题。
容积泵往往是高压、大流量的设备。对这些泵的状况了解得越多，它们就越能安全可靠地运行。
