双螺杆泵断轴故障诊断研究

摘要

远距离石油输送管路中，需要设置增压装置。双螺杆泵流量大、压力高、运输介质宽泛，被广泛应用与石油管路加压设备。某石油管路增压双螺杆泵在服役较短的一段时间后，主动轴发生断裂。其他同类泵组也发生了多次类似的严重故障，多次排查后均未能解决问题。双螺杆泵断轴故障严重影响了石油管路系统的安全运行。
　　石油管路增压双螺杆泵工作环境恶劣、主动轴受力情况复杂，为双螺杆泵主动轴断裂问题的分析制造了大量的困难，并导致问题迟迟不能解决。为探究双螺杆泵寿命的影响因素，本文首先针对出现故障的双螺杆泵转子进行了经典的静力学校核，并通过分析断裂轴段的断口形貌与断口材料，进行了故障的初步诊断。通过初步诊断结果对存在的故障原因进行分析，分别进行了转子疲劳分析与转子扭振强度校核。
　　在转子疲劳分析中首先进行了转子有限元分析模型的建立，并通过实验得到的模态数据来修正有限元模型，验证模型正确性。针对双螺杆泵转子复杂的受力情况，本文采用载荷识别的方法获取双螺杆泵的等效激励力，并计算了双螺杆泵转子的强迫振动响应特性，根据振动响应进行了疲劳分析。在转子扭振强度校核分析中，建立了转子当量分析模型，并通过模态测试结果对分析模型进行验证。并基于转子当量模型，计算了扭振强迫振动响应以及轴段扭转附加应力，校核了转子扭振强度。分析结果指出轴系转子存在共振现象，转子疲劳分析与扭振强度校核均显示转子强度不满足要求。
　　论文还通过双螺杆泵断轴故障分析结果提出了可行的改进方案，并对依据改进方案对双螺杆泵进行修改，对改进后的双螺杆泵进行了扭振测试与扭振强度校核。改进后的双螺杆泵扭振状态有明显改善，扭振强度满足要求，双螺杆泵未再次发生断轴故障。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景

1．2螺杆泵发展现状

1．3螺杆泵转子动力学研究现状

1．4螺杆泵载荷计算研究现状

1．5激励源识别研究现状

1．6本文主要研究内容

第2章转子静力分析

2．1双螺杆泵静力分析

2．1．1泵驱动力矩

2．1．2双螺杆泵静力计算

2．1．3轴承载荷

2．2传动键范围内强度校核

2．2．1截面Ⅰ处的负载验算

2．2．2材料许用应力计算

2．2．3 Ⅰ截面当量应力

2．3轴最大弯矩应力校核

2．3．2截面Ⅱ处的许用应力

2．3．3 Ⅰ截面当量应力

2．4本章小结

第3章螺杆断口材料检测

3．1．断口分析

3．1．1 A试样断口分析

3．1．2 A试样断口分析

3．1．3切样分析

3．2实验分析

3．2．1金相分析

3．2．2硬度

3．2．3压缩性能

3．2．4断口分析

3．3断口材料检测分析结果

3．4本章小结

第4章转子系统模态分析

4．1．有限元转子模态分析

4．1．1有限元模态分析理论

4．1．2有限元转子模型的建立

4．1．3边界条件的确立

4．1．4有限元模态计算结果

4．2．扭振模态测试

4．2．1双螺杆泵扭振测试

4．2．2扭振信号处理

4．2．3程序思路说明及计算流程

4．2．4扭振测试结果

4．3有限元转子模态与扭振测试模态对比分析

4．4本章小结

第5章双螺杆泵主轴键槽应力疲劳分析

5．1频域载荷识别的分析原理

5．1．1逆矩阵直接变换法

5．1．2最小二乘法

5．1．3．奇异值分解技术

5．1．4 Tikhonov正则化

5．2频域载荷识别分析

5．2．1双螺杆泵转子扭振响应测试

5．2．2双螺杆泵传递函数计算

5．2．3双螺杆泵力源识别分析

5．3双螺杆泵主动轴振动分析

5．3．1有限元谐响应分析原理

5．3．2双螺杆泵转子振动响应分析

5．3．3谐响应分析结果

5．4双螺杆泵主动轴疲劳分析

5．4．1疲劳分析的基本原理

5．4．2双螺杆泵轴系疲劳分析

5．4．3轴系疲劳分析结果

5．5本章小结

第6章转子系统强迫振动分析与性能优化

6．1双螺杆泵转子扭振强度校核

6．1．1扭振当量模型建立原理

6．1．2双螺杆泵当量模型简化

6．1．3双螺杆泵转子扭振模态计算与修正

6．1．4转子扭振附加应力计算

6．1．5转子扭振强度校核

6．2改进方案与讨论

6．2．1方案一：选用小刚度联轴器

6．2．2方案二：选用大刚度联轴器

6．2．3方案三：调整惯量

6．3改进方案扭振校核与试验验证

6．3．1扭振测试及分析

6．3．2扭振测试结果

6．3．3螺杆泵轴系扭转应力计算

6．3．4双螺杆泵主动轴扭转附加应力强度校核

6．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢