往復(fù)壓縮機(jī)氣閥故障在線測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與頻譜分析

鐘震宇

(遼寧省國(guó)家新型原材料建設(shè)工程中心，沈陽(yáng) 110032)

往復(fù)壓縮機(jī)是一類廣泛應(yīng)用于石化領(lǐng)域的通用機(jī)械，由于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜，激勵(lì)源較多，工作環(huán)境惡劣等因素的影響，使整機(jī)運(yùn)行的故障率居高不下；其中氣閥是控制氣缸進(jìn)氣和排氣的重要部件，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，氣閥是壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中故障率最高的部件之一[1]。氣閥常見(jiàn)的故障有閥片斷裂、彈簧失效、閥片密封失效(由于緊固螺母松動(dòng)或裝配不當(dāng)引起)等。氣閥故障將導(dǎo)致壓縮機(jī)組排氣溫度升高，排氣量降低，嚴(yán)重影響壓縮機(jī)的工作效率，因此對(duì)氣閥故障進(jìn)行快速識(shí)別和診斷是往復(fù)壓縮機(jī)技術(shù)研究的重要課題。

目前信號(hào)分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、SVM等新興算法的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，往復(fù)壓縮機(jī)故障診斷技術(shù)的研究在國(guó)內(nèi)外取得了巨大研究進(jìn)展。如以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，再應(yīng)用Kalman濾波器、參數(shù)估計(jì)等方法計(jì)算模型的殘差，通過(guò)對(duì)殘差的分析與估計(jì)進(jìn)行故障診斷[2-5]；該方法適用于系統(tǒng)變量較少，易于建立數(shù)學(xué)模型的研究對(duì)象。對(duì)于一些不易得到準(zhǔn)確模型的系統(tǒng)，可基于信號(hào)處理理論對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行頻譜變換，采用小波及小波包分析[6]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[7]、譜分析法[8]對(duì)表征故障的特征進(jìn)行提取，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的診斷。對(duì)于多信息融合的復(fù)雜系統(tǒng)，應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、專家系統(tǒng)等方法進(jìn)行智能故障診斷是目前研究的熱點(diǎn)之一[9-10]。

上述文獻(xiàn)資料顯示，大部分的學(xué)者致力于對(duì)故障信號(hào)的分析與預(yù)測(cè)，所采用的數(shù)據(jù)大多采用計(jì)算機(jī)生成的模擬信號(hào)，甚少關(guān)注壓縮機(jī)故障信號(hào)的獲得方法。而在往復(fù)壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，氣閥受進(jìn)氣或排氣的沖擊力作用，產(chǎn)生沖擊性振動(dòng)，且氣閥的工作表面位于氣缸內(nèi)部，而在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，氣閥通常處于正常工作狀態(tài)，因此準(zhǔn)確檢測(cè)到氣閥發(fā)生故障的振動(dòng)信號(hào)是實(shí)現(xiàn)氣閥故障診斷方法的難題之一。因此本文針對(duì)這一問(wèn)題，基于氣閥的各種故障類型特征，提出一種用于氣閥故障信號(hào)在線采集的實(shí)用檢測(cè)方法，并對(duì)檢測(cè)后的氣閥故障信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，驗(yàn)證故障信號(hào)與實(shí)際故障類型基本一致，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 氣閥工作原理與故障類型

往復(fù)壓縮機(jī)常用的氣閥為環(huán)狀氣閥，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣閥工作時(shí)主要運(yùn)動(dòng)部件是閥片和彈簧，借助于兩者使氣閥開合達(dá)到正常進(jìn)氣和排氣的功能，是壓縮機(jī)能夠平穩(wěn)運(yùn)行的可靠保證。

1.1 氣閥工作原理

一個(gè)完整的往復(fù)壓縮機(jī)工作循環(huán)包括膨脹、進(jìn)氣、壓縮、排氣4個(gè)階段，在這一過(guò)程中氣閥借助于氣缸與閥腔間的氣體壓力差而開閉，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律與閥腔壓力之間的關(guān)系如圖2所示。

圖1 氣閥結(jié)構(gòu)組成

圖2 氣閥閥片運(yùn)動(dòng)規(guī)律關(guān)系圖

圖2中上部的坐標(biāo)系表示一個(gè)完整的壓縮機(jī)工作過(guò)程的4個(gè)階段，與之對(duì)應(yīng)的下部坐標(biāo)系給出了氣閥閥片的開合過(guò)程。其中第一階段(圖2中 0-a階段)為余隙容積膨脹過(guò)程，當(dāng)氣缸腔與閥腔間的壓力差大于彈簧慣性力時(shí)，閥片開啟，氣體進(jìn)入氣缸，至b點(diǎn)閥片達(dá)到升程限制器(圖2中a-b階段)；這時(shí)閥片撞擊升程限制器反彈(圖2中b-c階段)；在氣體推力的作用下再次升至限制器(圖2中c-d階段)；此時(shí)氣體推力大于彈簧力，閥片開啟至最大(圖2中d-e階段)；直到活塞接近止點(diǎn)位置時(shí)，氣體推力逐漸減小，當(dāng)小于彈簧力時(shí)，閥片回落至閥座(圖2中e-f階段)。

往復(fù)式壓縮機(jī)閥的動(dòng)力學(xué)關(guān)系可表達(dá)為

(1)

式中：m為閥片及彈簧質(zhì)量，kg；FS為氣閥的彈簧力，N；FQ為被壓縮氣體介質(zhì)的氣體推力，N；h為氣閥的升程，m；t為氣閥閥片上升時(shí)間，s。

1.2 故障類型

為設(shè)計(jì)氣閥故障的檢測(cè)方法，需要對(duì)氣閥可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析，實(shí)際生產(chǎn)中氣閥常見(jiàn)故障有3種：閥片斷裂、閥片密封面失效、彈簧失效。由氣閥工作原理可知，在一個(gè)完整的吸氣(或排氣)過(guò)程中，閥片與升程限制器間發(fā)生的碰撞，閥片在氣缸內(nèi)受交變載荷、氣體推力及高溫腐蝕的影響都是氣閥故障和失效的主要因素，氣閥故障類型與影響因素及特征總結(jié)如表1所示。

表1 氣閥故障類型及特點(diǎn)

根據(jù)表1中的故障類型與表現(xiàn)形式，將用于故障信號(hào)采集的氣閥進(jìn)行處理，使之接近于實(shí)際故障情況，如圖3所示。其中圖3a模擬實(shí)際閥片斷裂故障；圖3b通過(guò)降低部分彈簧剛度來(lái)模擬彈簧失效故障；圖3c對(duì)閥片的密封面進(jìn)行局部破壞模擬因氣體腐蝕造成的密封失效故障。這些氣閥和正常氣閥一起用于接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)。

圖3 2D-90往復(fù)壓縮機(jī)氣閥故障處理效果

2 氣閥故障測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用2D-90型雙一級(jí)往復(fù)壓縮機(jī)，活塞環(huán)密封和迷宮密封聯(lián)合密封方式，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)用壓縮機(jī)的技術(shù)參數(shù)和測(cè)量對(duì)象，選用CT1010L ICP壓電式加速度計(jì)作為振動(dòng)信號(hào)傳感器，具體的安裝方式如圖4所示。由于閥腔密封性要求，所以采用磁吸方式將加速度計(jì)安裝在壓縮機(jī)吸氣閥的閥座上，見(jiàn)圖4a，閥蓋中心開螺紋孔，放置引線器并進(jìn)行密封處理，見(jiàn)圖4b。將氣閥重新裝入壓縮機(jī)閥口。

表2 2D-90往復(fù)式壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖4 氣閥傳感器安裝方式

振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5所示，基于2D-90往復(fù)壓縮機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)和氣閥振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。開啟設(shè)備并調(diào)節(jié)壓縮機(jī)至平穩(wěn)轉(zhuǎn)速750r/min，設(shè)定采樣速率為25.6kHz，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)定為4096點(diǎn)，則采集時(shí)間為0.16s(2個(gè)氣閥工作周期)，恰好對(duì)應(yīng)氣閥工作2個(gè)周期。得到4種工作狀態(tài)(氣閥正常、閥片密封面失效、閥片斷裂、彈簧失效)的氣閥振動(dòng)信號(hào)。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和測(cè)點(diǎn)簡(jiǎn)圖

3 氣閥故障頻譜分析

由氣閥故障原因可知，由氣體沖擊力引起的振動(dòng)信號(hào)為低頻信號(hào)，而閥片與升程限制器碰撞為高頻信號(hào)，通過(guò)時(shí)域特征參數(shù)對(duì)比閥片正常與異常狀態(tài)的振動(dòng)信號(hào)很難對(duì)氣閥故障類型進(jìn)行判斷[11]，因此需要進(jìn)一步采用頻譜分析判斷四種工況下氣閥的振動(dòng)信號(hào)的能量分布變化，如圖6～圖9所示。

圖6 氣閥正常工作時(shí)振動(dòng)頻譜圖

圖6表明，氣閥正常時(shí)能量分布主要集中在2000Hz到11000Hz之間，振動(dòng)信號(hào)能量主要由氣體循環(huán)載荷引起的低頻振動(dòng)和因閥片與升程限制器碰撞的高頻振動(dòng)組成。

圖7 閥片斷裂時(shí)振動(dòng)頻譜圖

圖7表明，氣閥閥片斷裂的頻譜能量與幅值明顯變化，振動(dòng)能量分布主要在0Hz到8000Hz之間。由于閥片斷裂，低頻能量與正常氣閥相比有所增加，但閥片剛度變小，高頻能量減弱，振動(dòng)能量向低頻端偏移，這是氣閥閥片斷裂的主要頻譜特征。

圖8 彈簧失效時(shí)振動(dòng)頻譜圖

圖8表明，由于彈簧失效，一方面彈簧減振作用減弱或失去，閥片受沖擊力變大，振動(dòng)能量分布集中在3000Hz到5000Hz之間，另一方面彈簧對(duì)閥片的推動(dòng)力減小，氣缸內(nèi)氣體壓力變小，導(dǎo)致中低頻振動(dòng)級(jí)數(shù)減小。

圖9 閥片密封面失效振動(dòng)頻譜圖

圖9表明，閥片密封面失效的振動(dòng)頻譜與彈簧失效時(shí)類似，由于閥片剛度和彈簧彈性引起的高頻振動(dòng)基本不變，但由于這個(gè)閥片磨損導(dǎo)致氣缸內(nèi)壓力減小，中低頻振動(dòng)增加，能量分布主要集中在4000Hz到6000Hz之間。

通過(guò)上述分析可以判斷不同氣閥故障類型在頻譜圖的中低頻和高頻的能量分布不同，通過(guò)提取氣閥信號(hào)的能量分布可以準(zhǔn)確有效的對(duì)故障做出判斷。

4 結(jié)論

根據(jù)氣閥工作原理，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中氣閥常見(jiàn)故障類型，設(shè)計(jì)一種用于在線測(cè)量的氣閥故障檢測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用該系統(tǒng)采集四種模擬工況的氣閥振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得到不同故障類型的振動(dòng)分布特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)設(shè)計(jì)的氣閥故障測(cè)試系統(tǒng)可在不影響壓縮機(jī)運(yùn)行的情況下在線測(cè)量不同工況的氣閥振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)分析檢測(cè)數(shù)據(jù)符合實(shí)際故障情況；

(2)通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)頻譜分析其各頻段的能量分布可初步判定氣閥的故障類型。

(3)經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)采集的原始振動(dòng)數(shù)據(jù)可用于進(jìn)一步的故障診斷的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。