【壓縮機(jī)網(wǎng)】往復(fù)壓縮機(jī)是一種在石油、化工、天然氣儲運、冶金、制冷等國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的通用動力機(jī)械，具有流量范圍寬、壓力范圍廣、壓縮效率高等突出優(yōu)勢。雖然往復(fù)壓縮機(jī)應(yīng)用優(yōu)勢明顯，但其也存在振動大、易損件多、檢修周期短等問題，活塞桿斷裂、撞缸、連桿螺栓斷裂、拉缸、管道裂紋、氣閥閥片斷裂、活塞組件磨損、填料磨損等典型故障時有發(fā)生。開展往復(fù)壓縮機(jī)故障監(jiān)測診斷技術(shù)的研究與應(yīng)用是減少壓縮機(jī)惡性故障發(fā)生、保障機(jī)組安全穩(wěn)定運行的必由之路。

　　往復(fù)壓縮機(jī)常見故障類型，可分為泄漏類、磨損類、斷裂類、松動類、沖擊類、堵塞類等。根據(jù)發(fā)生部位，分為氣閥類、傳遞部件類、密封組件類等。往復(fù)壓縮機(jī)故障種類雖然很多，但按照監(jiān)測的狀態(tài)參數(shù)大致可分為兩類：熱力性能故障和機(jī)械性能故障。熱力性能故障可以從壓縮機(jī)熱力性能參數(shù)的變化上體現(xiàn)出來，包括進(jìn)排氣量、進(jìn)排氣壓力、溫度的變化以及油路、水路流量及溫度的變化等，可通過監(jiān)測進(jìn)、排氣溫度、氣缸壓力、潤滑油溫度、壓力等進(jìn)行改善，監(jiān)測對象包括氣閥、填料函、活塞環(huán)、軸承等。機(jī)械性能故障可以從往復(fù)壓縮機(jī)機(jī)械性能參數(shù)的變化上體現(xiàn)出來，如由于零部件磨損斷裂而引起的沖擊和振動。當(dāng)然，某些故障所體現(xiàn)的征兆也會同時反映在熱力參數(shù)和動力參數(shù)的變化上。

　　往復(fù)壓縮機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測和診斷方法有很多，目前通常使用在線監(jiān)測診斷方法，通過傳感器實時采集壓縮機(jī)的工況信息，通常對處理后的信息進(jìn)行人工分析和比對、診斷。

　　用于故障分析診斷的往復(fù)壓縮機(jī)監(jiān)測信號包括鍵相信號、振動信號、壓力信號、溫度信號等，結(jié)合壓縮機(jī)的實際結(jié)構(gòu)，可按鍵相信號、氣閥溫度信號、氣缸動態(tài)信號、活塞桿位移信號、十字頭振動信號、缸體振動信號、曲軸箱振動信號、機(jī)組主軸承信號進(jìn)行在線監(jiān)測測點的布局。

 

　　一．基于振動信號的監(jiān)測診斷技術(shù)

　　首先是基于振動信號的氣閥故障診斷方法的應(yīng)用。氣閥的故障是往復(fù)壓縮機(jī)最常見的故障，個別機(jī)組氣閥故障數(shù)量占故障總數(shù)的60%以上。氣閥的故障診斷通常是采用加速傳感器拾取閥蓋上的振動信號，通過提取振動信號的特征反映氣閥的工作狀態(tài)，因而信號具有調(diào)制的特點。針對調(diào)制的特點，目前普遍使用的方法是通過帶通濾波器對載波帶進(jìn)行濾波后，進(jìn)行包絡(luò)分析，最后提取包絡(luò)分析后信號的時域特征指標(biāo)來分析故障。因為伴隨著設(shè)備工況的變化，載波的頻帶會發(fā)生變化，需要人為提前確定載波頻率的特征帶，并進(jìn)行帶通濾波，給實際應(yīng)用帶來了很多不便。在實際運用中，采用多次帶通濾波，對能量最大的一個頻帶進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)的方法來解決這個問題，但是這種方法受噪聲干擾太大，計算效率低下。因為氣閥振動信號噪比低，而且對實時性要求高，這就限制了該方法在氣閥故障診斷中的應(yīng)用。另外，采用幾何分離的方法進(jìn)行多載波帶的信號包絡(luò)分析，但這種方法僅可以分辨出頻率，對應(yīng)的幅值誤差太大，并且計算速度較慢。而近年來，研究的方法采用從信號包絡(luò)解調(diào)的精度和運算的實時性兩方面考慮，將能量算子作為包絡(luò)解調(diào)的方法，在包絡(luò)解調(diào)之前的信號預(yù)處理中，使用小波包變換技術(shù)來避免人為確定特征帶的問題，將提升方法引入小波包變換中，來提高小波包變換的速度，提出了基于小波包變換和能量算子技術(shù)的包絡(luò)解調(diào)分析方法，將此技術(shù)用于往復(fù)壓縮機(jī)氣閥振動信號包絡(luò)，提高對故障前后的信號進(jìn)行分析計算，取得了滿意的結(jié)果。

　　能量算子是在研究非線性語音建模時引入的一種調(diào)制信號的分離方法，用于分析和跟蹤窄帶信號的能量，在調(diào)制作用的結(jié)果中，可以解調(diào)出信號的幅值及瞬時頻率。小波包變換本質(zhì)上就是對信號進(jìn)行等帶寬多帶濾波，在抑制噪聲方面效果很好。將提升方法引入小波包變換后，提高了小波包變換的計算速度，在實時監(jiān)測診斷應(yīng)用中更有優(yōu)勢。采用小波包變換與能力算子相結(jié)合的包絡(luò)解調(diào)分析框架，解決了對信號包絡(luò)解調(diào)前，需要人為確定載波帶對信號進(jìn)行帶通濾波的問題，不僅應(yīng)用于氣閥的故障診斷分析，還可以用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的滾動軸承和齒輪箱故障分析。

　　其次是基于振動信號的連桿小頭瓦故障診斷的應(yīng)用，往復(fù)壓縮機(jī)在運行過程中，驅(qū)動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動最終轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運動；運動形式的轉(zhuǎn)換過程中，連桿是通過十字頭銷將動力傳遞到十字頭及活塞上的，同時，氣動力、活塞力也通過十字頭銷最終傳遞至連桿及曲軸上。因此，十字頭銷可以看做力傳遞的樞紐。當(dāng)十字頭銷受到的連桿力為零時，對它的曲柄轉(zhuǎn)角即為連桿小頭瓦轉(zhuǎn)向角。機(jī)械結(jié)構(gòu)中的圓柱轉(zhuǎn)動副可視為滑動軸承，連桿小頭處活塞銷長度約為連桿小頭寬度的3倍，為了裝配需要和保證兩構(gòu)件在工作過程中的相對轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動副中軸徑和軸承之間存在一定間隙，當(dāng)轉(zhuǎn)動副因潤滑不良或其他各種原因造成磨損以后，間隙逐漸增大，此時，間隙對機(jī)械系統(tǒng)的動力學(xué)響應(yīng)的影響顯著增強(qiáng)。間隙的存在使轉(zhuǎn)動副中多了兩個自由度，即少了兩個方面的約束，所以軸頸的中心與軸承的中心是不重合的，運動副是用來連接兩個物體并傳遞力或力矩的，當(dāng)磨損增大到一定程度后，力和力矩不能順利地傳遞，使得被連接的兩物體越過間隙后直接發(fā)生碰撞；從而引起力和加速度出現(xiàn)較大的異常波動并伴有較大的幅值。間隙增大，對十字頭加速的影響增強(qiáng)，波動的幅值增大，產(chǎn)生的碰撞力也增大，但是力和加速度發(fā)生突變的位置始終在其運動換向點附近。在有磨損間隙的工況下，十字頭必然會在其運動的反向點附近產(chǎn)生短時高頻振動，并通過與其連接的十字頭滑道傳遞到機(jī)體表面。所以，在往復(fù)壓縮機(jī)十字頭滑道的正上方的機(jī)體表面安裝加速度振動傳感器，監(jiān)測振動信號的時域波形，當(dāng)發(fā)生小頭瓦磨損故障，可在時域波形中看到在十字頭的運動換向點附近出現(xiàn)大的振動沖擊信號，采用振動信號角域分析的小頭瓦磨損故障診斷方法在實際運行中是可行的。

 

　　二．基于活塞桿位移信號的監(jiān)測診斷技術(shù)

　　1.活塞桿自激振動特征提取方法

　　自激振動是某些系統(tǒng)在輸入和輸出之間具有反饋特性并有能源補(bǔ)充，從而引起振動的?；钊麠U部件在實際運動的過程中，由于活塞和十字頭受到摩擦力的作用，會產(chǎn)生自激振動?；钊麠U自激振動會產(chǎn)生相應(yīng)的頻率，這位提取診斷活塞桿類故障的特征參數(shù)提供了相應(yīng)的參考。

　　2.基于活塞桿軸心軌跡的故障診斷方法

　　對于往復(fù)壓縮機(jī)故障而言，必須能夠從活塞桿軸心位置軌跡提取必要的特征參數(shù)來反映設(shè)備的運行狀態(tài)?；钊麠U軸心位置的變化與每一時間點位移傳感器和活塞桿表面距離和活塞桿撓度有關(guān)，活塞桿撓度計算時可以把活塞桿看做簡單的超靜定梁，其十字頭端可作為活動鉸鏈支座，活塞端作為固定支座，活塞桿的自重作為均布載荷。對于往復(fù)壓縮機(jī)，如果活塞桿撓度較大，會造成填料密封磨損加快，高溫高壓氣體從填料處泄漏，排氣量會大大降低，嚴(yán)重影響壓縮機(jī)的工作效率，也會危害到設(shè)備及人的安全，因此，控制活塞桿的撓度極為重要。在實際工作中，采用繪制活塞桿正常和故障時軸心位置軌跡圖進(jìn)行對比分析，判斷活塞桿是否正常工作，實現(xiàn)活塞桿運行狀態(tài)的早期預(yù)警功能。

　　3.基于活塞桿位移信號的松動故障診斷方法

　　活塞桿在往復(fù)壓縮機(jī)中是否連接活塞和十字頭的零件。在壓縮機(jī)運行過程中，活塞桿受力較大的部位主要集中在活塞桿與旋緊螺母螺紋連接處，活塞桿階梯處和活塞桿與十字頭連接處，這些地方由于形狀的變化，運動過程中易引起應(yīng)力集中。這些位置都是活塞桿發(fā)生跳動故障后，容易引起活塞桿斷裂的主要位置，尤其是螺紋連接的末端需重點檢測。活塞桿跳動故障會引起整個活塞桿組件的加速度值增大，從而導(dǎo)致振動增大，并且隨著跳動量的增加，振動更加強(qiáng)烈。此外，活塞桿的應(yīng)力應(yīng)變也會隨著跳動量的增加而逐漸增大，在活塞桿的螺紋處，階梯處和活塞桿與十字頭連接處應(yīng)力集中明顯，易發(fā)生斷裂的危險?；钊麠U跳動故障的模擬分析結(jié)果與實際故障的狀態(tài)監(jiān)測具有高度一致性，采用動力學(xué)和有限元分析聯(lián)合仿真的方法對研究不同類型的活塞桿故障具有指導(dǎo)意義，可以分析活塞桿在不同故障形式下的應(yīng)力應(yīng)變變化，為活塞桿各類故障的事故預(yù)防和故障診斷在線監(jiān)測技術(shù)推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

　　4.基于活塞桿軸心振動能量的故障診斷方法

　　目前，國內(nèi)外在役的往復(fù)壓縮機(jī)故障在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)，都對活塞桿位移，包括縱向下沉與橫向偏擺信號進(jìn)行監(jiān)測。使用的傳感器為非接觸式的電渦流傳感器，通過兩個方向的位移傳感器，實現(xiàn)活塞桿運動過程中活塞桿相對傳感器位置變化信號的在線監(jiān)測。常規(guī)位移量監(jiān)測方法屬于相對參數(shù)監(jiān)測，即傳感器實時采集信號與初始安裝位置的差值，計算活塞桿位移相對變化量。在往復(fù)壓縮機(jī)實際故障監(jiān)測診斷中，基于活塞桿振動能量指數(shù)的方法可提取活塞桿軸心振動能量，軸心軌跡面積和單一方向振動能量參數(shù)，能有效反映活塞桿的運行狀態(tài)，相對位移平均值受安裝因素的影響較大，對故障監(jiān)測效果較好，特別對斷裂、撞缸故障更加敏感。從實際運行結(jié)果來看，活塞桿振動能量伴隨故障變化呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，故障預(yù)警效果相對較好，對完善在線監(jiān)測系統(tǒng)的活塞桿監(jiān)測報警參數(shù)，聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)控制參數(shù)具有積極意義，可有效彌補(bǔ)現(xiàn)有機(jī)組殼體振動裂度對故障早期反應(yīng)不敏感的問題，提高在線監(jiān)測系統(tǒng)與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)故障預(yù)警、停車的準(zhǔn)確性。

 

　　三．基于閥蓋溫度信號的監(jiān)測診斷技術(shù)

　　氣閥是往復(fù)壓縮機(jī)故障率最高的部件，氣閥故障會直接影響壓縮機(jī)的排氣量和工作效率；若閥片斷裂后的殘片落入缸體，可能引發(fā)嚴(yán)重的拉缸、撞缸故障，甚至導(dǎo)致壓縮機(jī)爆炸事故。因此，氣閥故障的早期故障預(yù)警與診斷意義顯著。氣閥閥蓋溫度數(shù)據(jù)直接反映閥腔內(nèi)的介質(zhì)溫度和氣閥的工作情況，同時氣閥閥片運動過程中與閥座、升程限制器發(fā)生碰撞，因此缸體振動傳感器也可對閥片工作情況進(jìn)行監(jiān)測。

　　在實際的往復(fù)壓縮機(jī)氣閥故障監(jiān)測中，仍依賴人工完成，一是對于不同的氣閥故障，如氣閥泄漏故障，氣閥閥片斷裂故障，氣閥彈簧失效故障等，需要同時結(jié)合氣閥溫度數(shù)據(jù)和缸體振動數(shù)據(jù)才能判斷，但是這兩類數(shù)據(jù)常常因為如現(xiàn)場干擾、負(fù)荷調(diào)節(jié)等一些原因存在變動，需要診斷專家完成人工診斷；二是不同往復(fù)壓縮機(jī)缸體上的氣閥個數(shù)不一致，也很難建立一般的智能分類器，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或支持向量機(jī)，實現(xiàn)氣閥故障診斷。

　　實際工作中，往復(fù)壓縮機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了氣閥閥蓋溫度的實時監(jiān)測，但報警方式采用單一特征值過線報警，而相關(guān)報警線設(shè)置工作復(fù)雜，同時受工況影響，也存在報警延時問題。氣閥正常工作時，氣閥溫度存在季節(jié)性、晝夜性、工藝性以及其它原因等的變化和波動，但是同類氣閥之間具有波動起伏一致的特點；當(dāng)缸體的某氣閥發(fā)生故障時，該氣閥溫度會偏高自身氣閥溫度而升高，并與其它氣閥溫度不再保持正常起伏一致的特點。根據(jù)這個特點，實際工作中可提取能夠反映這個特點的特征參數(shù)，實現(xiàn)故障異常監(jiān)測，進(jìn)一步對故障氣閥進(jìn)行自動定位，實現(xiàn)故障早期快速報警。

 

　　四．基于氣缸動態(tài)壓力信號的監(jiān)測診斷技術(shù)

　　1.基于仿真動態(tài)壓力的連桿大頭瓦故障診斷方法

　　大頭瓦是曲軸傳遞動力的關(guān)鍵節(jié)點，由于往復(fù)壓縮機(jī)大都具有強(qiáng)制潤滑功能，大頭瓦磨損在機(jī)組處于穩(wěn)定工況下時不易發(fā)生。但由于往復(fù)壓縮機(jī)的工況隨生產(chǎn)改變得較為頻繁，氣缸內(nèi)工作狀態(tài)不穩(wěn)定，從而直接影響曲柄連桿結(jié)構(gòu)的動力學(xué)行為。在這樣的工況下，大頭瓦瓦面巴氏合金長期受動載荷的作用，易發(fā)生疲勞磨損，一旦磨損，潤滑油膜受到破壞，疲勞面將快速擴(kuò)展，進(jìn)而惡性循環(huán)導(dǎo)致大頭瓦快速失效。因此，振動監(jiān)測方法是捕捉大頭瓦異常的一種有效方法，而如何確定大頭瓦磨損相位成為關(guān)鍵。由于連桿大頭瓦磨損故障模擬實驗難度大，同時易引發(fā)曲軸表面拉傷，因而，在實踐中，會采用相關(guān)類似的故障機(jī)作為分析對象，采用模擬動態(tài)壓力仿真技術(shù)，建立往復(fù)壓縮機(jī)關(guān)鍵運動部位受力模型，完成連桿大頭瓦動態(tài)載荷分析，實現(xiàn)早期預(yù)警與診斷。

　　2.基于實測動態(tài)壓力的故障診斷方法

　　基于動態(tài)壓力測量的示功圖監(jiān)測和分析是往復(fù)壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警的重要工具；尤其是通過示功圖可以更靈敏、更早期地監(jiān)測效率的變化，更早期地對氣閥泄漏等可能造成爆炸事故的嚴(yán)重故障進(jìn)行預(yù)警。示功圖是指在往復(fù)壓縮機(jī)的一個循環(huán)中，氣缸內(nèi)氣體動態(tài)壓力隨活塞位移而變化的循環(huán)曲線。可用動態(tài)壓力傳感器測量動態(tài)壓力，鍵相傳感器測量飛輪轉(zhuǎn)動角度換算成形程或體積來實現(xiàn)示功圖的監(jiān)測。大量的實踐表明，往復(fù)壓縮機(jī)氣體壓縮過程出現(xiàn)的異常或故障，示功圖都會表現(xiàn)出不同的形狀。能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測示功圖，且靈敏、定量地監(jiān)測出示功圖形狀的異常，就可以提高監(jiān)測系統(tǒng)的故障預(yù)警能力，利用現(xiàn)代圖形變換和統(tǒng)計模式識別的方法來實現(xiàn)其監(jiān)測、異常識別，達(dá)到往復(fù)壓縮機(jī)故障早期識別的目的。

 

　　五．基于聲發(fā)射技術(shù)的活塞桿斷裂的預(yù)警技術(shù)

　　當(dāng)固體材料受到力作用時，由于內(nèi)部缺陷的存在或微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性，會產(chǎn)生應(yīng)力集中，使塑性變形加大或形成裂紋與擴(kuò)展，這時會釋放出彈性波，這種現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。活塞桿在周期性非對稱拉---壓載荷下產(chǎn)生裂紋及裂紋擴(kuò)展，會產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。聲發(fā)射信號的產(chǎn)生率是變化無常的，活塞桿的裂紋擴(kuò)展過程產(chǎn)生是聲發(fā)射信號是連續(xù)的。裂紋疲勞擴(kuò)展到一定程度后擴(kuò)展速度會加快，這與應(yīng)力強(qiáng)度的大小有很大關(guān)系，而裂紋疲勞擴(kuò)展可以通過聲發(fā)射參數(shù)反映出來，這是通過聲發(fā)射技術(shù)對活塞桿的疲勞斷裂進(jìn)行預(yù)測的主要依據(jù)。嚴(yán)格來說，沒有裂紋的活塞桿應(yīng)該沒有聲發(fā)射現(xiàn)象，但因活塞桿加工質(zhì)量問題，存在一些細(xì)小的裂紋，會有少數(shù)聲發(fā)射現(xiàn)象。聲發(fā)射特征參數(shù)中幅度和能量對有無裂紋都很敏感，由于幅度計算相對簡便，采用幅度作為監(jiān)測參數(shù)來判斷活塞桿有無裂紋。聲發(fā)射的能量和計數(shù)會隨裂紋擴(kuò)展程度的增加而增大，可以通過兩者趨勢的變化程度來預(yù)測活塞桿的使用壽命?；钊麠U不同部位裂紋的聲發(fā)射特征參數(shù)基本相同，說明當(dāng)螺紋連接部位出現(xiàn)裂紋后，應(yīng)變率、疲勞次數(shù)同樣會與聲發(fā)射計數(shù)、能量有對應(yīng)關(guān)系。

　　設(shè)備故障診斷的發(fā)展方向一直是：不斷尋求解決工程實際難題的方法與技術(shù)。往復(fù)壓縮機(jī)隨著在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展推廣應(yīng)用不斷地豐富完善，故障診斷專家系統(tǒng)、故障智能保護(hù)系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用是發(fā)展的必然趨勢。

 

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