（化工过程机械专业论文）往复式压缩机气阀阀片的故障分析与诊断.pdf

摘要 往复式压缩机气阀阀片的故障分析与诊断 摘要 近年来，机械设备故障诊断技术在国内外得到了较大的发展，在 国民生产中起到了重大的作用。往复压缩机作为机械设备领域的一部 分，由于其结构复杂，激励源多，对其实施故障诊断比较困难，尽管 人们已对其开展了不少研究并取得了一些研究成果，但总的诊断水平 还不是很高，这与其在生产中的应用现状是极不相符。往复压缩机由 于其用途的广泛性使得对其故障诊断的研究更具有重要意义。本文在 吸取前人研究成果的基础上，结合实际，并根据往复压缩机气阀信号 的非平稳特性，引入了智能诊断方法，对往复压缩机气阀阀片的故障 诊断进行了有益的尝试。 在本文中，首先根据往复压缩机气阀信号特点：随机信号、周期 信号、冲击信号等混杂在一起，以及信号特征难以提取等问题，研究 了往复压缩机气阀信号的消噪方法和特征提取方法。通过对小波变换 技术的进一步研究，提出往复压缩机气阀信号处理的小波基函数选择 原则及小波包消噪的阀值选取原则。利用小波包变换对往复压缩机的 气阀阀片信号进行消噪处理和特征提取，并以“能量”为元素，构造 往复压缩机气阀阀片故障信号的特征，但单独从振动信号来看从其原 始数据直接获取的信息十分有限，为此又提出信息融合的故障特征提 取方法，将往复压缩机气阀阀片的振动信号经小波包提取出“能量” 特征后再进行信息融合提取气阀故障信号特征，用融合后的特征向量 再进一步进行故障诊断。通过对实测往复压缩机气阀阀片的振动信号 分析进一步验证了方法的可行性和有效性。 本文通过实测压缩机气阀阀片在正常情况下和故障情况下压缩 机的振动信号，运用小波包分析理论对气阀阀片的不同程度故障进行 分析，通过振动信号判断气阀阀片断裂的程度，进而对气阀阀片断裂 故障进行预判，为小型压缩机气阀故障诊断提供了一种新的检测方 法。 关键词：往复式压缩机，气阀，阀片，智能诊断，小波包，特征提取 u a b s t r a c t c o m p r e s s o rv a l v ed i s cl 溘u 1 月a n a l y s i sa n d d l a g n o s l s a b s t r a c t k 托c e 贰y e 粥搬鑫e h 遮e 搿董融l 毫蠡警o s i s 钯e h o l o 影l j i a sb e 铋 舻e a t l yd e v e l o p e da l lo v e rm ew o d d 锄d m et e c h n o l o 影i sv e 巧i 娌l p o r t 2 眦t i nn a t i o n a lp r o d u c t i o n i ti sr a m e rd i 伍c u l tt 0m o n i t o rm es t a t eo f 羚c 币e 蕊扭gc o 糙p 羚s s o ro w 洫g 幻近se 。掇p l e xe 。登酶瞰文i o 致越ds om 黼y s t jm u l a t i o ns o u r c e s a l 戗1 0 u 曲t h er e s e a r c h e sh a v eb e e nm a d ea r l ds o m e a c h i e v e m e n t sh a v eb e e ng a i n e d ，t 1 1 et o t a ld i a g n o s i sl e v e li s n tv e 巧h 谵h a n d面e sn o t _ m 采c hw i 也 p f a c t 主c 越a p p l i e 撕。眭t h e 玲s e 嚣e h强 r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o rf a u l td i a g n o s i si so f 炉a ts i g 斌f i c a n c eo w i n g t o t h ep 叭i c u l 撕锣o fi t sa p p l i c a t i o n n er e s e a r c hw o r kw h i c hi sc o m b i n e d w i t hp r a c 鼍i e e 谊攮i s 搬e s i si sb a s e do 程p 忿d e c e s s 躞s a c h i e v e m e 撒s ， i n 把l l i g e 嫩d i a g n 。s i s m e t h o d sa r ea 却t e da n df a u l t d i a 掣l o s i s i s e 虢c t i v e l ys o l v e df o rr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r v a l v e s 王娃也i st h e s i s 也ed e n o i s i n gm e t 圭l o 琏a n dt h ef e a 镛ee x t r a c t 量o nm e 也o d a 托糟s e a 羚h e d = a e e o r d 崦t ov a 慨ss i 乎l a l sc h 皴曩c t e 巍嫩c 娃l a tp e r i o 越c s i g n a l s ，i m p a c ts i g n a l sa n dr a n d o ms i g n a l s 眦ca r ei n t e m i x e d ，s i g n a l s ，f e a t i l i sd i 疆c u l t l ye x 协a c t e ( 量a n ds oo n t h er u l eo fc h o o s i n gw a v e l e t b a s i s 觚戍i o na 丽w a v e l e td 铋o s i 鸥s o 绺t k e s h o l d i 珏gv 采v ei sp r o p o s e d i i i 北京化工大学硕士学位论文 a r e rm a l d n g 血l r t h e rr e s e a r c ho nw a v e l e tt r a n s f o r mt e c h n i q u eu s i n gf o r s i g n a l sd i s p o s i n go fv a l v e sd i s c d e n o i s i n gd i s p o s i n g a n df e a t u r e e x 订a c t i o no fs i g n a l sa r ec 枷e do nt h r o u 曲u s i n gw a v e l e t 仃a n s f o r m t e c l u l i q u e f e a t u r ev e c t o r so fs i g n a l sa r ec o n s t m c t e db yw a yo f “e n e r g y e l e m e n t d i r e c t l yg a i n e di n f o 册a t i o ni sv e 巧f i n i t e6 - o mo r i g i n a ld a t ao f v i b r a t i o ns i g n a l s t h e r e f o r e ，t h e 凳响1 1 ee x t r a c t i o nm e t h o do fi n f o m l a t i o n 血s i o ni sp r 叩o s e d w 打e l e tp a c k e ti su s e dt oe x t r a c t “e n e r g y f - e a t l j r eo f v i b r a t i o ns i g n a l si nt i l em e t h o d i n f o m l a t i o nm s i o ni sc a 玎i e do u tt o e x 订a c tv a l v ed i s c sf ea c u r e f e a t i l l ev e c t o r so fm s i o na r eu s e df o rf - a u l t d i a g n o s i s n sf e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t ya r ev e r i f i e db yt h ed i 罐皿o s i sr e s u l t o nv i b r a t i o ns i g n a l so fv a l v ed i s c ss i g l l a l s t h i sa n i c l et a k e s 西c o n l p r e s s o re x p e m e n ta se x a m p l e ，m e a s u r 洒g t h ec o m p r e s s o rv a l v ed i s c sv i b r a t i o ns i g n a lo nn o r m a la n df a u l tc o n d i t i o n 。 t h ea u m o rn o to n l ya n a l y s e st h ef a u l to fd i 鼠r e n td e 铲e eo nc o i n p r e s s o r v a l v e sd i s cb yt h ew a v e l e tp a c k e tt h e o b u ta l s os e a r c h e rt h ew a yt o p r e - j u d g et h ef a u l tb yt h ev i b r a t i o ns i g l l a lo ft h ec o i n p r e s s o rv a l v e sd i s c 7 r h i sa i t i c l ep r o v i d e sak n do fn e wm e t h o df o rd i a g i l o s et h em i n i a t u r e c o n 【p r e s s o rv a l v e sf a u l t k e yw o r d s ： r e c i p r o c a t i n gc o i n p r e s s o r ，v a l v e ，d i s c ， i n t e l l i g e n t d i a g n o s i s ，w a v e l e tp a c k e t ，f e a n u ee x t r a c t i o n i v 符号说明 符号说明 撞击力，n ； 阀片质量，蚝； 气体推力；n 弹力；n 压差；p a 横截面积，m 2 ； 弹性系数； 转； 变形量，m m 升程，姗 时间，s 泊松比； 抗拉强度，p a ； 汽缸直径，i i l i i l ； 活塞行程，m m ； 压缩机排气量，m 3 m h l ； 轴功率，k w ； 压缩机转速，r a d m i n ； 排气压力，m p a ； 活塞杆直径，n 姗； 基本小波函数( 母小波) ； 尺度参数； 平移参数； 频带信号； 信号能量； 特征向量； 尺度因子 位置因子 频率因子 i x f m风凹a k rh。 d s q n p d 叭a b西易t；，k n 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：查叁日期：圣! ! 蔓：兰：兰鱼 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在必解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 痞良 一 日期： 日期： 2 口口子s 26 帅苔、f 嘶 第一章绪论 第一章绪论 1 。 本课题的研究冒的及意义 自改革开放以来，我国经济取得了突飞猛进的发展，社会化大生产和生产的 现代化使得机械设备在国有资产的比例中越来越大。不言而喻，机械设备运行状 态豹优劣壹接影响着社会效益和经济效益，所以机械设备的状态监测与故障诊断 技术也越来越受到人们的重视，但是由于定期维修将造成不可避免的过修和欠 修，过修则增加了不必要的检修费用，欠修则降低了设备的可靠性和经济性。因 此，开展设备状态监测与故障诊断技术研究，已成为我国当前普遍面临的重要课 题。 。设备故障诊断技术是八十年代以来，随着计算机和电子技术的飞速发展，为 促进工业生产现代化和机械设备的大型化、连续化、高速化、自动化而迅速发展 起来的门新技术。它是建立在信息检测技术、信号处理技术、模式识别理论、 人工智能技术、计算机应用技术和机械工程等各学科现代科学成就基础上的综合 学科h j 。现代工业的发展对机械设备性能的要求越来越高，一次性投资也越来越 大，很多大型石油、化工、石化、电力、钢铁等部门都采用单机，满负荷，连续 性的生产操作方式，一些大型机械( 如汽轮机，压缩枫) 已成为现代化大规模生 产装置中的关键设备，如果一旦出现停机故障将导致全厂停产，其经济损失是十 分巨大的，因此开展设备故障诊断技术对确保机械设备的安全，提高产品质量， 节约维修费用以及防止环境污染等均起到蓬要作用f 2 嗣。在生产孛运用先进的设 备故障诊断技术，实现设备的维修体制由计划维修到预知性维修的转变，延长设 备酶维修周期，可绘企业带来巨大的经济效益。 往复式压缩机结构复杂，产生故障的原因很多，要详尽其各类故障尚需大量 的工作。在研究的基础阶段，应抓住主要矛盾，从常发故障感发，逐步深入。在 长期的生产实践中，人们发现，往复压缩机最常见的故障零部件有气阀、活塞环、 填料函以及一些联接件的摩擦副等，其中气阀故障占总故障数的6 0 以上，因而 研究气溺的故障诊断方法对往复式压缩机的故障诊断具有很重要的作用。 本课题的研究目的就是通过对往复压缩机气阀阀片故障诊断的研究，提出适 用于往复压缩枕气阕阀片故障特征提取与智能故障诊断的方法。 北京化工大学硕士学位论文 1 。2 往复压缩杌故障诊断的现状、发展趋势及诊断过程 1 2 1 往复式压缩机诊断技术的研究现状 设备故障诊断技术的发展大致可分四个阶段【4 ： ( 王) 第一阶段是在王9 世纪，当时机器设备本身技术水平和复杂程度都很低，因 此采用事后维修方式。 ( 2 ) 第二阶段是进入2 0 世纪后，随着大生产的发展，机器设备本身的技术复杂 程度也有了提高，设备故障或事故对生产的影响显著增加，在这种情况下，出现了 定期预防维修方式。 ( 3 ) 第三阶段是从2 0 世纪6 0 年代开始，特别是7 0 年代，设备诊断技术随着现 代计算机技术、数据处理技术等发展，出现了更科学的按设备状态进行维修的方 n 瓦o ( 4 ) 第四阶段是进入2 0 世纪8 0 年代以后，人工智能技术和专家系统、神经网 络等开始发展，并在实际工程中赢用；使设备维修技术达到了智麓化高度。虽然这 一阶段发展历史并不长，但已有研究成果袭明，设备智能故障诊断具有十分广泛 的应用前景。 往复式压缩机是工业上应用量大、面广的一种重要通用机械，其故障诊断比 较复杂，对于其故障诊断技术的研究一直以来都得到了国内外学者的广泛关注。 例如，在雷井，美国学者赣经利用气缸内侧的压力信号图像判断气阀故障及活塞 环的磨损；捷克学者根据对千余种不同类型的压缩机建立了常规性参数数据库， 确定评定参数，以判断压缩机的工作状态等。林京教授剩用功率谱谱距和模糊理 论对气阀的振动信号诊断分析【5 】，发现j 散度谱距是一种较好的谱距，用模糊理 论对j 散度谱距作出模糍相似测度，对实测气阀振动信号作分析计算，收到了一 定的效果；哈尔滨工业大学的高晶波博士分别用振声技术f 6 j 和时频分析方法闭对 2 d 1 2 型往复压缩机气阀振声信号进行诊断，基于振声技术和广义双线性时频分 析的故障诊断方法能有效的提取气阀常见故障( 弹簧失效、阀片断裂、阀片缺飚) 的特征，为气阀诊断提供了一条有效的途径；袁小宏【8 】、林京【9 】等分别提出利用 连续小波变换的奇异性检测方法对往复压缩机气阀进行诊断，针对传统的时域和 频域分析不很适合处理往复压缩机气阀振动信号中的非平稳和冲击性信号成分 的问题，建立了具有更纲致的局部奇异性刻匮能力的连续小波变换信号奇异性检 测方法；刘红星等早在1 9 9 6 年就提出利用气阀的振动信号对气阀进行故障诊断， 并且给恕了气阀故障信号的物理解释【l o 】，之后他又利用二维向量频谱对往复压 2 第一章绪论 缩视气阀状态蕊测和诊断 珏，指出频谱的一维谱熵指标酶局限性，提出具有健 置维的频谱二维指标，其能较全面地反映信号的特征，尤其是近几年来，人工智 能领域酶专家系统和神经网络技术在往复式压缩瓿故障诊断方蟊的应用戳及一 些专家学者对压缩机的常规性能参数的监测和控制方面所傲的工作，目的都是为 了改变墨翦压缩襁操作人员耀耳听、翼基看、凭借经验判断故障的局露。 然而，由于裢复式压缩机结构复杂、激励源点，鉴于当前研究现状以及上述研 究资料袭明，计算机技术的不完善和人工智能领域的专家系统和神经网络技术的 初步使用，使得故障诊断技术霹嚣还只是处于第三阶段静整理完善稔彝第四阶段 的过渡时期，至今尚无一套像旋转机械那样成熟的、得到人们普遍认可和广泛应 用麓诊断系统，以供选择并获得往复式压缩桃工箨状态酶有效特征参数。，霞设采 取先凭经验或设想去确定和试凑特征参数，然后再进行实验验证的方法是不充分 静，且不熊找出最优特征参数，离实际瘟用还有差距，也与其森工监中豹重要遣伎 不相称嘲。 1 。2 2 故障诊断研究存在的问题 往复压缩机电于结构比较复杂，零部件多，激励源多，随机信号、。周期信号、 渖盍蔫号等混杂在一起，对其实施故障诊鞭魄旋转机械霾难，主要体现在双下几 个方面： 王。运动形式和运动速度变化规律复杂； 2 众多的频率范围与广阔的激励源； 3 在往复压缩机的不同部件中，激励力的传递途经及其对表面振动的响应不 圊； 4 备承力部件受力复杂，呈现动态的、交变的，非均匀的状态； 5 。结构复杂，运动绺多显形状复杂，弱辩各运动件都在瓿身里面，王终状态 下难于接近，信号不易提取； 6 。工况复杂，夕 载荷变化很大，各配合刹状态也商很大差异，工作环境恶劣； 7 豳于往复压缩辊结构复杂，振动激励源较多，信号复杂，各部件的运行信 号相互干扰，导致非平稳信号的产生，并且振动信号常常被冀它振动信号和大量 的隧瓤嗓声所淹没，特别是旱襄故障时敌障特征信息缀微弱，并虽敌障原西与故 障表现形式之间没有很清楚的对应关系。 由予以上霾难，致使往复压缩枫故障诊断主要存在竣下筒题： 1 信号故障特征难以提取的问题 往复压缩机结构复杂、零部件多，激励源多，备部件的振动信号棚互于扰， 3 北京化工大学硕士学位论文 且振动信号中搀杂大量的非平稳、非周期信号，特别是在某些部件出现故障时， 信号的瞬变特性会更加明显，采用常规的信号分析方法，即仅在频域或仅在时域 上通过振动信号进行分析，都不能反映其中的时变或非平稳特性，这也是阻碍往 复压缩机故障诊断技术发展的重要“瓶颈”之一，因此需要一种不仅能够准确提 取故障特征而且便于后续智能诊断的信号特征提取方法。 2 缺少具有连续学习功能的故障诊断方法 对于大型复杂的往复压缩机，很难一次获得大量的故障样本，随着设备运行 时间的推移，会不断的有新故障样本出现。而现在的大多数像神经网络等智能诊 断方法都需要将新样本与旧故障样本一起对智能诊断系统再进行训练，这样会浪 费大量时间，如果新样本不参与再训练或只用新样本训练( 旧样本丢失) 都将会 造成巨大的损失，严重影响了其故障诊断的准确性和鲁棒性。因此，需要一种新 的故障诊断方法，使其能够具有连续学习功能，在设备运行期间，不断的学习新 的样本。 3 诊断方法缺少对故障样本数据的约简能力 随着设备结构日趋复杂，对故障诊断需要的信息量越来越多，大量信息通常 被存储在计算机中，尽管现在的计算机的存储能力和信息处理能力得到很大的提 高，但是大量的数据处理势必给计算机运行带来很大的困难，致使一些诊断方法 无法在计算机上正确运行，并且诊断所需要的正常和故障样本中不同程度的存在 着大量的信息冗余，因此这就需要故障诊断方法对信息样本具有较好约筒能力。 4 实时性差，难以实现压缩机的在线故障诊断 传统的基于模型的各种诊断方法、模式识别方法和专家系统等满足不了复杂 动态系统故障诊断所要求的实时性、及时性和稳健性，并且在先验知识方面要求 得更高、缺乏自适应和可学习能力，为此需要寻求一种较好的诊断方法对往复压 缩机进行故障诊断。 以上缺点制约着往复压缩机故障诊断技术的发展。 1 2 3 往复压缩机故障诊断发展趋势 往复压缩机故障诊断技术正处于探索、发展阶段，其今后的发展趋势为【2 2 2 5 】： 1 应开展对机器的综合诊断，除通过振动信号外，应大力进行热力参数的诊 断，开展参数融合诊断的研究，以提高诊断正确性。 2 充分应用现代研究成果以推动故障诊断技术的发展，将各种不同的智能诊 断技术结合起来的混合诊断系统是智能诊断研究的一个发展趋势。模糊逻辑、神 经网络与专家系统结合的往复压缩机故障智能诊断模型是最具发展前景的，也是 4 第一章绪论 匿蓠人工智能领域的研究热点之。模糊诊断、章枣经蹭络诊断、人工免疫等智能 化诊断将是今后发展主方向。 3 诊断系统将由集中式蠢分布式发展，嗣对网络纯诊断是今后发展方商。隧 着网络技术的发展，实现多专家与多系统的共同诊断，一种有效的解决途径就是 建立基于瓣络的远程往复压缩规故障诊断与监测系统。嬲终化的远程故障诊断系 统将监测诊断现场和诊断中心由网络联系起来，其中储存了多种的故障诊断知识 和经验，可响应不同监测现场用户的使用簧求，不网的监测现场可以与同一个诊 断中心建立联系。基于网络的远程往复压缩枧故障诊断系统将管理部门、蓝测现 场、诊断专家、往复压缩机供应商联系起来，形成一个真正开放的系统。 4 。+ 应系统地总结霹前的研究戚栗，有计划述将套成果联合、贯通，戬形成较 为成熟的往复压缩机故障诊断系统供实际应用，这也应是目前工作的个方向。 5 。多故障诊断技术翊题也是将来一个很重要的研究方向。它实琢上是壹征毙 空间到故障空间的一种映射关系，这里所说的映射是种多对多的复杂映射；多 种堑施对应于一个故瘴，一种征兆同时也对应着多个数障。然丽现存的故障诊断 方法中大多数都假定在任意给定时闻内只有一种故障，但实际生产过程中确实存 在着多故障现象。 在线蓝溅系统上：我匿酌大型往复压缩枕在线髓控技术融具有了一定的技术 基础，但由于往复压缩机本身的复杂性，其在线监控技术还不成熟，需要更多的 探索和实践，但这并不影响其广闽斡薷景。结合我阕现菰，往复歪缭机在线监测 将会向以下几个趋势发展： 王。在线监测多参数纯。隧着相关资料妻冬积累和在线监控技术的基趋完善，在 线监测系统将会向多参数化、高榘成方向发展。在线监控系统设计人员在对机器 故障诊断的同时，应有意识地把各参数累积对照有机结合起来，通过历史相关数 据的裁表拟合，研究各参数福互影响关系，使系统监测显示更加趋近实况状态； 调控更为准确及时。 2 。系统资源穗焉联合他，这是今后发展的必然趋势。国内应充分发挥各个单 位的优势和环境，加强科研部门与厂家的商业联系，使理论知识和生产需求尽快 结合以形成财富，并组织批专敛技术开发人员深入攻关，避免各单位小觏模分 散性重复研究，实现资源合理调配，统一开发，提高竞争力。 3 在线监控智能化。网络技术的日趋完善和广泛应用，为在线监控系统的进 一步发展提供了有力的物质支持。充分应用科研成果，引进模糊理论，智麓化诊 断，设立相应的专家系统，神经网络系统，充分利用面向对缘的设计思想，设计 尽可麓囊然遣表现求解方法的软件，是在线监控技术发展的露标。 4 监控参数环保化。随着社会经济高度发展，各国都面临着严重的环境污染 5 北京化工大学硕士学位论文 闯题。人们对高晶藏生活的追求，要求今后的隘测系统带有环保检测的内容。在 线监测系统中加入环保监控件，是相当经济有效的一种方式。 1 2 4 气阀故障诊断过程 气阀是往复压缩机重要组件之一。气阀的作用是控制气缸中的气体吸入和排 出，压缩机上的气阀都是启闭不用专门控制机构而靠气阀两侧的压力差来自动实 现启闭的自动气阀。气阀的种类有很多，常见的有环状阀、网状阀、碟形阀等。 气阀是往复压缩枧完成工作循环不可缺少的易损佟之一，在长期生产实践中 发现气阀故障是压缩机的最常见故障，约占总故障的6 0 以上。气阀故障可导致 压比失调、排漫升高、排气量降低等，严重时甚至可拉毛气缸导致枫组报废。因 此，及时有效地检测气阀故障，对保证往复压缩机正常工作有重要意义1 4 ，1 2 j 。 往复压缩机气阀故障的检测通常是根据阀盖的振动加速度信号和阀腔内压 力信号分析进行的。在气阀故障诊断中，振动测点通常选在阀盖上是因为此处的 振动响应对气阀故障的反映较其它位置更为敏感，另外从信息传输的角度也可以 看出由气阀到阀盖表面的振动传递路径最短，因而所测得的信嗓比最高，信号受 路径的影响最小。往复压缩机故障诊断过程如图卜l 所示，图1 2 是往复式压缩 枫示意图。 图卜1 往复压缩机故障诊断基本过程结构框图 秘辫l l 曩l e 姗c t u r ed i 矩阳mo ff e c i p f o c a t i n ge o m p 咒s s o rf l a u l td i a 黟o s i sp r o s s 6 第一章绪论 图卜2 往复式压缩机实验系统示意图 f 嘻1 t h e 丘纠r eo fr e c 啦r o c a i n gc o m p r e s s o re x p e r i m e n t l 。壤气瓣2 空燕机3 。电气控制箱4 。毫动辊 5 储气罐6 出口调节阀7 低压箱8 ，喷嘴 3 往复式压缩机状态监测、故障诊断方法及原理和技术特点 往复式压缩机作为复杂的祝械设备，箕状态监测和故障诊断的技术手段和方 法很多，通常采用的是在线间接诊断方法，即通过二次诊断信息来间接判断其中 关键零部俘静状态交纯l l 捌。+ 常见的方法一般有：直观检测、热力淫麓参数监测、， 振动噪声监测、润滑油液分析、专家系统和神经网络等。 3 。l 直鼹捡溅 压缩机操作入员仅用耳听、限看、凭借经验判断设备的故障。随着机械设备 朝着高度自动化的方向发展该方法已无法满足目前故障诊断的要求。 3 。2 热力性麓参数益测 测量热力性能参数，并据此判断往复式压缩机状态，从而诊断故障的研究，此 磷究己有较长斡历史。一般透过仪表盗测压缩橇的浊溢、水溢、摇气量、接气医 力、冷却水量等，为查找有关部件的故障提供有用的信息。幽子该方法对故障点 缺乏准确性及预测性，基前主要用于监测工艺参数及压缩概的运行状态【搦。 3 3 振动噪声监测 振动监测诊断往复式压缩机故障，在实验室己取得了许多研究成果。利用机 器表面振动售号诊断活塞、气缸赛损，气阍漏气帮主轴承状态；在气缸盖安装振 动加速度传感器，通过分析振动信号诊断气阀阀片故障；利用振动信号诊断往复 7 北京化工大学硕士学位论文 式压缩机主轴承故障；利用润滑、油管路志的压力波信号诊断徒复式压缩机轴承故 障等【i4 1 。但由于背景噪声干扰大往复式机械工况的变化导致其信号的非平稳性、 缺少性能可靠的传感器等原因，该方法尚未全面推广。 3 4 油液监测 润滑油油液分析分为两大类1 1 5 j q ： ( 1 ) 油液本身物理化学性能的分析，润滑油的粘度、酸度、水分、燃油、闪点 等；( 2 ) 油液中摩擦副磨损信息的分析，包括光谱分析、铁谱分析、颗粒计数等。 该方法的实施过程包括取样、样品制备、获得监测数据、形成诊断结论等步骤矧。 近年来，国内外均研制出了用于现场的便携式油液性能测试箱，可简便地测 试油滚的粘度、酸( 碱) 值、水分、机械杂质等多项指标h 引。润滑油中磨粒鉴测 技术则可分为在线和离线两大类。离线监测技术主要有油液光谱分析、铁谱分析 及利用扫描电子显微镜和能谱仪分析铁谱谱片等；在线监测技术主要有颗粒计数 器、在线式铁谱仪等，已经投入使用的主要有光学型磨损颗粒计数器l j ”，电磁型 磨损颗粒计数器l l 引，尚未投入实际使用但已在研究的有x 射线磨损颗粒在线监测 仪翻，超声磨损颗粒监测仪等l 捌。 3 5 人工智能诊断往复式压缩机故障 人工智麓领域的专家系统和神经网络技术已广泛应用于往复式压缩枫故障 诊断。故障诊断专家系统，是基于大量的实践经验和领域专家知识的种智能化 计算机程序系统，用以解决复杂的、难度较大的系统故障诊断问题皿。它的优点 是推理预测简单、解释机制强、易于建造、使用方便；其缺点是在诊断复杂装备 时，存在知识获取的瓶颈和自学习、专家知识是否准确和可靠及推理机制过于简 单等问题。 人工神经网络是一种大规模的分布式并列处理系统，具有组织性和自学习性， 能从故障中学习，具有联想记忆、模式匹配等功能，将它应用到故障诊断系统可较 好地解决当前专家系统面临的问题，但它也存在如下不足：诊断推理不清楚，诊断 解释机铡不强，复杂系统的模型难以建立等h 引。 1 4 本文主要研究内容 本文的主要目的是利用往复压缩机气阀的振动信号和压力信号对气阀阀片 故障进行诊断。在研究过程中针对信号的非平稳性萼| 入了小波包变换法，并对提 取的特征进行信息融合，然后利用小波包及信息融合方法对气阀故障进行诊断。 并在此基础上开发了诊断系统。基于上面的构想，论文主要研究内容如下： 1 往复式压缩机气阀阀片失效分析 阀片是气阀的关键部件，气阀阀片的状态直接影响气阀工作状态，进而影响 8 第一章绪论 压缩机排气效率、功率消耗和运行可靠性。文章通过对往复式气压缩机环形阀片 结构和工作机理的分析，总结出环形阀片典型的故障形式。 2 气阀振动信号的测量和采集 根据往复式压缩机技术参数，选取压力传感器采集所需的气缸压力信号，选 取振动加速度传感器采集气阀振动信号。结合往复式压缩机的非平稳性振动特 点，充分考虑到频率结构的分布范围，采取合理的采样频率，针对相应的故障， 合理地布置测点为有效、全面的采集振动数据信息做好充分的准备。由于测量结 果直接关系到i 以后的数据分析处理和专家系统诊断实施的效果，传感器要恰当选 择和合理安装。本章对气阀振动信号的测量和采集方法进行了介绍。 3 。小波分析在往复式压缩规故障诊断中的应用研究 由于往复压缩机结构比较复杂，激振源较多，且相互干扰，各种信号( 如压 力信号、振动信号、温度信号等) 中搀杂大量与信号无关的信息，二般不宣于直 接用作判别量，需要用现代信号分析和数据处理方法把直接检测的信号转换为能 表达工况的特征量。特征分析的目的是用各种信号处理方法作为工具，找到工况 状态与特薤量的关系，把反映故障的特征信愚和与故障无关的特征信息分离开 来，达到“去伪存真”的目的。所以本文针对故障特征提取方法即对小波包及信 息融合方法进行了研究。 4 小波包分析在往复式压缩机气阀阀片故障中的诊断研究 由于往复压缩机气阀振动信号是多种振源经不同传递途径混合而成，不同测 点，不同方向的振动信号往往差别较大，这都决定了往复压缩机的振动要眈其它 机械设备的振动复杂，另外在压缩机工作过程中，引起其某一性能参数变化的因 素可能很多，同时也可麓因菜一零部件的故障丽造成许多性能参数的变化。通过 单一性能参数或某一特征参数的变化，充其量也只能判断压缩机的运行状态，有 时无法绘出造成状态变化( 故障) 的部位及定量的说嘎故障程度，从故障诊断学 角度看，对于任何一类诊断对象的分析，片面的用单方面信息来反映其状态行为 可能是不完整的，因此，在实际诊断过程中，只有从多方面获得关于诊断对象的 多维信息，才能对其进行更可靠、更准确的故障诊断。所以本文选取轷z 1 5 5 一立式单缸双作用无油润滑空气压缩机为具体实例。本章用小波包及信息融合 方法提敬选定压缩枫气阀的故障特征，并进行分析。 5 往复压缩机气阀阀片智能诊断系统原型研究与实现 在第五章中，在深入分析往复压缩机气阀阀片故障诊断过程的基础上，借助 功能强大的m a t l a b 语言系统及工具箱函数和v i s u a lc + + 高级编程语言完成了往 复压缩机气阀阀片故障诊断原型系统软件的开发和设计，并用采集信号对诊断结 果的正确性进行了测试。 本文通过实测压缩机气阀阀片在正常情况下和故障情况下压缩机的振动信 9 北京化工大学硕士学位论文 号，运用小波包分析理论对气阀润片的不同程度故障进行分析，通过振动信号判 断气阀阀片断裂的程度，进而对气阀阀片断裂故障进行预判，为气阀故障诊断做 了一种新的尝试。 l o 第二章往复式压缩机气阀振动信号的测量和采集 第二章往复式压缩机气阀阀片失效分析 2 1 气阀的组成与结构 往复式压缩机气缸上装有进、排气阀，它们是控制压缩机气缸进气和排气的 关键构件，最常见的有环片阀、簧片阀两种。 1 环片阀 环片阀是目前应用最广泛的一种。我国缸径在7 0 咖以上的中小型活塞式制 冷压缩机系列均采用这种气阀。环片阀的结构简单、加工方便、工作可靠。但由 于阀片较厚，运动动量较大，阀片经常与导向面摩擦，工作时冲击性较大，阀片 启闭难以迅速、及时，因此气体在阀中容易产生涡流，增大损失，故环状阀片适 用于转速低于1 5 0 0 r m i n 的压缩机【2 6 1 。其结构图如图2 一l 所示。 2 簧片阀 簧片阀又称舌簧阀或翼状阀。阀片一端固定在阀座上，另一端可以上下运动， 以达到启闭的目的。阀片由厚度为0 1 o 3 砌的弹性薄钢片制成，因此质量轻、 惯性小、启闭迅速，适用于小型高转速压缩机。下面以簧片阀为例予以介绍，其 具体结构如图1 所示。其中：阀座具有能被阀片覆盖的气体通道，与阀片一起闭 锁进气或排气，并承受气缸内外压力差。阀片是启闭元件，可以交替地开启与关 闭阀座通道，通常制成片状。弹簧是气阀关闭时推动阀片落向阀座的零件，并在 开启时抑制阀片对升程限制器的撞击。阀盖也称升程限制器，用来限制阀片升起 高度，并作为承座弹簧的零件。 北京化工大学硕士学位论文 2 2 气阀的动力学模型 紧固螺母 升程限制器 阀片 弹簧 阀座 图2 1 气阀结构 f i g 2 1t h es 仃u c t u r eo fv a l v e 以进气阀为例，其工作过程大致可分为：在接近膨胀过程的终点，汽缸与阀 腔之间的压力差克服弹簧力推动阀片离开阀座，汽缸开始吸气过程。阀片继续 升高直到撞击升程限制器，并可能有反弹现象。当活塞接近止点位置时，进气 速度和气流推力减少，阀片从升程限制器向阀座回落。根据牛顿第二定律，阀片 的运动方程可为： 聊( 砌2 衍2 ) = 您一风 式中：朋为阀片的质量与1 3 弹簧质量之和；磁为气体推力；风为弹 力，毋= 触z ；k 为弹性系数；，为变形量；h 为升程；t 为时间【2 7 j 。由于堙与差 压p 成正比，阀片在运动过程中的碰撞以及作为激励的取与t 和h 之间有复杂的 约束关系，故阀片的运动力学模型应视为非线性模型。 由于气缸留给阀座的安装面积是一定的，若增加阀片升程，即增加阀隙通流 1 2 箩燃_ 第二章往复式联缩机气阀搬动信号的测鼍和采集 面积，有利于降低阖隙流速，减少压力损失，提高效率。而当升程增加至阀隙截 面与阀座截面相等时，再增加升程就没有意义了，因为过高的升程会增加阀片与 升程限制器的撞击速度，影响气阀的寿命。阀片的质量越小越有利于提高气阑动 作的及时性和降低撞击力。但阀片的质量要受阀片的面积、材料、强度的限制。 因此，只有选择合适的参数，才能最大限度地发挥气阀的性能。 2 3 阀片的作用及失效形式 阀片是气阀的关键部件，其作髑是在吸气或排气结束时，关闭气流通道，它 与阀座一起形成密封结构。阀片失效的主要形式是变形与折断。经调查，阀片的 失效几乎全部都与弹簧不同形式的失效( 挢断或严重锈蚀) 有关。弹簧的失效，引 起了阀片工况的变化，阀片受力不均，开启、闭合冲击变大，最容易使阀片在短 时闻内造成变形和断裂。另外，阀片材料的硬度也是阀片断裂的主要原因之一， 硬度过高阀片表面的微裂纹增加，抗脆性破坏的性能下降。阀片工作时要承受交 变与冲击载荷，不仅需要较高的硬度，还需要足够的韧性和抗疲劳的能力。故障 的阎片不能保证气体通遒的正常开启与闭合，因此会造成气体泄漏与回流。碎裂 的阀片将引起复杂的振动，碎片进入气缸将对活塞、气缸系统造成严重的破坏。 同时阀片出现故障后，阀座的振动信号会出现异常强秘。 2 4 本章小结 阕片是气阀的关键部件，气阀阀片的状态直接影响气阍工作状态，进而影响 压缩机排气效率、功率消耗和运行可靠性。文章通过对往复式气压缩机环形阀片 结构和工作机理的分析，总结出环形阀片典型的故障形式。 第三章往复式服缩机气阀振动信号的测蹙和采集 第三章往复式压缩机气阀振动信号的测量和采集 3 。1 试验用往复式压缩机技术参数 3 1 1 试验用往复式压缩机型号及相关参数 1 压缩机 型号：鞭z l 。5 5 一a 立式单缸双作用无油润滑空气压缩机； 2 压缩机性能参数： 1 ) 气缸直径：d = 1 5 0 毫米 2 ) 活塞行程：s = 1 0 0 毫米 3 ) 排气量：q 0 = 1 5 立方米分( 额定工况下) 4 ) 轴功率：鬻z = 董0 。5 千琵( 额定工况下) 5 ) 转速：n = o 7 5 0r p m 6 ) 额定排气压力：p 2 = o 。5 a ( 表) 7 ) 活塞杆直径：d = 3 0 毫米 3 1 2 测量参数选取原则 对振动测量参数的基本要求是能敏感反映机器的振动情况。由于往复式压缩 机既具有强烈的冲击振源，振动频率较高，又有往复惯性力引起的低频振动，因 此即使阕一测点在不同频段下测试，加速度的值差别较大，速度和位移几乎没有 什么变化；在不同测点测试，加速度值相差也较大，而速度和位移相差较小。因 此采用烟速度测量值，对往复式压缩机采用老建速度信号传感器在高频稠低频段同 时测量比较合适。 3 。2 试验用传惑器的安装和振动信号的测量 1 能够及时发现气阀阀片故障对压缩机故障诊断是相当重要的，基于实际 的试验设施，并结合工程中多发故障的类型，主要针对气阀阀片产生裂纹故障进 行模拟测试振动数据。 2 传感器的选择及安装 ( 1 ) 测量数据类型 主要测量隧时间变化豹加速度振动值。 ( 2 ) 传感器选择 由于往复式压缩机的振动为冲击性振动，频率范围较宽，伴有高频振动。当 北京化工大学硕士学位论文 较高的频率成份振动位移幅值很小，但其振动加速度幅值仍有一定的量级时，若 采用位移传感器测量冲击信号引起的高频振动是不合适的，最好采用加速度传感 器，这里采用压电式加速度传感器。加速度型传感器，电压参考灵敏度 ( 1 9 3 0 朋y 聊s 也) 。 ( 3 ) 优点 这种传感器具有极宽的频带，本身质量较小，有很大的动态范围，比较适合 气阀的振动加速度的测量。 ( 4 ) 传感器的安装要求 加速度传感器的安装特别重要，如果安装位置刚度不足( 用顶杆接触或厚胶 粘等) 将导致安装谐振频率大幅度下降，这样，在测量高频振动时，将产生严重 的失真。又由于属高内阻抗传感器，极易受电磁场、摩擦电等的干扰，在测量时， 特别是在现场测量时，必须特别注意屏蔽、布线和接地环节。加速度传感器与阀 座之间采用螺纹连接，图3 l 为振动传感器安装示意图： 图3 1 振动传感器安装示意图2 f i g 3 一lf i g u r eo ff i x i n gt h ev i b r a t i o nt r a n s d u c e r 3 其它仪器设备 试验用仪器设备还包括： u s b 数据采集仪；i c p 放大器；工c p 低噪声导线；n i 一6 0 1 3 数据采集卡；数据 传输线；滤波器；上位机( 工控机) 。 1 6 第三章往复式压缩机气阀振动信号的测量和采集 3 。3 往复式压缩机气阀振动信号的获取 3 3 ，1 振动的测量 ( 1 ) 测点布鼍要求 监测点的合理布置，对有效的实施监测诊断至关重要。这里，振动的测点根 据试验研究的任务而定，为了评价各个部件的强度和可靠性，就必须在各相应部 位设置测点，以便知道相应位置的最大振螺和振动形式。具体的布置应满足下列 条件： a ) 能获得充分反映往复式压缩机状态的真实信息，应尽可能靠近被监测的部 位； b ) 每个部位的测点要与周围其它干扰源隔离开，尽量避开信号传递途中的分 赛 c ) 所选位置要适宜安放传感器，保证其安放平稳，工作性能可靠； d ) 所选位置能安全操作。 根据以上要求，我们在w z 1 5 5 一a 往复式压缩机气阀升程限制器上直接打 孔，并安装传感器探头，测量振动信号。传感器导线通过在压缩机气阀盖上打孔， 并由密封圈密封，保证没有气阀室漏气现象发生。其结构图如图3 2 所示： 告 。1 惜惑器数篓线 器 图3 2 振动传感器数据线密封安装示意图 霹鼍g 3 2f 舔；t l r eo f 蠡x 赫gt h ev i b 础o n 红a n s d u c e r ( 陵al i n e 3 3 2 振动信号采集与处理 数据采集卡采焉由美孱n 王公司的p c 至1 3 高速数据采集卡，最离采样速率 为1 0 0 k s ，共有1 6 个单端输入或者8 个差分输入( 系统采用差分输入) ，测量范 1 7 北京化工大学硕十学位论文 、一 二形 加速 r 振动j 卫 信号。l l _ 压缩机 图3 3 设备结构和测点简图 f i g 3 3f i g u r eo fe q u i p m e n t f