（机械电子工程专业论文）小波分析在往复压缩机故障诊断中的研究应用.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文针对大型往复机械振动的多激励性和故障诊断的复杂性，在基于传统的故障诊 断方法和经典信号分析方法之上，运用近些年发展起来的小波变换分析s d d , 波包方法， 并结合基于虚拟仪器( l a b v i e w ) 的往复式压缩机报警系统，探索出一种新的、有效的 往复式压缩机故障诊断方法。为往复式压缩机故障诊断开辟了一条新的思路。 本文的研究内容主要包括以下几个方面。首先，对往复式压缩机的结构和力学特性 进行分析和介绍。在此基础上，结合实际的研究项目，讲述了如何获取往复式压缩机的 振动信号，以及在此过程中，需要注意的一些事项。接着，引入小波和小波包理论，讨 论了各自的一些相关理论及其特性：分析了它们在往复式压缩机故障诊断应用情况，并 举以实际事例证明它们在往复式压缩机故障诊断中的实用性和高效性。最后，开发了一 套基于虚拟仪器( l a b v i e w ) 的往复式压缩机报警系统，从而更好的为往复式压缩机故 障诊断服务。 由压缩机的结构和工作原理可知，压缩机的振动信号基本上都是非平稳信号，如气 阀，十字头、活塞等振动信号。本文利用小波理论对信号采取相应的预处理措施，尤其 是结合小波消噪的理论，大大提高了信号的信噪比，并提出了基于信号小波包分析及其 故障特征提取的故障信号提取分离法，为便于进一步的信号分析和故障诊断提供了更为 有利的工具。其次，本文在信号分析和故障类型方面，结合了设备的基本结构和工作运 行机理等因素，充分显示了信号故障分析和特征提取要结合实际设备，具体情况具体分 析。 往复式压缩机的故障诊断是一项长期、不断完善的研究工作，本文对其进行了有益 地探讨，一些问题还有待于进一步地研究。 关键词：往复式压缩机；故障诊断；小波包；特征提取；l a b v i e w 姚利斌：小波分析在往复式压缩机故障诊断中的研究应用 r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no f w a v e l e tt of a u l t d i a g n o s i so f r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r a b s t r a c t w i mr e s p e c tt ot h el a r g e s c a l e r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r sm u l t i p l e - s i m u l a t i o n sa n d m u l t i p l e f a u l t s ，a n db a s e do nt h et r a d i t i o n a lf a u l td i a g n o s i sm e a n sa n dc l a s s i c a ls i g n a lp r o c e s s ， a d o p t e dt h el a t e s tn e wm e t h o d so fw a v e l e ta n a l y s i sa n dw a v e l e tp a c k e to ns i g n a lp r o c e s s ， c o m b i n e dw i t ht h er e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r sa l e r ts y s t e mb a s e0 nl a b v i e w ，a nn e wa n d r e s u l t f u lf a u l td i a g n o s i sm e t h o do f t h er e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o ri se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r i t b r e a k san e wp a t hf o rt h ef a u l td i a g n o s i so f r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r t h ec o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yi n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s p r i m a r i l y , t h i s p a p e ra n a l y s e s a n di n t r o d u c e s c o n f i g u r a t i o n a n dd y n a m i cc h a r a c t e ro f r e c i p r o c a t i n g c o m p r e s s o r w i t ht h i su n d e r s t a n d i n g ，c o m b i n i n gw i t ha c t u a li t e m s ，i ts u m m a r i z e sh o wt o o b t a i nt h ev i b r a t i o ns i g n a lo ft h er e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o ra n ds o m ea f f a i r st h a ts h o u l db e a t t e n t i v e p o s t e r i o r l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ew a v e l e ta n a l y s i sa n dw a v e l e tp a c k e to ns i g n a l p r o c e s s ，d i s c u s s e st h e i r st h e o r e t i c sa n dp r o p e r t y , a n a l y s e st h e i r sa p p l i e da c t u a l i t yi nt h ea r e a o fr 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 sa n dt e s t i f i e sp r a c t i c a b i l i t ya n dv a l i d i t y f i n a l l y , t h i sp a p e rr e c o m m e n d st h er e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r 。sa l e r ts y s t e mb a s eo nl a b v i e w , w h i c h c a nw o r kw e l lf o rt h er 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 s t h ev i b r a t i o ns i g n a l so fr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o ra r eb a s i c a l l yn o n - b a l a n c e df r o mi t s c o n f i g u r a t i o na n dw o r kp r i n c i p l e ，s u c ha st h ev i b r a t i o ns i g n a l so fa i r - v a l v e ，c r o s s h e a da n d p i s t o n t h i sp a p e rg i v e sp r e t r e a t m e n to fs i g n a l sb yu s eo fw a v e l e tt h e o r e t i c s e s p e c i a l l y c o m b i n i n g 、析t ht h et h e o r yo fw a v e l e td e n o i s e ，w h i c hi m p r o v e st h es i g n a l t o - n o i s e ( s n r ) ， a n db r i n g sf o r w a r dak i n do ff a u l ts i g n a ld i s t i l l i n ga n ds e p a r a t i n gm e t h o db a s e do nw a v e l e t p a c k e to ns i g n a lp r o c e s sa n dc h a r a c t e r sd i s t i l l i n g ，w h i c hs u p p l i e sa d v a n t a g e sf o rs i g n a l p r o c e s sa n df a u l td i a g n o s i so ns e c o n dt h o u g h t s p o s t e r i o r l y ，t h i sp a p e rb a n d st h ee q u i p m e n t s p r i m a r yc o n f i g u r a t i o na n dr u r m a b l em e c h a n i s mt o g e t h e r ，w h i c hw e l ld i s p l a y st h a ts i g n a lf a u l t a n a l y s e sa n dc h a r a c t e r sd i s t i l l i n gm u s tu n i t et h ea p p o i n t e de q u i p m e n t s t h ef a u l td i a g n o s i so f r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o ri sal o n ga n dc o n s t a n t l yr e i n f o r c e dw o r k i nt h i sp a p e r s o m en e wr e s e a r c h e sw e r ep r e c e d e da n ds o m eu s e m lc o n e i u s i o n sw e r eo b t a i n e d ， b u tt h e r es t i l lr e m a i n sal o to f w o r kt od oi ns o m ef i e l d k e yw o r d s ：r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r ；f a u l td i a g n o s i s ；w a v e l e tp a c k e t c h a r a c t e rd i s t i l l i n g ；l a b v i e w 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 擅掣筮 丝竺 i 。) 生兰年么左月兰生日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 压缩机是用来提高气体压力和输送气体的机械，它的种类很多，用途很广，广 泛地应用于工农业、交通运输、国防、冶金和石油化工等行业。通常可以产生压缩 空气提供高压气体，用来驱动各种风动工具和器械，例如风镐、风钻、气力扳手和 气力喷砂等装置，还能够在化工工艺中提供高压气体，有利于发生化学反应，例如氮 气和氢气合成氨气的反应、高压氢气在石油的精炼中的反应等：而且它还常被用作气 体输送。此外，往复式压缩机还是制冷和低温系统中的关键设备之一。 按照压缩气体的方式不同，压缩机可以分为两大类，即容积式压缩机和速度式 压缩机。容积式压缩机由于结构形式的不同又可以分为往复式( 活塞式) 和回转式。 压缩机的选型是以排气量和出口压力为基础的，往复式压缩机凭借压力范围广、排 气量范围大和热效率高的优势而得到了广泛的应用。国内外专业人士公认，公元前 1 5 0 0 年我国商代时发明的木质风箱是往复活塞式压缩机的雏形。近代空气压缩机械 的鼻祖，当推公元1 6 4 0 年在德国制造成功的机械式真空泵。尽管其它类型的压缩机 发展迅猛，但由于往复式活塞压缩机自身固有的特点和工作特性，迄今为止，它不 仅在世界工艺流程中高压力、大中小容量领域，还在若干专用场所拥有牢固的技术、 经济优势，并占有压倒性的市场份额。”1 1 1 压缩机发展现状 目前国内广泛应用的往复式压缩机主要有：炼油及石油化工企业所需的氢气压 缩机、石油及天然气企业所用的天然气压缩机、天然气汽车加气站用的c n g ( c o m p r e s s e dn a t u r a lg a s ) 压缩机、迷宫压缩机、c 0 2 制冷压缩机和专门用途的压缩 机。由于往复式压缩机的工况变化较大，活塞环和气阀经常损坏，往复式压缩机需 要较多的维修，通常情况下，常常将两台能力各为设计要求一半的压缩机并联使用， 或者装一台能力等于设计要求的备用压缩机。以免因为压缩机的故障使其他主要设 备停车。压缩机每级的最高压力比通常为3 ：i 至4 ：1 0 1 。更高的压力会使容积效率和 机械效率下降，而且会导致较高的机械应力。 目前，我国对往复式压缩机的状态监测普遍还停留在凭借简单的仪表和工人的 经验来实现，而国产的压缩机在质量上已经有了较大的提高，或对进口的高质量设 姚利斌：小波分析在往复式压缩机故障诊断中的研究应用 备，原有方法已经远远不能够满足其对状态监测和故障诊断的要求。在出现异常现 象和故障情况时如果不能及时有效地停机和检查，就会造成对机器的进一步破坏， 从而给企业带来极大的浪费和损失。国外已经出现了通过在往复式压缩机上安装振 动传感器，利用计算机进行信号采集和分析，进而掌握机器运行状况的经验。因此， 将建立在计算机和传感器基础上的测试和故障诊断系统应用于往复式压缩机这个领 域，提高压缩机工作的安全性和可靠性，是当前压缩机行业所面临的一个重大的课 题。 本文课题是在北京燕山石化集团公司下属的炼油厂联合车间根据k 2 0 2 机组设备 的运行故障提出，由大连理工大学机械学院振动工程研究所对其进行实验研究的合 作项目。合同要求我所对燕山石化集团下属企业部分运行设备进行故障监测和技术 服务，并自行研究、开发一套往复式压缩机故障在线监测系统，应用部分压缩机， 实现实时在线监测，并初步形成一套压缩机故障的诊断准则。 1 2 课题提出的意义 121 往复式压缩机的故障特点 往复式压缩机运行过程中经常会出现故障，主要有两类：一类是流体性质的， 属于机器热力性能故障，主要表征为压缩机工作时排气量不足，排气压力、温度异 常等：另一类是机械性能故障，属于机器动力性能故障，其主要特征是压缩机工作时 异常的响声、振动和过热。热力性能故障通过对压力、温度的测量诊断故障，而动 力性能故障则通过对振动、温度信号分析判断故障部位更为直接、简便”1 。本文 重点研究压缩机动力性能故障的诊断。 往复式压缩机在发生机械性能故障时，会产生大量的冲击、摩擦，同时运行转 速变得不平稳，负荷也不断变化，振动激励源较多，导致大量非平稳振动信号的产 生。同时往复式压缩机在正常工作中依然存在强烈的往复工作冲击，而且此工作冲 击远远超出了故障造成的冲击幅度，这就加大了故障信号采集和特征提取的难度。 另一方面，因为压缩机结构的复杂性，导致振动信号包含的不同零部件的故障特征 频率分布在不同的频道范围内，而且某一零部件的振动信号常常被其它振动信号和 大量的随机噪声淹没。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 2 往复式压缩机故障诊断的意义 往复式压缩机在生产生活中有广泛的应用，但在运行过程中出现的问题很多， 甚至发生燃烧爆炸等重大事故。作为关键设备，往复式压缩机的运行状态直接影响 到产品的质量和工厂的经济效益。对压缩机的运行状态进行监测，可以提前发现和 排除故障，保证生产的安全顺利进行。当压缩机出现故障后，需要及时准确地找出 故降原因，加以排除，迅速恢复生产，以减少因停工带来的损失。因此，针对往复 式压缩机的故障诊断十分重要，理应引起高度重视。 压缩机行业是一个大有可为的行业，仅从天然气资源分析，我国天然气地质资 源总量为3 8 万亿立方米，预计天然气可采资源量约1 0 5 ) i 亿立方米“1 ，目前我国天 然气勘探仍处于初期阶段，因此压缩机行业将面临一个生气勃勃有巨大潜力的市场。 当前压缩机行业的技术创新能力仍然十分薄弱，尤其是往复式压缩机存在的问题比 较突出。针对往复式压缩机开展研究，是一个值得我们认真对待的课题。 1 2 3 往复式压缩机故障诊断现状 目前，在回转机械故障诊断方面，国内已经开发出不少成熟的系统，在实际工 业生产中的应用也已经取得良好效果。相比之下，以往复式压缩机、内燃机为代表 的往复机械由于结构复杂、激励源众多、易损件多、信号处理困难等原因造成该技 术难度较大。虽然已对其开展了不少研究并取得了一些研究成果，但总体的诊断水 平还是很低，没有一套成熟的诊断方法面世，这与其在生产中的应用现状和地位是 不相符的，很有必要加强这方面的研究工作。另外，往复式压缩机运行过程中产生 的振动信号多为非平稳性信号，而目前针对非平稳信号的特征提取研究仍不成熟， 加大了往复式压缩机的诊断难度。 在国外，美国b e n t l y 公司生产的往复式压缩机3 3 0 0 监测系统可以用来监测机壳 的振动、转速、活塞杆的下降情况以及各换气阀的温度，并通过监测机架的振动和 活塞杆的下降来判断主轴连杆机构的振动状况和活塞环的磨损情况，通过监测气阀 的温度变化提供早期预报，但因为成本太高而不易推广。在国内，对往复式压缩机 等往复机械的诊断研究也一直没有停止，但诊断效果不是很理想。笔者在同北京燕 山石化炼油厂联合车间的技术人员交谈时了解到，目前该车间的往复机监测和诊断 仍然停留在根据耳听、手摸，凭经验判断的阶段，诊断技术非常落后，而往复式压 缩机在生产中属于关键设备，保证其可靠运转是非常重要的。 姚利斌：小波分析在往复式压缩机故障诊断中的研究应用 1 3 本论文的主要工作 本文以往复式压缩机为研究对象，重点讨论了往复式压缩机的诊断方法，将a r 谱、小波和小波包等方法引入到往复式压缩机的故障诊断中，并应用虚拟仪器技术 构建了往复式压缩机信号报警系统。 本文的主要研究内容和章节结构简要说明如下： 第一章绪论，通过论述压缩机的发展现状、故障诊断的重要意义和往复式压 缩机的诊断现状，重点陈述了课题提出的意义。 第二章主要介绍了往复式压缩机的结构和力学特性分析。在介绍了往复式压 缩机的主要类型的基础上，概述了它们的主要组成及其工作原理，对相关部件的受 力分析作了剖析，对其振动原因作了简要介绍。 第三章主要针对北京燕山石化集团炼油厂联合车间往复式压缩机的具体情 况，讨论了其信号采集、获取和分析时的一些具体事项。为能够正确、准确的采集 压缩机信号打下良好的基础。 第四章主要阐述了小波理论及其它在往复式压缩机故障诊断中的应用。介绍 了小波变换的定义、特点，连续小波变换，离散小波变换，小波框架，多分辨分析 等。通过实际信号的分解分析，如：提取某一频率区间的信号，对其进行消噪和突 变信号的检测等。可以有效地分析出设备的故障，效果好，应用也非常简单。 第五章主要阐述了小波和小波包理论之间的区别和联系。通过对信号的小波 包分解、特定频率区间的提取和基于小波包分析的特征向量的提取，可以有效地分 析出设备的故障特征。 第六章介绍了虚拟仪器的应用。利用虚拟仪器技术构建往复式压缩机报警系 统，协助完成往复式压缩机的故障诊断。 最后总结全文，得出结论。 大连理工大学硕士学位论文 2 往复式压缩机结构和力学特性分析 随着现代工业的不断进步，往复式压缩机在十几年的进程中也得到了长足的发 展，其研究理论和故障诊断方法也在不断丰富和完善。但是对其故障及诊断研究工 作依然没有回转机械研究的那么透彻，其方法同样需要不断的补充和改进。这主要 是因为往复式压缩机其运动学，动力学形态比回转机械复杂许多，不同部件之间的 相互影响较大，结构比较特殊。因而对其进行故障研究和诊断的难度也就越大，为 此，对往复式压缩机的结构特性和动力学特性的介绍和了解是非常有必要的。 2 1 往复式压缩机的类型。1 和组成 往复式压缩机是容积式压缩机中的一种，由于结构类型的不同，其受力不同。 有多种分类方法。 1 往复式压缩机按照结构方案的不同可分为： ( 1 ) 立式压缩机 立式压缩机的主机是直立的，一般属于中、小型压缩机。它的优点是：占地面 极小，活塞重量不支撑在气缸上，没有因此而产生的摩擦和磨损。缺点是：大型时 高度大，需设置操作平台，操作不便：管道布置困难；多级时级间设备占地面极大。 f 2 1 卧式压缩机 卧式压缩机大都制成气缸置于机身两侧的形式，多属于大中型压缩机。其优缺 点恰好和立式压缩机相反，卧式压缩机的级间设备甚至可以配置在压缩机的上方， 特别是缓冲容积可紧靠气缸。 ( 3 ) 角度式压缩机 角度式压缩机适用范围为中小型及微型压缩机。它的优点是结构紧凑，每个曲 拐上安装有两个以上的连杆，使曲轴结构简单、长度较短，尽量可能采用滚动轴承； 缺点是大型机器时，其高度大。 2 往复式压缩机按照实用的目的不同可分为： ( 1 ) 动力用压缩机 动力用压缩机用于压缩空气，驱动各种风动机械和风动工具。具有安全、经济 和效率高的优点。 姚利斌：小波分析在往复式压缩机故障诊断中的研究应用 ( 2 ) 工艺用压缩机 工艺用压缩机用于工艺设备的充气送风。在化学工业中，将气体压缩至高压， 有利于化学反应，用于合成及聚合。 ( 3 ) n 冷和气体分离用压缩机 制冷和气体分离用压缩机把气体经压缩后送入冷凝器，使之变成液体，若再膨 胀至低压，液体经蒸发而吸热，可达到制冷目的。若液化的气体为混合气体，则可 根据其各自组成部份的不同液化温度，将其分离出来，得到各种纯度的气体。 ( 4 ) 气体输送压缩机 气体输送压缩机应用于冶金、电力和石油等工业中，进行高炉鼓风、高炉和锅 炉的煤粉输送、矿井和电站冷却通风以及石油钻井等。在科研和公共设施方面，用 于风动试验和地铁换气等。 3 往复式压缩机的组成 a 从基本结构上主要分为以下四个部份： ( 1 ) 基础部份一机身、中体等部件。 ( 2 ) 传递动力系统一曲轴、连杆、活塞、活塞销等。 传递动力系统主要作用是传递动力，把电动机轴的旋转运动变成十字头的往复 直线运动，从而推动活塞在气缸中的运动。 ( 3 ) 气体进出通道及密封系统一气缸、进排气阀、阀片、活塞环、填料及气料调 节装置。 气体进出通道及密封系统的作用是形成压缩容腔和防止气体泄漏。 ( 4 ) 辅助系统一冷却器、缓冲器、过滤器、液体分离器、安全阀、油泵注油器、 排气量调节装置及各种管路系统。 辅助系统其作用是确保压缩机安全、运转可靠。 b 从工作形式上主要分为以下三部分： ( 1 ) 传动机构： 传动机构是曲柄连杆机构，由电机通过皮带轮带动曲轴旋转，连杆的大头装在 曲轴上，其小头与十字头相连，曲轴通过连杆带动十字头在滑道内作往复运动，再 由十字头带动活塞组件在气缸内作往复运动。 f 2 ) 1 作部件 工作部件包括气缸、气阀、活塞组件及填料等。气缸的内表面与活塞工作端面 大连理工大学硕士学位论文 所形成的空间是实现使气体压缩的工作腔。气阀是装在气缸上控制气体作单向流动 的，吸气阀只能吸气，排气阀只能排气。气阀的启闭动作主要由缸内外压力差及气 阀弹簧控制。活塞在气缸内作往复式运动时，使工作腔的容积作周期变化，它与吸、 排气阀的启闭动作相配合，实现包括膨胀、吸气、压缩和排气四个过程的工作循环， 从而不断吸入、排出并压缩气体。 ( 3 ) 润滑系统 润滑分两个系统。一个供传动机构的润滑，通常用机油润滑；另一个供气缸内 的活塞组件等的润滑，并采用压缩机油，靠高压注油器注入气缸。 2 2 往复式压缩机的工作原理 往复式压缩机是利用活塞在气缸内往复运动来压缩气体( 空气、氧气、天然气、 二氧化碳气体、氢气、氯气等) ，以提高气体压力并输送具有一定压力气体的机械。 其结构简图如下图2 1 所示。 图2 - 1 往复式压缩机结构简图 f i g 2 - ld i a g r a mo fr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o rc o n f i g u r a t i o n 往复式压缩机工作时，电动机带动曲轴，曲轴推动连杆，变回转运动为往复运 动。连杆的运动又推动着十字头、活塞做往复运动。当活塞从左面最远处的极限位 置( 活塞的上死点) 向右运动时，由气缸和气缸盖及活塞上端面所构成的空间容积( 气 姚利斌：小波分析在往复式压缩机故障诊断中的研究应用 缸容积1 则逐渐增加，这时外界的气体将从进气管道冲开气阀中的阀片进入气缸，活 塞越往右部移动，则从管道进入气缸中的气体体积就越大，一直保持到活塞抵达气 缸右部的极限位置( 活塞的下死点) 。在这个过程中，外界的气体不断进入气缸，当 活塞由下死点开始做返回运动时，进气阀自动关闭，不再吸气。由于活塞向左运动， 不断压缩气缸内的气体，使气缸内气体的压力不断增加。当活塞到达一定位置，被 压缩气体的压力达到一定值时，压缩气体冲开排气阀，经过排气管道输送到一定部 门，一直到活塞抵达上死点时为止。在这期间，气缸内气体压力不再升高。当活塞 从上死点位置再次往右运动时，则排气阀自动关闭，停止排气，而吸气阀又再次自 动开启，外部气体又从吸气管道经过吸气阀被吸入压缩机气缸，就这样，在压缩机 工作过程中，外界气体不断被吸进气缸，又不断被压缩，被排出，被输送出去 7 。 当压缩机的主轴旋转一周时，连杆机构带动活塞在气缸内左右往复运动一次， 完成一个吸气、压缩、排气过程。当机构运动时，与其支撑面要产生摩擦，因而要 消耗功。为了减少摩擦力和零部件的磨损，每个机械摩擦面上都铺设有耐磨材料并 保证充分的润滑。为了保证气缸内进入干净的空气，在压缩机吸气口处安装有空气 过滤器。为了使压缩机能够连续运转，必须消除压缩时所产生的热量，为此设置了 冷却装置。为了将脉动的压缩机空气变为较为稳定的压缩机空气，设置了储气罐。 考虑用户用气量及用气压力的变化，空气压缩机还设置了调节装置。 往复式压缩机多用电动机驱动，中小型固定式空气压缩机用异步电动机，大型 固定式压缩机用同步电动机，小型移动式压缩机用柴油机驱动，有些大型压缩机用 燃气发动机和汽轮机驱动。 2 3 往复式压缩机运动部件受力分析 总体来说，压缩机机体受力分为气体力和机械力两大类。机体主要的受力部位 为缸体活塞部件，曲轴连杆部件，基础等。 由气体力和机械力在压缩机机体表面产生的振动激励源主要有： ( 1 ) 缸内气体压力： f 2 ) 活塞横向的冲击： f 3 ) 气体压力和活塞往复运动惯性力通过连杆、曲轴而产生的周期性振动激励力 以及曲轴系本身的惯性力等产生的激励； f 4 ) 气门机构运动的冲击； 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 其他附属机构激励及若干随机激励。 23 1 缸体活塞部件的受力分析 活塞的主要运动参数包括：位移、速度、加速度。 卜叫 上止点下止点 图2 - 2 活塞运动分析示意图 f i g 2 2d i a g r a mo f p i s t o nw o r ka n a l y s i s 如图2 2 所示，当曲轴转过一个角度时，连杆摆角为d 角，活塞位移为 x = r ( 1 - c o s c e ) + ( 1 一c o s f l 、 令2 2 r 1 2 s i n f l s i n a ，则 c o s f l ：( 1 一s i n 2f 1 ) 烂 = ( 1 一咒2s i n 2 口) 必1 一丑2s i n 2 a 2 代入c o s f l 的值可得活塞位移为 x = 札( 1 一c o s a ) + a ( 1 一c o s 2 a ) 4 ( 2 - i ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 对上式连续求导可得活塞的瞬时速度和瞬时加速度 u = d x l d t = r w ( s i n a + a s i n 2 a 2 ) ( 2 4 ) 口= d u d t = r w 2 ( c o s a + a c o s 2 a ) ( 2 5 ) 由上式可见，活塞往复运动时要产生随转角a 变化的周期性往复惯性力”。 姚利斌：小波分析在往复式压缩机故障诊断中的研究应用 232 曲柄、连杆运动部件的受力分析 压缩机气缸气体压力和往复惯性力的合力将产生周期性激励，在频谱上的表现 主要是低频成份。参照图2 - 2 ，在上止点附近，气体力急剧上升，极大的压力升高 率包含着激励的高频分量，能够激起固有频率较高的零部件的振动，能量的传递主 要是通过内部零件活塞一连杆一曲轴传到机体外表面，即需对往复式压缩机的主要 运动部件连杆机构的受力情况进行分析，这些部件工作时既有旋转运动，又有往复 运动，因而在往复式压缩机工作时，存在着两种惯性力，即：曲轴旋转时产生的旋转 惯性力，活塞组件往复运动时产生的往复惯性力，连杆运动中则兼有两种惯性力的 作用。 1 十字头销和连杆受力 活塞杆是二力杆件，它把综合活塞力( ( 包括气体力、总体往复惯性力、总体 往复摩擦力的合力) 传给是十字头和十字销，又通过销把力传给连杆，由于连杆是摆 动的，故把f 分解为两个力，一沿连杆中心线，称为连杆力( ：另一沿垂直方向加 给滑道而又传给机身，称为侧向力n 。如图2 3 所示，可以认为这些力交汇于销中 心c 点，而达到平衡。 图2 - 3 十字头销受力分析图 f i g 2 - 2d i a g r a mo fc r o s s h e a df o r e l o c kf o r c ew o r ka n a l y s i s 根据力的平衡关系有： d 只2 志 n = p s i n $ = p t a n8 ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 大连理工大学硕士学位论文 式中b 一连杆与气缸中心线间的夹角 在转速不高时，连杆可简化为二力杆件，受连杆力只。 2 、曲轴受力分析 连杆通过曲柄销而把力只加给曲轴，又通过轴承传给机身。如图2 - 4 所示，曲 轴所受的力和力矩有： ( 1 ) 连杆力 为便于分析，可把分解为两力，一为曲轴旋转的切线方向，称为切向力t ； 另一沿法线方向，称为法向力r ，根据几何关系有： r = p cs i n ( a + f 1 ) = 击8 i n ( a + f 1 ) (28)cos口 胄= 只c o s ( c r + 卢) = 1 i c o s ( ( z + ) ( 2 - 9 ) c o s 卢 曲轴的旋转惯性力。曲轴的旋转惯性力主要是由曲轴的质量不平衡引起的， 其方向是离心外指的。 ( 2 ) 支承反力 曲轴支持在主轴承上，受到支撑反力a ，b 。 ( 3 ) 力矩 力矩有三项：驱动力矩m a ，阻力矩m ，和摩擦力矩m ，。阻力矩是由切向力t 相对 于曲轴旋转中心构成的，m y = t x r , r 为曲轴旋转半径。阻力矩的值作周期性变化， 其方向与曲轴方向相反，起着阻止曲轴旋转的作用，故称阻力矩。由旋转摩擦力构 成的摩擦力矩m ，的方向也恒与曲轴转向相反。 从曲轴每转一转来说，呜和m ，所耗的功与坞输入的功保持平衡。但每一瞬 时的阻力矩m ，是按周期变化的，而吖一则由驱动机的特性所决定。 姚利斌：小波分析在往复式压缩机故障诊断中的研究应用 。吖?父一延专 ；l 乞、tt 正 、 一，p c l i 图2 - 4 曲轴受力分析 f i g 2 - 4d i a g r a mo f c r a n kf o r c ew o r ka n a l y s i s 一般来说，两者的数值和变化规律不同，因此，每一瞬时曲轴所受转矩并不平 衡，从而造成曲轴瞬时加速或减速现象。根据刚体绕定轴转动方程有： m 。+ m r m d = - j s ( 2 - 1 0 ) 式中j 一压缩机组件中等效旋转质量的惯性力 一压缩机曲轴的瞬时角加速度 瞬时角加速度过大，会造成电网的电压波动，电流脉动，使压缩机运转不稳【1 0 。 3 曲轴连杆机构的旋转惯性力和往复惯性力 往复式压缩机的运动部件主要是由一套曲柄连杆机构，这些部件工作时即有旋 转运动又有往复运动。因而在压缩机工作时存在着两种惯性力，曲轴旋转时产生的 旋转惯性力，活塞组件往复运动时产生的往复惯性力，它由往复部件运动产生，而 由连杆转化而来的往复运动质量和活塞、活塞杆、十字头的质量总和而得到的a ( 1 ) 旋转惯性力 周期性的旋转惯性力是使压缩机产生振动的主要原因之一，由于连杆的平面运 动中有一部份质量转化为旋转惯性力，整个机械的旋转惯性力可表示为： ，。聊，r e 9 ( 2 - 1 1 ) ”，一旋转机械运动部份的总质量，它包括曲轴瓦产生的旋转运动质量和连 杆大头转化而来的旋转运动质量以及曲轴本身不对称产生的旋转运动质量。 r 一曲轴的旋转运动半径； 一曲轴的旋转运动角速度； 大连理工大学硕士学位论文 旋转惯性力引起机器的振动与不平衡振动一样，曲轴瓦每旋转一周，产生一次 转频振动。在实际工作中，这种振动被加在曲轴上的平衡块所平衡和抵消。但由于 是集中的计算误差与制造加工误差，旋转惯性力产生的振动并不能被完全消除。 ( 2 ) 往复惯性力 往复惯性力是由往复运动部件产生，若往复运动部件的总质量为r d - ( 由连杆转 化而来的往复运动质量和活塞、活塞杆、十字头的质量总和) ，则往复惯性力为： 正= m s a = 聊，r 印2 ( c 0 8 口+ 五c 0 8 2 口) ( 2 - 1 2 、 = m j r o ) 2c o s ( z + m j r 街2 2 c o s 2 a = 五。+ 工2 式中： 正。= m ，r 2c o s 称为一阶往复惯性力，力的变化周期等于曲轴旋转运动的周 期，因而一阶往复惯性力引起的振动频率等于机器的转动频率。 厶= m ，t o ) 2 2 c o s 2 a 称为二阶往复惯性力，力的变化周期等于曲轴旋转运动周期 的一半，因而二阶惯性力引起的振动频率等于机器转动频率的二倍。 2 4 往复式压缩机振动原因分析 从前面的讨论可以看出，往复式压缩机产生振动的原因，主要是由曲轴一连杆 一活塞机构的运动造成的。 气缸中的气体力除作用于活塞上外，也同时作用到气缸盖和气缸座上，作用到 气缸盖和气缸座上的气体力通过气缸和机身传递到主轴承上，和经过运动机构传递 到主轴承上的活塞力中的气体力相抵消。所以，在气缸轴线方向上，气体力是不会 传递到机器外边来的，它在机器内部互相平衡了。气体力只使气缸、中体、机身等 有关部分，以及它们之间的连接螺栓等承受拉伸或压缩载荷。 作旋转运动的曲轴产生的振动一方面通过曲轴一曲柄销一连杆大头( 大头瓦) 一 连杆体一连杆小头一活塞销一活塞传至被压缩的气体，使气体产生脉动变化的压力， 进而再通过缸盖、缸壁传遍整个机壳；另一方面这种振动也沿着由曲轴本身传递到 轴承，再通过轴承座、曲轴箱传到整个机身。同样，作往复运动的活塞以及做平面 姚利斌：小波分析在往复式压缩机故障诊断中的研究应用 运动的连杆所产生的振动也沿着两个方向相互传递，最终都落在机壳及管道之上。 对于单缸压缩机来说，这些振动之间相互作用、相互影响，在机身表面产生的振动 是一个叠加效应。对多缸排列的压缩机来说，由于各缸之间的气压、结构、振动状 况均不一样，因而各缸之间的振动还相互作用、相互祸合、从而在机身表面产生的 振动效应就更为复杂。总的来说，惯性力所产生的振动一般是低频振动，振动的能 量主要集中在转频及其倍频之上。 十字头作用于滑道上的侧向力和主轴颈作用于轴承上的垂直分力大小相等，方 向相反，在机器内部构成一个力矩，该力矩在立式压缩机中有使机器顺着旋转方向 倾倒的趋势。它的大小和阻力矩大小相等、方向相反。但它作用于机身上，而阻力 矩作用于曲轴上，二者在压缩机内并不能相互抵消，属于自由力矩，所以要造成机 器在力矩平面内的振动。但是，当压缩机和驱动机构成一个整体或者处于同一个基 础上时，驱动机作用于机体或基础的反力矩与倾覆力矩要平衡掉一部分，基础作用 于土壤的力矩为二者之差。 往复式压缩机产生振动的另一个主要原因是部件之间的相互冲击与摩擦。在往 复式压缩机中，活塞与缸壁之间、活塞销与连杆小头之间、连杆大头与曲柄销之间、 曲轴与主轴承之间，不但产生摩擦作用而且还产生冲击效应，其结果不但引起构件 产生振动而且还会降低构件的运作寿命。这种作用引起的振动最终都会直接和间接 地传递到机壳和基础之上。由振动理论知道，冲击、摩擦所引起的振动主要表现为 高频振动，而且分布频带很宽。因而往复式压缩机的振动包含有从低频至高频且分 布频带很宽的谐波分量，这种情况不同于回转机械的振动。 另外，压缩机的阻力矩是随着转角a 周期地变化的，而驱动机的驱动力矩一般 是一个不变的常数。虽然在机器每一转中，阻力矩所消耗的功和驱动力矩所供给的 功保持相等，压缩机中每分钟的转数不变，但每一转中的每一瞬时，二者的数值是 不相等的，因此要使曲轴产生加速和减速现象，虽然可以通过增加转动惯量来降低 角加速度，但始终不能消除，也要引起机器的振动。 2 5 小结 本章主要介绍了往复式压缩机的结构和力学特性分析。在介绍了往复式压缩机 的主要类型的基础上，概述了它们的主要组成及其工作原理，对相关部件的受力分 析作了剖析，对其振动原因作了简要介绍。 大连理工大学硕士学位论文 3 往复式压缩机振动信号的测量和采集 往复式压缩机采用曲柄一连杆传动机构，运行中产生强烈的变向冲击和变载荷 冲击，以及活塞对缸套的横向撞击，各气阀的阀门不断产生落座冲击，加之滚动轴 承、管道、地基等各部位的振动，混叠交织，彼此干扰，振动频率结构十分复杂， 给确诊故障带来一定的困难。因此，必须掌握实时监测诊断的要点，以期取得良好 效果。下面以北京燕山石化集团炼油厂联合车间k 2 0 2 机组的具体情况来说明往复式 压缩机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 311 试验用往复式压缩机型号及相关参数 型号：4 m 4 0 1 4 2 2 4 - 8 5 - 5 7 1 7 5 - 2 3 b x 轴功率：2 8 0 0 k w ：设计流量：4 1 0 n m 3 m i n 出口压力：3 3 m p a ；出口温度：1 2 7 。c 轴振动报警：1 8 m m s ；活塞杆位移报警：0 4 1 m m ； 转速：3 0 0 r m i n ；轴承温度报警：7 0 。c ； 工作介质：氢。 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，同时同 一测点在不同频段下测试，加速度值差别大，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。因此采用加速度测量值， 对往复式压缩机采用加速度信号传感器在高频和低频段同时测量比较合适。 3 2 试验用传感器的安装和振动信号的测量 在活塞式往复式压缩机中，典型的机械故障有阀片断裂、十字头及活塞杆断裂、 气缸开裂、气缸和气缸盖破裂、曲轴断裂、连杆断裂和变形、连杆螺栓断裂、活塞 卡住和开裂、机身断裂和烧毁、电机故障等。 姚利斌：小波分析在往复式压缩机故障诊断中的研究应用 据统计，往复式压缩机有6 0 以上的故障发生在气阀上，能够及时发现气阀故障 对往复式压缩机故障诊断系统是相当重要的：活塞杆断裂、裂纹事故也较常见，占重 大事故的2 5 左右。 基于实际的试验设施，并结合工程中多发故障的类型，主要针对气阀漏气、基 础松动等故障进行模拟测试振动数据。 往复式压缩机工作时，它在工作过程中，气缸体内的气阀的阀门的开启关闭、 活塞、十字头的直线往复运动、曲轴在电动机的带动下的旋转运动等都会产生振动 信号，而且通过机体的连接，信号彼此之间相互交织在一起，彼此影响其激励特性 和传递特性，相互影响非常大。这些影响往往通过振动信号的变化表现出来，利用 这些振动信号可以诊断出往复式压缩机的故障。这些振动信号通过各种传递路线传 递到箱体的表面，通过安装在箱体表面的传感器就可以监测到这些振动信号。 其中，监测点的合理布置，对有效的实簏监测诊断至关重要。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幅和振动形式。 采样的基本问题是如何确定合理的采样间隔t 以及采样长度t ，以保证采样所 得的数字信号能真实地代表原来的连续信号。一般说，采样频率，越高，采点越密， 所获得的数字信号越逼近原信号。然而，当采样长度t 一定时，z 越高，数据量n = t t 越大，所需要的计算机存贮量和计算量就越大：反之，当采样频率低到一定程度， 就会丢失或歪曲原来信号的信息。 s h a n n o n 采样定理给出了带限信号不丢失信息的最低采样频率为f 2 ，式中 为原信号中最高频率成分的频率。若不满足此采样定理，将会产生频率混淆现象。 频率混淆是由于采样以后采样信号频谱发生变化，而出现高低频成分发生混淆的一 种现象。 解决频率混淆的方法是提高采样频率以满