（机械设计及理论专业论文）基于虚拟仪器矿山固定设备测试系统的研究.pdf

论文题目：基于虚拟仪器矿山固定设备测试系统的研究 专业：机械设计及理论 研究生：王翠 指导教师：任中全 摘要 ( 签名) ( 签名) 基于虚拟仪器矿山固定设备测试系统的研究对保障矿山安全生产，实现固定设备性 能综合测试，降低测试成本，简化测试工作具有重要的意义。 论文在分析提升设备和往复式压缩机工作原理的基础上，构建了提升设备和压缩机 虚拟仪器性能测试系统。通过对测试系统基本组成环节进行分析，并将各环节联接后， 对离散系统连续化，得出系统数学模型，分析测试系统在时域和频域内的动态特性及分 析过程中应注意的问题和解决途径。 文中对测试系统的组成环节进行了讨论选择，根据需要测试的物理量，分析确定每 种物理量的测试方法。按照测点布置原则和采样原则，完成传感器的类型选择，并确定 测点位置。 应用信号分析理论编制算法，实现了对噪声信号的抑止和有用信号的提取。根据性 能测试要求，设计实现了各种性能测试模块，并直接显示出如提升机运动特性、提升机 动力特性和压缩机示功图等性能曲线，完成了矿山设备虚拟仪器性能测试系统的设计。 对整个测试系统的主要测试功能进行了实验验证，将系统的测试结果与实际值进行 比较，得到虽大相对偏差为4 - l ，说明该虚拟仪器测试系统满足测试精度的要求，可 以用于提升设备和压缩机的性能测试。 对该系统的幅频响应数据，应用系统辨识的方法，通过实验确定系统模型参数，并 对系统进行时域和频域内的特性分析，得到系统的频率响应、阶跃响应和稳定性情况， 在理论上说明了该系统可以用于现场测试。 关键词：提升机；压缩机；虚拟仪器；数据采集；系统建模；系统分析 研究类型：应用研究 s u b j e c t：s t u d yo nm i n ef i x i n gt e s ts y s t e mb a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n t s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e ：w a n g c u i i n s t r u c t o r ：r e nz h o n g q u a n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) 坠盘璺r i ti s i m p o r t a n tt o e n s u r em i n ep r o d u c t i o n ，a c t u a l i z em i n ef i x i n gs y n t h e s i st e s t i n g ， d e c r e a s et h et e s tc o s t ，a n dp r e d i g e s tt e s tw o r ko f t e s ts y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t a f t e rt h ei n t r o d u c t i o no ft h ep r i n c i p l eo fm i n ew i n d e ra n dc o m p r e s s o r , t h et e s ts y s t e m h a sb e e nc o n s t r u c t e di nt h ep a p e rl i n kt h es y s t e me l e m e n t ，c o n t i n u et h es y s t e m ，a n dt h e s y s t e mm o d e lh a sb e e ng a i n e da f t e ra n a l y z i n gt h ee s s e n t i a lc o m p o s e de l e m e n t s t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ee s s e n t i a lc o m p o s e de l e m e n t so ft h et e s ts y s t e m ，a n a l y s e sa n d f i x e st h et e s tm e t h o d so fe v e r yp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt on e e d f u r t h e r m o r e ，t h et y p eo f s e n s o r sa n dt h el o c a t i o no ft h et e s tp o i n t sa r ef i x e di nt h el i g h to fp r i n t i p l eo ft e s tp o i n t d i s p o s a la n ds a m p l i n g t h en o i s ei ss u p p r e s s e da n dt h ea v a i l a b l es i g n a li sp i c k e d u pa c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e o fs i g n a la n a l y s i s t h ea r t i c l eh a sd e s i g n e ds e v e r a lt e s tm o d u l e sb a s i n go nt e s tr e q u i r e m e n t ， a n dt h ek i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i c sc h a r t sa n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sc h a r t so fm i n ew i n d e r , t h ei n d i c a t e dd i a g r a mo f c o m p r e s s o rh a v eb e e ns h o w e d f i n a l l y ，t h ed e s i g no f m i n ef i x i n gt e s t s y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n th a sb e e na c h i e v e db a s i c a l l y m a k et h ee x p e r i m e n tv a l i d a t et ot h ew h o l et e s ts y s t e mf o rm a i nt e s tf u n c t i o n ，c o m p a r i n g t h et e s tr e s u l tw i t hr e a lv a l u e ，t h em a x i m u mr e l a t i v ew a r pg a i n e di s 士l ，w h i c hl e s st h a nt h e m a x i m u mw a r pa l l o w e d 士3 w h i c hi l l u m i n a t et h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e s ts y s t e mc o n t e n tt h e t e s tp r e c i s i o nr e q u i r e m e n ta n dc a nb ea p p l i e di nt h ep e r f o r m a n c et e s to fm i n ew i n d e ra n d c o m p r e s s o r b ya d o p t i n gt h em o d e li d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h mt os y s t e ma m p l i t u d er e s p o n s e ，t h em o d e l p a r a m e t e r sa r ef i x e da f t e re x p e r i m e n t s m a k e t h es y s t e ma n a l y s i si nt i m e d o m a i na n d f r e q u e n c yd o m a i n , g a i nt h ef r e q u e n c yr e s p o n s e ，s t e pr e s p o n s ea n ds t a b i l i t ya n a l y s e s ，w h i c h s h o wt h a tt h et e s ts y s t e mc a l lb ea p p l i e di na c t u a lt e s t k e y w o r d s ：m i n ew i n d e rc o m p r e s s o rv i r t u a li n s t r u m e n t d a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mm o d e l i n g s y s t e ma n a l y s i s t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西要料技丈学 学位论文独创性说明 9 2 3 1 0 8 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构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 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：皇颦 日期： 彬石、妒，) f ， 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名指导教师签名： 年月日 1 绪论 l 绪论 1 1 课题概述 1 1 1 课题的提出 矿山是我国经济和社会发展战略资源的主要生产基地。矿山机械设备的运行状况直 接影响到矿山的生产和安全。我国矿山机械设备经过了近5 0 年的发展，总体看来，仍 然面临安全装备落后，乡镇煤矿设备简陋，安全生产缺乏有效保证的现状。国有煤矿长 期以来存在安全欠账问题，装备落后、老化甚至退役、报废再用的现象普遍存在，很多 矿井大型设备带病运转，井下电气设备始终不能杜绝失爆现象。尤其矿井通风，排水， 提升，压风这“四大件”煤矿机电设备存在很大安全隐患，加之由于煤矿安全生产管理 水平低，绝大多数煤矿技术和装备落后，安全投入不足，假冒伪劣矿用产品混入煤矿生 产过程的现象屡禁不止，重、特大事故时有发生，给矿工生命和国家财产带来严重损失。 据不完全统计，在我国煤矿生产中因机电设备引发的事故占煤矿事故总数的5 0 以上。 矿山行业死人1 0 人以下的重大伤亡事故中绞车提升事故占总事故的1 0 左右。另据统 计，在煤炭工业生产中，在矿井通风设备所发生的事故中，机械事故占通风机组事故的 6 8 9 。据调查，云南锡业公司自1 9 7 8 1 9 8 4 年以来发生的2 5 起重大设备事故中，其中 往复式空压机5 起，占2 0 。 这些重大事故的发生，使得人们不得不把煤矿机电设备运行的可靠性和安全性提到 了议事的日程上，监视设备状态的系统应运而生。这些测试系统实时的或者定期的对设 备性能进行测试，发现微小故障，实现设备事故的早期预报，人为及时排除事故隐患， 做到“防忠于未然”，避免重大事故的发生。在实际的生产实践中，还有一种防止设备 出现重大事故的方法：定期检修。定期检修的本质就是提前检修，它强调了设备运行的 安全性，但是却降低了设备的利用率。这种对设备“不恰当”维修消耗的成本可能达到 整个维护成本的7 0 。解决这个问题的方法就是对设备的性能进行测试，跟踪发现潜在 的故障并预测其发展趋势，在真正必要的时候对设备进行停机修理。煤矿安全规程 中大型机电设备的性能参数提出明确要求，为满足要求必须定期进行设备性能参数的全 面测定，并进行系统分析，以保证设备处于良好的运行状态。所以认真做好日常检修和 性能测试工作，对其定期“体验”，掌握设备的性能状态，及时发现缺陷，消除隐患， 做到科学管理和科学使用非常重要】。由此可以看到，从设备运行的安全性和经济性来 考虑，建立煤矿机电设备的测试系统势在必行。 伴随微电子、计算机和信息技术的发展，使机械设备及工程系统产生了新的飞跃。 西安科技大学硕士学位论文 传统的测试方法已不能满足生产与科研的需要。以微型计算机为主要辅助设各的测试系 统越来越受到人们的重视，并应用到各个领域。如何利用先进的控制技术和自动测试技 术，代替传统的开关、继电器控制，从而提高矿山设备的可靠性，及时发现故障并进行 故障诊断、故障排除等一系列的问题，己愈来愈受国内外生产厂家和学者的关注。煤 矿设备性能测试已进入了全新的发展阶段，向着网络化、智能化的方向发展，一方面实 现对设备的远程智能监控：另一方面，通过对设备运行状态的性能测试，实现对设备的 预测维护。1 9 8 6 年，虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的界限模糊了，给矿山设备 性能测试注入了新的气息。当前，国内外的工程师和科学家们正在成千上万台测控设备 中使用了虚拟仪器，缩短了产品的研发时间，提高了产品的质量，降低了生产成本阻5 1 。 在此背景下，本论文主要讨论矿井提升机和往复式压缩机性能测试系统。 1 1 2 课题的意义 研究和开发基于虚拟仪器的提升机和往复式压缩机性能测试系统具有一定的经济 效益和实用价值。该课题的具体意义表现在以下几个方面： ( 1 ) 矿井提升机是机械和电气综合组成的机电体化的大型设备，素有“矿井咽 喉”之称，我国对矿井提升机的安全问题极为重视。传统的测试方法是采用示波器，但 它存在测试精度低，所用仪器设备多，价格昂贵，维护量大搬运困难等问题。结合计算 机采用虚拟仪器技术，可很方便的实现提升机动态参数的高速数据采集、存储、分析运 算及打印输出。 ( 2 ) 由于往复式压缩机结构复杂，在运行的过程中激励源众多，目前还没有成熟 的方法应用于往复式压缩机性能测试系统。通过本课题的研究，构建出实际的性能测试 系统，可以加强往复式机械的理论研究和生产实践的结合，促进它们共同发展。 ( 3 ) 本课题的完成，实现了对提升设备和往复式压缩机的性能测试，可以保证设 备无故障、安全可靠地运行，保证设备发挥最大设计能力，能及时正确地获得设备运行 状态，为事故预测及诊断、制定必要的干预措施提供指导意见，同时，通过性能评价， 为优化设计、正确制造提供数据和信息，节省了人力、财力和物力，提高了企业生产效 益。 1 2 同类技术发展现状 随着计算机应用科学的飞速发展，采用计算机控制系统取代原来的电控系统是一种 趋势，目前，除了近年来进口的提升机配备有性能测试监护装置外，大多数交流提升机 没有配套的性能测试设备。有些提升机虽然安装了测试装置，但主要是针对运行状态起 后备保护作用，且为了固定，安装于某一台设备上，功能单一，只是一些参数的测试和 显示，没有全面的数据分析能力和对系统状况的综合评价。多年来发生的提升事故证明， 1 绪论 现有的技术装备不能满足提升机安全运转的需要，而且当前还没有专门用于提升机性能 测定的仪器和设备。 国外，提升机大多采用双套保护装置发展。即在原有的基础上再增加一套微机监控 装置。目前随着信息数字化、控制智能化的发展。国内外的提升设备监控系统的功能和 自动化程度有较大提高。尤以a 1 3 1 3 公司和g h h 公司的产品最有代表性。但其系统价 格昂贵。且功能方而不能完全满足生产的实际需要。虚拟仪器技术是由美国n i 公司1 9 8 6 年提出的。在一些发达国家的应用非常普遍，许多科学家和工程师把虚拟仪器应用在测 控设备中，成绩显著p ”。例如在矿山提升设备测试中，瑞典a b b 公司的提升机钢丝绳 张力测试系统a b b d y n a m a t e ，较之传统的提升设备钢丝绳张力测试已有较大进步， 功能和自动化程度有较大提高。 国内监控装置产品很多。以单片机设计居多普遍存在着抗干扰性能差可靠性低等 严重问题。不能正常使用。虚拟仪器和虚拟仪器技术在我国已经经历了近二十年的研究 发展。一批高等院校和科研单位在通用仪器卡和专用测试仪两个方面展开了研究工作。 例如青岛建筑工程学院的闫业翠、田志勇和哈尔滨工业大学的刘金琪、武健对提升机钢 丝绳的测试系统进行了虚拟仪器的研究【6 】，安徽理工大学的裴九芳、张新利用虚拟仪器 对压缩机的性能测试进行了研究，陕西能源职业技术学院的李志、吴革新提出了基于 l a bw i n d o w s c v i 的煤矿主排水泵自动监控系统的初步设计方案，浙江大学的武钢、朱 祖超利用虚拟仪器技术对水泵瞬态特性进行实验研究，等等。虽然如此，但由于矿井条 件的复杂性和对安全可靠性的严格要求，目前国内还未开发出较为理想、适于工业现场 要求的计算机控制系统。自动测试系统在矿山设备测试中也并没有得到广泛的应用，测 试结果的可靠性、准确性也不高，或者测点少，功能不强，不适于综合性能的测试。这 主要是因为： ( 1 ) 进口仪器普遍价格昂贵，且功能方面不能完全满足生产的实际需要，鉴于目前 我国矿山企业不景气的现状，这些进口仪器很难得到普及； ( 2 ) 国产的在线测试设备整体水平还比较低，不能适应矿井复杂的工业环境，难以 满足现代化生产的需要； ( 3 ) 国内监控装置，以单片机设计居多，普遍存在着抗干扰性能差，可靠性低等严 重问题，不能正常使用； ( 4 ) 矿山环境复杂，测试系统的测量精确度不高； ( 5 ) 矿山设备的工作环境造成了它的一些重要性能参数无法测量，给矿山安全带来 隐患； ( 6 ) 对于风机和提升等设备的性能参数没有一种有效的测试方法： ( 7 ) 对于空压机的振动及噪声还没有一种便捷的测试方法。 西安科技大学硕士学位论文 1 3 课题的主要工作 本文的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 分析提升设备的运动特性和动力特性，通过测试绘制速度图和力图； ( 2 ) 根据空气压缩机的工作原理，提出一种有效录取压缩机示功图的方法 ( 3 ) 分析压缩机各个环节的振动形式，为空压机故障诊断提供基础； ( 4 ) 利用虚拟仪器技术构建具体的性能测试系统，完成数据的采集和采样 ( 5 ) 对测试系统建模并对测试系统进行性能分析和评价。 4 2 测试系统模型的建立 2 测试系统模型的建立 2 1 矿井提升系统的运动规律 提升系统运转时，容器在井筒中做上下往返、周期性运动。自动化的提升设备，由 于各种因素的变化也可能出现不同的速度图。但每个速度图都必须有加速阶段、等速阶 图2 1 提升速度图 段、减速阶段及爬行阶段。如图2 1 所示，它代表一般提升系统的速度图。 图中t o 、f l 、t 2 、t 3 、t 4 及t 5 分别代表初加速、主加速、等速、主减速、爬行及抱闸 停车六个阶段的运行时间。0 是提升机休止、容器装卸载所用的时间。是箕斗离开益 轨时的速度，一般限制在1 5 m s 以下。是最大提升速度。略是爬行速度。 由于等速阶段的拖动力仅用来克服静阻力，所以它的变化即表示静阻力的变化。若 把此线向两侧延长，则此延长线可以近似地代表提升周期内静阻力的变化。在加速阶段 提升机的拖动力大于静阻力，提升系统加速运行。减速阶段提升机的拖动力小于静阻力， 加速度为负值，所以提升系统减速运行。等速阶段拖动力与静阻力相等，加速度为零， 所以提升系统等速运行。 根据达伦培尔原理，提升机在主轴上的拖动力矩 以与提升系统的静阻力矩m 及 惯性力矩m d 处于平衡状态。即： m m ，一m d2 0 ( 2 1 ) 在等直径提升系统中，可以用力的关系表示。即： f 一，厂v o2 0 ( 2 2 ) f a = m 参钏口 ( 2 3 ) 西安科技大学硕士学位论文 式中： 卜提升机作用在滚筒缠绳圆周上的拖动力； e 提升系统的静阻力； r 一提升系统的惯性力； m 提升系统变位到滚筒缠绳圆周上的总变位质量； 口一提升容器的加速度。 ( 2 2 ) 式可以写成： f = + m a ( 2 4 ) 这是等直径提升系统的动力方程式。利用此式可以研究提升系统的“力”与加速 度( 或减速度) 的关系【7 1 。 f j ( a ) ( b ) 图2 2 静阻力图 在矿井提升系统中，静阻力因提升容器位置不同而按图2 2 ( a ) 的形式变化。在以提升 行程x 为横坐标的图上，静阻力是一条下斜的直线。由于井很深绳很重时，斜线的倾角 就比较大。甚至在提升终了前就出现负静阻力，形成图2 2 ( b ) 的形式。提升电动机在加 速阶段必须产生很大的拖动力，才能使提升系统获得必要的加速度。为此有时需要额外 地加大电动机的功率。到了减速阶段，又必须用足够大的制动力施闸。不仅用闸吸收系 统的动能以达到减速的目的，还要用闸克服下降绳的运转既不安全又不经济。要想摆脱 这种被动局面，必须把绳重的影响平衡掉。这就提出了提升系统需要静力平衡措施的问 题。 挂尾绳是一种常用的平衡方法，在两个提升容器下面用一根每米重日公斤的绳子联 起来。绳环直垂到井底。此时静阻力为： = k q + 0 一q x m 一2 x ) ( 2 5 ) 在提升系统的动力方程式( 2 3 ) 中代入静阻力e 的表示式( 2 4 ) ，则得提升系统动 力方程式得常用形式： f = k q + ( p q x h 一2 x ) + m a ( 2 6 ) 上式表示加速度a 与拖动力的关系。在已知加速度后代入上式可求得需要得拖动力； 反之，当给定拖动力时，就可以求得加速度。 结合提升速度图，将速度图中每阶段的行程、相应的加速度和减速度代入提升动 2 测试系统模型的建立 力方程式( 2 6 ) 中，可以计算出提升过程中各阶段得拖动力【8 卅。 在提升开始时，x = o ，a = a 。，故拖动力瑶为： f o = k q + p h + m a o 一次可画出力图。 出曲轨时，x = ，拖动力碍为： v g = k q + p ( h 一2 h j + m a o = g 一2 p h ， 主加速阶段开始时行程x 仍为厅。，加速度a ：a 。，故拖动力f 为： e = k q + p 旧一2 h x ) + m 吼= f o + m ( a l a o ) 加速结束时，总行程x = 。+ h ，加速度仍为a ，故此时拖动力e 4 为 一”= x q + p ( h 一2 h ，一2 岛+ m a l ) = e 一2 p h l 等速阶段开始时，总行程z = ，+ ，口= 0 ，故拖动力e 为： e = k q + p u 彳一2 丸一2 h , j = e l 埘口l 等速阶段终了，总行程为x = ，+ h ，+ h ，故拖动力f 为： 霹= k q + p ( j h 一_ 2 以一2 ) 一2 h 2 = 足一2 p h 2 减速阶段开始时，x = 以+ h + h ：，a = 一心，则此时拖动力g 为： g = k q + p ( h 一2 l 一2 啊一2 h 2 ) _ m a 3 = e m a 3 减速阶段终了时，x = 厅。+ h + h ：+ h ，a = 一a ，故拖动力目为： 巧= k q + p ( h 一2 h , 一2 h i 一2 h 2 2 绣) 一m a 3 = 层一2 p h 3 爬行阶段开始时，x = 厅。+ h 。+ h ，+ h ：，a = 0 ，故拖动力为 目= x q + p c h 一2 吃一2 h , 一2 h 2 2 h 3 ) = 曙+ m a 3 爬行阶段终了时，x = h ，日= 0 ，故拖动力日为： f ；= k q p h = f ；一2 p h 4 根据计算结果，绘制成图2 3 所示速度图和力图，并将数值标入图中。 ， ) ， = 暑 _ l 髑 | “秒)t 日l t i证1 3 t 坫p h ( 米，秒2 ) 口o4 1 a 3 h ( 米)峨l h ， 圾 h - f 堡卜斗 f o 誉f ： 耳断 矸 一 图2 3 提升速度图和力图 刀 黔 叻 刁 筇 回 2 2 2 j j 0 0 0 q q q q q q 西安科技大学硕士学位论文 2 2 往复式压缩机的工作原理和故障测试的振动测试方法 2 2 1 往复式压缩机的工作原理 压缩机的工作状况往往通过它的工作循环来判断，所谓工作循环是指活塞在气缸内 气一 1 一吸气阀：2 - - 摊气阀；3 一气缸；4 一水套；5 一活塞：6 一填料函： 7 一活塞杆：b - - 十字头；9 一连杆；1 0 一曲轴；1 1 一机身；1 2 基础 图2 4 往复式压缩机结构原理图 往复一次( 相当于主轴转一周，压缩机工作一个循环) ，气体经一系列状态变化又恢复 到原始状态，其间所经全部历程的总和阻1 0 l 。图2 4 为往复式压缩机结构示意图。曲轴 旋转，通过连杆，十字头和活塞杆带动活塞作往复运动。使得气缸壁和活塞围成的密闭 容积和发生周期性的变化。曲轴旋转一周，活塞往复一次，密闭容积内的气体经过膨胀、 吸气、压缩、排气这四个过程，压缩机完成一个工作循环，如图2 5 和2 6 所示。 下面以缸头端的理论循环曲线为例： 膨胀过程a b ：在位置a 处，曲轴角为0 度，活塞处于左止点。此时，缸头端排 气阀关闭，由于气缸缸头端余隙的存在，缸头端内残留着一部分气体，气体压力为排气 压力p d 。随着曲轴的转动，活塞被带着向右运动，缸头端容积增大，缸头端气体膨胀， 气体压力迅速减小。直到活塞运动到b 点，缸头端内气体压力达到最小值。 吸气过程b c ：到达b 点后，随着活塞继续向右运动，缸头端内气体压力足够小 以至于缸头端吸气阀在吸气腔内气体的压力作用下打开，吸气腔内气体涌入缸头端内。 自到活塞运动到右止点c ，缸头端的容积不再增大，缸头端内充满气体，气体压力为吸气 压力p s 。 压缩过程c _ d ：活塞在曲轴的带动下，由右止点c 向左运动，缸头端容积变小， 缸头端气体被压缩，气体压力增大，使得缸头端吸气阀关闭。活塞继续向右运动，缸头 端内的气体受到压缩，体积不断减小，压力不断增大。直到活塞运动到d 点，缸头端内 2 测试系统模型的建立 ( c ) i 10 o ：委i 良 v 图2 5 理论压缩循环分析图 排气过程d a ：到达d 点 后，随着活塞继续向左运动，缸 头端内气体压力足够大以至于 缸头端排气阀在缸头端内气体 的压力作用下打开，缸头端内气 体涌入排气腔内。直到活塞运动 到左止点a ，缸头端的容积不再 减小，缸头端内残留一部分气 体，气体压力为排气压力p d 。 上述四个过程中，膨胀过程 和压缩过程是热力过程，这两个 过程中气体质量没有发生变化， 只是气体的状态参数发生了变 化。它们可以是等温过程，绝热 过程或者多变过程。而吸气过程 和排气过程中，气体质量发生了 变化，是一个质量迁移过程，不 是一个热力过程。 ( 1 ) 当然理论曲线是对实际 工况的一种简化，由于在实际工况下，影响因素非常多也非常复杂，所以实际循环曲线 和理论循环曲线有一些不同之处： v ( c ；) 图2 6 压缩机p v 示功图 ( 2 ) 由于余隙容积的存在，使得实际处理气体的有效容积总是小于气缸的行程容 一l 睁辁 “ 唰 排 西安科技大学硕士学位论文 积v i i ，表现在p v 图上增加了一条膨胀过程线，使吸气量减少了咏。即实际曲线的 吸气压力要比理论吸气压力低： ( 3 ) 由于实际循环中存在吸、排气阀等的压力损失，使得实际曲线的排气压力要比 理论排气压力高： ( 4 ) 实际曲线中的吸气过程和排气过程中压力是波动的。由于压力比不同，在同样 排气量的条件下，一方面使实际压缩循环所消耗的功量大于理论循环所消耗的功量，另一 方面又使气体实际排出温度大于理论循环的排气温度； f 5 ) 实际曲线的膨胀过程和压缩过程也不完全由一个热力过程描述。由于存在泄漏 等情况，它们甚至不是一个热力过程； ( 6 ) 由于受热交换的影响，使吸气温度发生变化，因而也影响气缸吸气能力。 此外，在实际循环中还存在气体的泄漏损失，它不但使机器的排气量减少，而且还 造成功率上的损失。 不过为了方便研究，往往先对理论情况进行分析，然后考虑实际因素对分析结果的 影响。 2 2 2 示功图的计算原理 指示图的分析计算，主要包括指示功率、进排气阀功率损耗、机械效率及压缩机轴 功率、容积效率等1 1 0 , 3 9 。 在分析计算之前，首先需将p - a 指示图转换成p v 指示图。如图5 3 所示，由活在 压缩机曲轴任意转角a 的瞬时，活塞距外止点的位移x 为： z = ，i ( 1 - c o s a ) + 三( 1 一s z 叫 ( z ，) 式中： a 连杆径长比，“l ； r 一曲轴销旋转半径； 连杆长度。 对应活塞位移x ，气缸行程容积为： v ：三dz z( 2 1 8 ) 矿= 三。2 ， ( 1 - - c o s a ) + 鲁( 1 一c 。s ：口) c z ， 式中： 卜气缸直径； 卜气缸行程容积； 2 测试系统模型的建立 由上述公式计算出对应曲柄任意转角a 的气缸容积就可以绘出封闭的p v 指 示图曲线，如图2 3 所示。 压缩机一个工作循环所消耗的指示功为上图所示封闭曲线包围的面积，采用梯形公 式对此面积进行数值积分： w = 0 ，+ p 。碉_ 一。i ) ，2 ( 2 - 2 0 ) i = 1 压缩机的指示功率为： r2 矗斋( 2 2 1 0) 6 0 1 5 7 式中： n 一压缩机曲轴转速，r m i n 。 压缩机轴功率： n z = n 。玑r l z( 2 2 2 ) 式中： r c 电机输入功率； 硪p 电机效率； 町厂传动效率： 压缩机机械效率： = ( 2 n , n z ) x 1 0 0 ( 2 2 3 2 2 3压缩机故障测试的振动测试方法 空压机在运行过程中，由于各种力的作用，会产生振动和噪声，当空压机内部零件 或结构出现缺陷时，空压机的动力学特性就会发生改变，产生的振动和噪声信号可以反 映机器内部状态变化。因此根据振动法的理论，可通过对空压机外部的振动信号、噪声 信号的测量分析来测试其内部的状态变化，并在此基础上诊断故障原因、部位、程度、 性质和发展趋势。 理论上讲，噪声信号和振动信号都可以反映设备的状态变化。但在实际测试测振传 感器较噪声传感器易布置，同时，噪声易受干扰，因此以测量振动为主。 振动测试分析是诊断往复式空压机最基本、最有效的手段，空压机各运动副的磨损， 连接件的松动，配合精度的变化，一般都能通过振动信号及其参数得到充分的反映，对 振动信号作多方面分析可以获得反映空压机状态的丰富信息。 对振动测量参数的基本要求是能敏感地反映机器的振动情况。由于往复式空压机具 有多个强烈地冲击振源，振动频率较高。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，加速度值相差也很大，而速度和 西安科技大学硕士学位论文 位移差别较小。因此采用振动加速度测试最合适。 对于周期性振动的测量，除了测量其振动振幅，还需要测量振动频率、振动周期和 振动相位等。对于往复式压缩机，其振动十分复杂，要研究振动对机械结构和人体的影 响，仅仅知道它的振幅和周期是不够的，还必须对所测的振动波形进行频率分析。 ( 1 ) 频谱分析原理 振动波形频率分析的理论基础是富里哀级数原理。即任何一个非谐和的周期性振 动，都可以认为是由一系列简谐振动组成的。其中有一个基波，它的角频率。：2 一y x ， 其余的是频率为基频整数倍的谐波，各谐波的幅值由富里哀级数的系数来确定0 3 - 2 5 】。 设非谐和周期性振动的时间函数为朋，其周期为t ，则按富里哀级数可展开为： 厂( f ) ：_ a o + z 4 ( a nc o s n o ) + “s i n n ( o t ) ( 2 2 4 ) c = o + ec o s 0 耐+ r ) = gc o s ( n o ) + 皖) ( 2 2 5 ) 其中： 2 e r 丁。 c o = 睾r ，啪； e = 口：+ 6 ：； 铲；r ，m s ”础； 吒= 季r 巾) s i n ”础； 幺增 剞； 称c s i n 如+ 鼠) 为基波，qs i n ( n o x + o 。) n 次谐波口9 1 。在直角坐标上以频率为横 坐标，以基波及高次谐波的幅值c h 为纵坐标绘出的图形就称为频谱图。周期性振动的 频谱图，是若干竖直线段组成的离散线谱，频谱图上可以看出非谐和周期振动是由哪些 频率成分组成，以及每个谐波振动在这一周期性振动中所占的比例大小。 ( 2 ) 频谱分析方法 基于周期性函数贝t ) 可用富里叶级数逼近的原理。采用如下具体方法进行近似计算： 在实测记录的振动波形曲线中，取一个有代表性的周期，将周期分作个等分( _ l 2 测试系统模型的建立 个点，通常n 取4 的倍数) 。 量取各分点处所对应的数值乐。 按下列公式计算富里叶级数的系数a n 、b n 和口n 的近似值a n 、b n 、o n ： 厂物) = cc o s ( ”p + ) = ec o s ( n 等+ 或) = 塾c o s ”t 等坪m 尼等 z s ， = 1 , 2 ，n ) 其中： c 。= 爿：+ b ：； 8 = a r c s i n 。7 。= a r c c o se a n ； 铲万2 善n 细s 卜等) ； 鼠= 号砉倒n 卜引； 可以通过计算机按上式编制程序，计算出c l 及0 1 即是基波( 频率珊= 2 x t ) 的幅 值和相位角，c n 及目n 即是n 次谐波( 频率 6 3 ) 的幅值和相位角。以频率( 或厂= 口2 万) 为横坐标，各c n 值为纵坐标绘制频谱图。 课题中主要针对空压机等矿山固定设备的机械、物理量信号( 为周期信号) 以及在 其工作过程中和测试过程中的振动、噪声等一系列的随机信号。对于周期信号，可利用 上述方法，展开为傅立叶级数，求得不同频率成分的幅值和相位，构成离散的幅值谱。 而对于其中混有的随机信号，由于它的幅值、相位是随机的。因而理论上不能作幅值谱 和相位谱。通常采用具有统计特征的功率谱密度进行分析 1 2 1 5 】。 功率谱密度函数简称功率谱。随机信号的自功率谱密度函数( 简称自谱) 满足维纳 一辛钦公式。 s z r ) = e b ( r - j 2 1 , d r ( 2 2 7 ) 式中，r ，0 ) 是该随机信号的自相关函数，厂= 1 r 。 如图2 7 所示，( 厂) 盐线下的总面积就是信号五( f ) 的总功率，且这一总功率是由 无数的在不同频率上的功率元s ，( 厂) 所总和而成的，只( 厂) 波形的起伏表示了总功率 在各频率处的功率元分布的变化情况。把这个理论应用于压缩机运行过程，可以分析出 在何频率下损伤、失效最为严重，以及如何减小这些情况下的功率消耗，以此作为故障 西安科技大学硕士学位论文 诊断的依据。 如( t ) 。 、 、卜 i i v0 k 、 f 图2 7 陋机信号的目谱 同时还可以通过功率谱得到系统的相频特性和幅频特性，并对前面所述的测试系统 的动态性能进行验证。功率谱与频响函数中相频和幅频的关系如下： 可s y ( 兀f ) ：1 日够1 2 (228s x ( 厂) ”1w 4 端叫 旺z s 。u ) 由上式可知，通过输入与输出信号的自谱之比可以得到频响函数e v 的幅频特性，但 得不到相频特性。而用输出输入的互谱与输入的自谱之比，系统频响函数的幅频与相频 特性都可以得到。 根据傅氏变换性质中的帕什瓦尔定理，自谱和互谱存在以下关系： ( 俨寺f ( n y ( 力 ( 2 3 0 ) 墨( ，) = 7 1x + ( ，) x ( 厂) ( 2 3 1 ) 在这个测试系统中，要确定输出信号的功率谱中有多少是被输入信号所引起的，就 要引入相关函数。 相关分析主要是分析信号前后相关联或相似程度。它包括自相关和互相关。自相关 函数定义为 疋( f ) 2 l i m l rm f r x 斫 ( 2 3 2 ) 互相关函数定义为 r v ( f ) 2r l i m 。1 丁日f x 。) y ( f + r ) 廊 ( 2 3 3 ) 2 测试系统模型的建立 将功率谱与相关分析结合起来应用。若输入和输出信号的自谱和互谱分别为s x ( 厂) ， s y ( ，) ，s 。( ，) ，则这两个信号之间的相干函数为 洲= 揣 泣。4 ， 如果系统是线性系统，那么，。2 = 1 。一般测试过程中，0 _ ，三- 9 1 ，这表明有三种 可能【17 2 5 】： 联系x ( t ) 和y ( t ) 的系统不完全是线性的； 系统的输出y ( t ) 是由x ( t ) 和其他干扰信号共同输入引起的； 在输入端有干扰噪声混入。 通过对信号进行相关分析，可以鉴别出不同响应信号之间的联系，找出引起干扰的 可能因素，从而尽量避免其因素的存在或对系统进行改进。 综上所述，对正常的和具有典型故障信号的压缩机进行振动信号测试。将采集的两 种信号进行互相关分析，利用传感器代替声级计，对测试到的振动信号和噪声信号利用 f f t 变换进行互功率谱和互相关分析。 在实际测试中，由于每台压缩机的部件装配情况、传感器的布置等不可能完全一致， 因此特征信号并非固定在某单一频率上，而是分布在一定的频域范围。所以需要通过两 种测试信号的对比，对有故障的空压机进行信号的时域和频域分析，分析信号的特征并 制订出合适的判别基准。 2 3 测试系统模型的建立及系统性能分析方法 测试系统的性能直接影响到测试结果的精确度，为了正确描述和反映被测的物理 量，实现“不失真测试”，测试系统的选择及其传递特性的分析及其重要。课题中的被 测信号是随时间变化的，所以仅研究系统的动态特性。 2 3 1 测试系统模型的建立 由于构成测试系统的传感器的传递函数很难得到，所以在对设备进行实测之前，整 个系统的数学模型不易确定。因此，需要先从理论上利用通式对其进行仿真分析。系统 中的被测信号都是随时间变化的动态信号，因此这里只对系统的动态特性进行研究。在 实际情况中，一般采用系统的频率响应函数对其特性进行研究。 系统的频率函数为 咖，= 端= 糍麓岛簪揣 眨s s ， 西安科技大学硕士学位论文 测试系统是由多个测试环节组成，可以将其看作是若干个一阶系统和若干个二阶系 统的串联( 或并联) 。 所以测试系统数学模型为 日f c o ) 2 喜南+ 孚2 研 旺，。， 2 喜志+ 喜2 辱 从上式看出，对于不同的测试系统，其系统模型是不一样的，需要通过实验和系统 识别的方法来确定模型中的具体参数，之后才能够对系统的特性进行研究分析。模型参 数的确定及系统特性分析会在第4 章中详细介绍。 2 3 _ 2测试系统性能分析方法 ( 1 ) 测试系统的时域响应分析 系统在输入作用下的时域响应包括过渡过程和稳态过程两部分内容。 稳态( 定态) 过程是指一定输入量作用下，当斗。时，输出量之值c o 】，_ + 。评 定指标为稳态误差，它表示控制的准确性 1 6 - - 18 1 。 过渡过程又称为动态( 瞬态) 过程，是指系统从刚加入输入信号后，到系统的输出 量达到稳态值的响应过程 1 6 、1 8 1 。 要使系统能正常工作，其过渡过程必须是衰减的形式，即系统是稳定的。 不同的输入有不同的过渡过程，为研究问题的方便和统一评定指标，以揭示系统的 爪 l二、_ 石：= ：= 上l t ：老 t ：一 j ，铂 图2 8 单位阶跃响应曲线( c h ( 一) = 1 ) 固有特性，一般用单位阶跃响应巴( ) 来定义过渡过程的性能指标，如图2 8 所示。 上升时间r 曲线从0 开始到第一次达到稳态值所需的时间。或者，对于无超调量型，上升时间 定义为从稳态值的o 1 到0 9 所需要的时间。 2 测试系统模型的建立 峰值时间t p 单位阶跃响应超过稳态值到达第一个峰值所需要的时间。 调节时间t s ( 瞬态响应时间) 理论上讲，线性定常系统的，。值为无穷大。 工程上，把g o ) 进入到q 0 ) 的5 ( 或2 ) 的误差范围内不再出来所需要的 最小时间，称为调节时间t s 。 超调量( 过调量) m p 定义超调量a 矗为输出量“【r j 中超过稳态值的最大误差，即 m ，= c h o ，一0 ) ) ( 2 3 7 ) 常以百分数表示成 盯：丛掣1 0 0 ( 2 3 8 ) 吒l 。j 上述t r ，t p ，t s 表征系统的快速性和灵敏性，而盯( m ) 则表征系统动态过程的平稳 性。c r 愈小，系统从一状态到达另一状态的过渡过程则愈平稳。 ( 2 ) 测试系统的频域响应分析 对于一个完美的测试系统，必须能够精确地复制被测信号的波形，且在时间上没有 任何的延时，但这是理论上的、理想化的条件。实际中，任何被测量都伴有时间上的滞 后，所以零相位滞后几乎是不可能实现的，所以将测量条件修改后，其幅频特性和相频 特性分别满足 测：c o 豪t s ， 1 妒0 ) ：一。 u j w 系