（检测技术与自动化装置专业论文）往复压缩机活塞杆声发射监测技术研究.pdf

北京化工大学硕士学位论文 摘要 往复压缩机活塞杆声发射监测技术研究 摘要 本课题采用美国物理声学公司的油水冷却液耦合声发射传感器、 p c i 2 声发射数据采集卡以及信号处理等先进技术，对往复式压缩机 活塞杆裂纹进行实时在线监测和数据分析。对活塞杆的信号进行实时 连续采集，并能随时查看各时间段的当前情况、历史情况，还能进行 初步故障诊断与报警。本课题的采集和监测软件是基于虚拟仪器软件 开发平台l a bw i n d o w s c v i 开发的，具有较好的实用性与可扩 展性。 本文提出采用美国物理声学公司的油水冷却液耦合声发射传感 器实现往复式压缩机活塞杆监测系统的整体解决方案，声发射波通过 冷却液作传播媒质，使用时可以方便地将探头安装在压缩机冷却液管 道处。本文主要研究内容包括传感器相关理论；信号的采集和调理； 数据传输、数据监测与分析、软件编程；论述了活塞杆裂纹声发射监 测中常用的各种数字特征量；提出了应用小波变换的方法剔除活塞杆 裂纹监测中声发射干扰信号。 总之，通过研究进一步证实了将声发射技术用于活塞杆裂纹监测 的可行性和必要性，为完善往复式压缩机故障诊断技术奠定了一定基 础。 关键字：往复式压缩机，活塞杆，声发射，l a bw i n d o w s c v i 北京化工大学硕士学位论文 a b 玎r a c t r e s e a r c ho na c o u s t i ce m i s s i o nm o n i t o r i n g t e c h n o l o g yo fp i s t o nr o di nr e c i p r o c a i i n g c o m p r e s s o r a b s t r a c t t h ep r o j e c t ，u s i n ga d v a n c e dt e c h n i q u e ，s u c ha so i l & w a t e rc o o l a n t c o u p l e ds e n s o r s ，p c i - 2d a t aa c q u i s i t i o n c a r do fp h y s i c a la c o u s t i c s c o r p o r a t i o n ( p a c ) a n ds i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，e t c ，r e a l i z ef u n c t i o n s o fo n - l i n e m o n i t o r i n g a n dd a t a a n a l y s i s f o rc r a c ko f p i s t o n r o di n r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r i tc a nn o to n l ya c q u i r ec r a c ks i g n a l so np i s t o n r o di ne q u i p m e n tc o n t i n u o u s l y , b u ta l s ol o o ko v e rc u r r e n tt r e n d ，h i s t o r i c a l t r e n da n dm a k e p r i m a r y f a u l t d i a g n o s i s a n da l a r m u s i n g l a b w i n d o w s c v i - - v i 。ss o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，t h ea c q u i s i t i o n a n dm o n i t o r i n gs o f t w a r eo ft h ep r o j e e ti sd e v e l o p e d t h es o l u t i o nt ot h es y s t e mo fr e a l - t i m em o n i t o r i n go np i s t o nr o di n r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r , w h i c hb a s e do no i l & w a t e rc o o l a n tc o u p l e d s e n s o r so fp h y s i c a la c o u s t i c sc o r p o r a t i o n ( p a c ) ，i sp u tf o r w a r di nt h e p a p e r t h ed e v i c eu s e sc o o l a n ta st h em e d i u mt ot r a n s m i ta ew a v e ，a n di t c a nb eh a n d i l yi n s t a l l e do nt h ec o m p r e s s o r so r i g i n a lt u b ef o rs u p p l y i n g c o o l i n ga n dl u b r i c a t i n gl i q u i d i tc o n t e n d sn o to n l yt h er e s e a r c hf o rs e n s o r t e c h n i q u e ，s i g n a la c q u i s i t i o n a n d s i g n a lc o n d i t i o n i n g ，b u ta l s o t h e i i 北京化工大学项士学位论文 a b 丌r a ( 了 s t r u c t u r a ld e s i g na n dp r o g r a mf o rd a t at r a n s m i s s i o n ，m o n i t o r i n ga n dd a t a a n a l y s i s t h i sp a p e rh a sd i s c u s s e dt h en u m e r a lf e a t u r e sc o m m o n l y u s e di n t h ea em o n i t o r i n gs y s t e m so fp i s t o nr o dc r a c ka n daw a v e l e ta n a l y s i s a p p r o a c hw h i c hc a ng e tr i do fi n t e r f e r e n t i a ls i g n a l i nb r i e f , t h er e s e a r c hp r o v e st h ef e a s i b i l i t ya n dn e c e s s i t yo fa e m o n i t o r i n g t e c h n o l o g y o fp i s t o nr o dc r a c k i tl a i daf o u n d a t i o nf o r p e r f e c t i n gf a u l td i a g n o s i so fr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r k e y w 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 , p i s t o nr o d ，a c o u s t i ce m i s s i o n ， l a bw i n d o w s c v i 1 1 1 北京化工大学 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己经发表或 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。 学位论文作者签名：礁 复。6 年6 月7e | 北京化工大学硕士学位论文第一幸靖论 第一章绪论 1 1 往复压缩机活塞杆监测研究意义 往复式压缩机广泛应用于石油、化工、国防、机械等各个领域。在石油化工 食业中，许多工艺过程都必须借助压缩机对气体的加压才得以完成。由于往复式 压缩机自身的结构特点和运行工况的复杂性，使得往复式压缩机使用中经常发生 主受零部件的断裂事故，其中活塞杆的断裂事故最为频繁，每年都有大量的关于 压缩机活塞杆断裂事故的报道和原因分析”j 1 2 ) l m 【4 l 。它所造成的被迫停车维修，给 企业带来了巨大的经济损失。因此，迫切需要针对活塞杆建立套在线监i n c h 保 护系统，以降低事故发生率，减少损失。 过去，人们很难对设备故障的发生进行科学的预判，通常情况下，只能采取 故障维修和定期维修的策略对设备进行维修。故障维修法( b r e a k d o w n m a i n t e n a n c e ) 是在设备出现故障后，对设备进行停车维修的方法；定期维修法 ( t i m e b a s e d m a i n t e n a n c e ) 是给设备制定检修计划，按计划对设备进行维修的方 法。其中，故障维修是在设备出现故障后进行的，这时设备往往已经损坏到相当 的程度，存在巨大的安全隐患，既1 ；安全，也给维修带来了很大难度，给企业造 成了巨大的经济损失。定期维修比故障维修可以有效地预防设备的潜在故障，但 它具有很大的盲目性：首先，对于早期故障损失缺乏科学的预见环节，不能从根 本 防止突发事故；其次，定期维修实际上只是为了维修已损坏的部件，但对于 没有故障的部件和设备这种维修却是一种浪费；再次，定期维修需要对设备的每 一个部件都要进行检查，这种在离线情况下的检查很难发现设备在史际工况下的 故障；最后，维修中的装配小当和频繁装拆也可能别整个设备的精度和性能带来 不利影响，从而导致潜在故障依然存在，失去维修意义。因此，合理的维修制度 应该是预知的，有针对性的，这就足近年柬发展起柬的预知维修( p d m ，p r e d i c t i v e m a i n t e n a n c e ) 。 预知维修实际上是将定期维修改为基于连续的状态监测和故障诊断的维修方 式，它以状态监删和故障诊断技术为基础。这种检修方法通过对测试结果的分析 与处理，只有在证明有必要时才会安排检修。它不是通过制定检修周期，而是需 要定期或连续地监测设备榆修状态、进行故障诊断，然后，通过检验结果查明设 备故障情况并预测故障检修的结果，根据以上结论安排维修。该方法可以在流程 工业的关键设备失效前监测和诊断出存在的故障，升通过预测技术与概率理论， 科学地预测出设备继续运行的可靠时间，从而减少漫备损耗、降低维修的工作量， 也避免了因非必要的检修造成的人为故障，使维修费用虽小化。 活塞杆髓测是往复式压缩机在线监测的最后一道防线，但是常规的活塞杆振 动监测方浊无法得到满意的结果。而声发射活塞朴监洲可以实现实时高效的数据 处理，有效降低【h 于背景噪声引起的误差以及增强系统的抗震、抗冲击的能力。 因此，它为在线实时了解没备的运行状况，保障设备的长期高效运行，提供了科 因此，它为在线实时了解没备的运行状况，保障设备的长期高效运行，提供了科 北索化工大学硕士学位论文第一幸绪论 学、有效的保证。 综上所述，基于声发射的状态监测技术是往复式压缩机在线监测系统中对于 活塞杆监测的有效方法。活塞杆声发射状态监测技术的目的和意义在于： ( 1 ) 防止往复式压缩机事故，最大限度地保证往复式压缩机系统的安全性； ( 2 ) 降低系统维护的成本； ( 3 ) 减少设备的停机时间，提高设备利用率和生产率； ( 4 ) 实现工厂自动化，最大限度地减少人对往复式压缩机的干预； ( 5 ) 使整个生产在最优的条件下运行。 1 2 往复压缩机活塞杆监测与诊断技术研究现状与发展趋势 1 2 1 国内外往复压缩机活塞杆监测研究现状 随着近年来国内外机械故障监测诊断技术迅速发展，研究手段和方法的日新 月异，其应用已遍及各个领域，其中在往复式压缩机上的应用也取得了较大的进 展。一些国内的研究人员在压缩机常规性能参数的监测和控制方面做了大量工作， 以求改变目前压缩机的操作人员仅凭借经验判断故障的局面【5 】。但总的来说，由 于往复式压缩机是一组将回转运动变成往复运动的设备，其结构复杂，影响因素 众多，特别是由于活塞杆是运动部件，对其断裂之前的裂纹监测非常雠，而且 到目前为止还没有非常有效的方法可以直接监测到活塞杆从裂纹到断裂的动态过 程。对于这种检测，通常的方法都是在活塞杆箱体上布置位移传感器，通过监测 活塞杆的下沉量，了解活塞环、填料函、十字头滑块的磨损状况的同时，间接了 解活塞杆组件的运行状况。由于位移监测方法只对诊断活塞杆组件的磨损有一定 效果，所以这也只能是一种辅助方法。可见，尽管人们已对其进行了不少研究并 取得了一定的研究成果，但总体看来，可靠性还不够理想，难以实现长周期安全 运行，这与其在生产中的应用现状极不相符，故对于这方面的研究具有重要的意 义。 1 2 2 往复压缩机状态监测方法的评述 尽管对于直接监测往复压缩机活塞杆的办法还升i 多，但是往复式压缩机的状 态监测技术经过研究人员的不断努力已经取得了很大发展。这些方法对于活塞杆 的监测具有很好的借鉴意义。其实，活塞杆的监测也f 是往复式压缩机状态监测 技术的重要组成部分。我们要想解决活塞杆的监测问题，就必须首先了解压缩机 状态监测的相关方法。 六十年代，出现了设备状态监测与故障诊断技术，这种技术是指不分解和破 坏设备，采用现代化的技术和方法，在掌握设备的在线状态量的基础上预测故障 的原因及其发展趋势的技术。其根本目的是通过获得设备运行状态的真实信息保 证设备的正常运行，并对维修进行j 下确指导，减少甚至消除事故，从而提高生产 率，延长设备寿命，以获得最人的经济效益。 北京化工大学硕士学位论文第一幸睹论 设备状态监测与故障诊断过程中的信号获取、特征提取与状态识别是三个必 要的步骤。信号获取是将设备状态信息去除干扰后，转换为计算机可处理的信号， 并保证数据的真实性和可靠性；特征提取简言之就是借助于各种信号处理方法来 提取信号中反映设备运行状态的信息，即特征量；状态识别是根据前一步提取的 特征量与已有的正常或者故障的特征量进行匹配的过程，当所获取的特征量与正 常状态下的特征量一致时，则设备运行正常，当特征量部分相符时，说明设备可 能存在故障或者有发生故障的可能，当与故障特征量进行比较后出现相符情况时， 说明设备发生了相应故障，若部分相符，则说明可能存在相应的故障或者有发生 这种故障的可能。 按照测试参数方法的不同，可以把压缩机状态监测和故障诊断方法分为； 1 监测工况参数 对压缩机的排气量、排气压力、冷却水量、润滑油量等进行监测，从而查找 出相关部件的故障信息，用于监测工艺参数及压缩机的运行状态，这种方法的缺 点是缺乏对故障判断的准确性与预测性。 2 振动诊断方法 我们知道振动信号含有丰富的信息，它是旋转设备故障最灵敏、最有效的征 兆参数，多数故障都可以通过振动异常表现出来，而且监测振动信号的仪器设备 比较简单，信号分析技术比较成熟，在设备运转的过程中监测和诊断可以同时进 行，从而方便地实现了机器的在线监测。近年来，随着计算机技术的飞速发展， 通过软件方法实现信号分析可以大大降低成本，因此，在机器故障诊断中，这种 方法已成为主要手段。 1 ) 时域分析法 时域分析法包括时域波形的合成与分解、时域波形的形态分析、时域波形的 统计分析等。这种技术的优点是一目了然，容易理解，属于传统故障分析方法。 2 ) 频谱分析法 频谱分析作为信号处理的基本方法，它是把传感器获取并经过预处理的振动 信号通过一定的数学方法由时域变换到频域进行分析、比较，找出故障特征，从 而确定设备故障的类型。其中变换方法包括傅立叶变换、快速傅立叶变换以及加 窗傅立叶变换等。 3 ) p o i n c a r e 变换法 对于非线性情形的分析，由于不能量化特征信号，频谱分析方法效果并不理 想，但是，通过直接分析时序信号，可以较好地解决此问题，并且整个处理过程 的损失很小。p o i n c a r e 变换法把压缩机振动信号或其它设备信号当作一种非线性 信号，并通过它判断设备的工作状态，从而得出机器是否存在故障的情况，如果 有典型故障数据，还可以进行分析对比，判断故障类型。 4 ) 功率谱距分析法 由于压缩机故障诊断中的信号频谱成分相当复杂，因此确定频谱中每根谱线 的产生原因是很困难的。当设备发生故障时，信号幅值谱的分布会发生变化，采 北京化工大学硕士学位论文第一幸睹论 用功率谱进行分析可以使这种变化更加明显，因此，如果从信号功率谱的能量分 布分析，比较功率谱的能量分布与征常信号功率谱的结果，就可以知道故障是否 发生。可是，如果没有客观的指标来描述功率谱能量分布的变化程度，这种变化 情况就不易观察，而功率谱距是一种较好的谱距指标，通过它可以有效的识别设 备运转中存在的故障。 5 ) 包络分析法 传感器采集的振动信号是具有丰富载波分量的调幅波，为了分析信号中提取 的调幅波包络，可以通过检波滤波法消除这些载波成分的影响。在与f 常信号进 行分析、比较后，通过一个反映信号波形特征的指标来判断设备的故障情况。在 分析压缩机气阀弹簧失效的故障中，这种方法效果良好。 6 ) 时序模型参数与a r 谱分析法 时序模型参数和残差等通常可以反映机械装置运行状态的变化。时序建模方 法是用一种动态数学模型描述压缩机振动信号的变化规律，并据此构造出a r 谱， 相对于傅氏谱图，a r 谱图优势在于：傅氏谱对信号的加窗处理容易在谱图上产 生错误的图像；而建立在时序模型参数上的a r 谱分析不受数据长度影响，有利 于短时序列谱估计和故障信号的实时监测。此外，a r 谱优点还包括：它是一种 连续谱，谱线光滑，谱峰清晰，谱图的分辨率高，并且一目了然。a r 谱图上可 以比较清晰的体现出多种设备的故障情况。但其劣势是无法判别这些故障的种类， 给诊断带来了一定的麻烦。 3 温度监测 高速运转的往复式压缩机，许多零部件都工作在激烈的撞击和摩擦状态下， 所以这些部位状态变化可以通过温度反映出来。对于在线监测压缩机的十字头滑 块、活塞、活塞杆等部位的润滑、磨损及配合情况，以及反映冷却系统、气阀部 件的工作状态都是比较有效的。 4 铁谱分析 近年来，铁谱分析技术作为一种较新的动设备检测技术越来越多的应用于故 障监测中。它是利用高梯度强磁场将机器润滑油中所含碎屑按其粒度大小有序地 分离出来，通过对磨屑的形态、大小、成分、浓度和粒度分句等方面进行定性定 量观测，得到有关摩擦磨损状态的主要信息。铁谱分析的主要用途是监测压缩机 内部运动磨损状况的主要辅助手段。但这种方法也有一定的缺点：在没有其他检 测方法配合的情况下，采用铁谱分析不能准确地区分多个同种材质的摩擦引起的 磨损故障。 5 噪声分析 噪声是由振动引起的，本质上说它也是振动监测方法的一种。噪声的监测与 分析不但可以根据确定的噪声源采取相应的降噪措施；而且也可以利用噪声信号 判别机器是否存在故障以及故障类型。通常，异常噪声的出现往往会发生在机器 发生故障的时候。与振动监测法相类似，通过从噪声信号中提取特征信号，也可 以检测出机器故障的原因和部位。 4 北京化工太学硕士学位论文第一幸绪论 6 声发射检测方法( a e ) | 6 j 声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ) 是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹 性波的现象。声发射也称应力波发射。声发射是一种常见的物理现象，大多数材 料变形和断裂时有声发射发生，大多数金属材料塑性变形和断裂时有声发射发生。 但是许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听到，需要借助灵敏的电子 仪器才能检测出来。声发射波的频率范围很宽，从次声频、声频直到超声频，可 包括数h z 到数m h z ，其幅度从微观的位错运动到大规模宏观断裂，在很大范围 内变化，按传感器的输出可包括数uv 到数百m v 。它是一种动态无损检测方法， 声发射信号来自材料缺陷本身。用这种方法可以长期连续地监视缺陷的发展变化， 及时提出安全预报。这是其它无损检测方法难以实现的。本文f 是利用了声发射 的方法解决了活塞杆的在线检测问题，具体方法将在下面几章详细叙述。 按照分析推理方法的不同，可以把压缩机状态监测方法分为： 1 ，j 、波变换方法f 7 1 频谱分析是信号特征提取中的常用方法。傅立叶分析是基于统计特性的，可 以有效地分析不随时间变化的平稳信号，然而，在分析非平稳信号时，所分析的 频谱是在整个被分析时问段上的平均结果，对于信号的突变细节很难反映，实际 上，在整个被分析的时间段内，将短时突变信号平均后，能量会显著降低，很难 从谱图上辨别出是否存在故障。此外傅立叶变换不能进行时频分析，特别是在时 间轴上出现突变的非平稳信号，其频谱在整个频率轴上是比较分散的。因此g a b o r 引入了短时傅立叶变换，但由于这种时频窗是固定不变的，因而对于信号的突变 还是不能够反映出来。而全新的小波时频分析方法可把信号分解为一系列的具有 局部特征的小波函数，可以在很宽的频率范围内具有很好的分辨力，并且它具有 可调窗口的时、频局部分析能力，下面几个例子就是小波技术在往复机械上的典 型应用。用二进小波m a l l a t 算法进行分析和重构往复压缩机阀盖振动信号，从而 诊断出进、排气阀泄漏故障【8 】。小波包分解序列的顺序与频带线性划分顺序相对 应，形成诊断特征向量，诊断出柴油机气门间隙偏大、偏小、漏气及气门弹簧断 裂等故障【9 】。由柴油机飞轮瞬时转速作为气缸压力的函数，提出基于小波变换的 飞轮瞬时转速检测柴油机气缸动力性能方法，并采用d a u b e e h i e s l 0 小波窗函数得 出高精度的瞬时转速波形，可以正确识别出各种工作异常i i o 。在适当的参数条件 下利用非正交、冗余的高斯小波实现紧标架的性质，诊断出三缸往复泵的泵阀密 封胶圈蚀落而导致左吸入阀出现的故障i 。采用d a u b e c h i e s l 5 小波窗函数和先进 的多分辨分析原理，划分汽车发动机噪声作为细节信号，通过低频逼近信号诊断 发动机失火故障并检测多缸内燃机均匀性f l2 1 。通过小波分解和k u l l b a c k l e i b l e r 信息量方法分析柴油机的振动信号，诊断出喷油器针阀磨损等故障【”】。 2 故障树分析”刮 故障树分析法( f t a f a u l tt r e e a n a l y s i s ) 是一种将系统故障形成的原因由 整体到局部按树枝状逐渐细化的分析方法。这种方法可以判别系统的基本故障， 确定故障的原因、影响以及发生概率。故障树分析法可以预测和诊断机械设备( 系 北京化工大学硬士擘位论文 第一幸培论 统) 的故障，分析系统的薄弱环节，使系统最优化等。 3 人工神经网络分析”4 j 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 技术是基于神经科学研究的最新成 果而发展起柬的边缘学科，是对人脑某些基本特征的简单数学模拟。人工神经网 络具有并行分布式处理能力、联想记忆的容错能力、自组织自学习能力及较强的 非线性映射能力，在压缩机故障诊断和识别中可以发挥非常大的作用。由于压缩 机故障诊断技术的故障形成原因复杂，故障与症状问对应关系复杂，因此借助予 人工神经网络方法进行分类和识别可以很好地解决以上问题。此外，借助于人工 神经网络方法，通过对故障案例和故障诊断先验知识的训练和学习，用分布在网 络内部的连接加权节点表达所学习的故障诊断的知识，具有对联想记忆故障的能 力与模式匹配和相似归纳的能力，从而实现故障和征兆间复杂的非线性映射关系。 当前，人工神经网络在压缩机故障诊断领域以及其它各个领域的发展速度相当快， 具有广阔的应用前景。 4 人工智能专家系统【1 4 1 故障诊断专家系统是人工智能的一个主要分支，是一种以知识工程为基础的 智能化的计算机程序系统，它是计算机辅助诊断的高级阶段。它通过逻辑推理的 手段，以及“规则”、“框架”、“语义网络”等方式表达专家处理压缩机故障的知 识，通过搜索策略，控制正、逆向推理，完成对故障信号的识别。专家系统能够 将来自不同渠道、学科的专门知识和众多专家的经验汇集和管理，对于处理大量 知识和经验才能解决的问题具有相当的优势。这里知识库的好坏基本上决定了专 家系统功能的优劣，因此，专家系统知识库的知识越真实、越完全，则专家系统 的性能越高。反之亦然，所以目前的专家系统受此限制只能处理确定的故障。 1 2 3 往复压缩机活塞杆监测的发展趋势 为了使压缩机的活塞杆监测技术有实质性的进展，尽快出现成熟、商业化的 实用装置，以下几个方面是今后要努力发展的方向。f 1 5 j ( 1 ) 需要研究能直接监测活塞杆断裂前裂纹的方法。 ( 2 ) 用综合监钡9 手段，将温度、压力、位移、转速、振动、噪声、电流、电 压等多种监测法融合在一起，提高活塞杆监测的准确性。 ( 3 ) 利用网络技术，将压缩机的运行参数进行远程传输，在远离压缩机现场 的监控室罩，实现压缩机在线实时监测，及时发现故障，发出报警或紧急停车， 避免发生重大事故。 ( 4 ) 不断加入新的信息处理方法如小波包变换、神经网络、模糊诊断及功率 谱距等，以提高监测系统的准确性与可靠性。 ( 5 ) 友好的操作界面，尽可能高的操作可靠性； ( 6 ) 尽量减少维修或方便维修。 声发射检测技术的不断发展与先进的信号处理技术、人工智能技术的进步将 促进往复压缩机与活塞杆监测系统的发展和应用。诸如人工神经网络、专家系统、 北京化工大学硕士学位论文第一幸睹论 模糊逻辑、分形、混沌理论、小波分析和遗传算法有助于确定压缩机工作状态与 传感器数据之间的联系及提高特征提取。 1 3 目前存在的问题 综上所述，往复压缩机活塞杆监测技术在一些方面已经取得很大的进展，但 直接监测活塞杆断裂前裂纹还必需解决以下诸多问题： f 1 ) 如上所述，在众多的传感方式中，声发射方法以其灵敏度高，有一定的 抗干扰能力而倍受青睐。目前最有前途的是以水流为声波传播媒质的新型水声探 头，问题在于这种探头安装在压缩机活塞杆附近，还是会给工作过程带来不便。 ( 2 ) 对于往复压缩机活塞杆的声发射监测技术，急需探索出对活塞杆裂纹变 化反映敏感，且运算简便、实时性与抗干扰能力强的有效特征值。小波分析等先 进的信号处理技术为此提供了新的研究手段。 ( 3 ) 在活塞杆声发射监测的宽范围要求下，使得活塞杆声发射信号动态范围 非常大，常用的线性放大器易发生饱和现象。 ( 4 ) 对于活塞杆声发射监测，还没有使用简单方便、实用可靠的监控系统出 现，离实用化尚需距离。 1 4 本文的主要研究工作 往复式压缩机组的活塞杆声发射监测系统采用美国p a c 公司的油水冷却液 耦合声发射传感器和声发射采集系统作为硬件基础、美国n i 公司的l a b w i n d o w s c v i 作为上位机软件的丌发平台，两者紧密结合，构建出一套可以解决 活塞杆等运动部件直接在线监测的系统方案。构建该系统主要工作有： 围绕活塞杆的运动过程研究往复式压缩机的工作机理，包括连杆机构的受力 与运动分析。压缩机的工作循环过程。以及活塞杆的断裂力学基础和在此基础上 的声发射数学模型，为声发射信号的提取提供了理论依据。 研究传统声发射检测理论，包括常规的参数分析方法、波形分析方法以及声 发射信号的抗干扰理论。另外，由于系统采用了冷却液耦合式声发射传感器，需 要声发射波传播理论的支持，本文对这方面的情况也作了相应的研究与介绍。 监测系统的硬件部分主要由美国p a c 公司的声发射设备组成，其中关键部件 是冷却液耦合式声发射传感器以及p c i 2 型高性能声发射数据采集卡，软件由美 国n i 公司的l a bw i n d o w s c v l 为平台集成开发而成，系统实现了活塞杆的实时 在线监测、离线分析、闽值报警、历史数据记录等功能。 在软件的编制过程中，对活塞杆断裂声发射信号的特征值提取与分析也进行 了相关研究；此外，由于压缩机运转存在不可避免的噪声，我们对声发射信号的 小波降噪方法也作了一定研究，尽可能降低系统的误报率，提高系统可靠性。 北京化工大学硕士学位论文第二章往复压缩机活塞杆的原理及力学分析 第二章往复压缩机活塞杆原理及力学分析 2 1 往复压缩机活塞杆的工作原理 2 1 1 压缩机概述 压缩机的种类是多种多样的，按工作原理可分为速度型和容积型两大类。速 度型压缩机的工作原理是在高速旋转叶轮的作用下，气体得到巨大的动能，然后 气体在扩压器中急剧降速，使其动能转变为势能，即压力能。这类压缩机包括轴 流式压缩机和离心式压缩机。而容积型压缩机的工作原理是通过在气缸内作往复 运动或回转运动的活塞，使容积缩小，从而提高气体的压力。这类压缩机典型代 表就是往复式压缩机，它也是本课题的研究对象。 压缩机按结构型式1 6 1 的不同，分类如图2 - l 所示： 在本课题中，我们所要研究的往复式压缩机的结构原理筒图如图2 - ：2 所示， 组成如表2 - 1 所示 r 轴流式 f 速度型1 嘉篆萎 压缩机jf 滑片式 l 容积型，回转式t 薹磊萎 r 膜式 l 往复式_ l 活塞式 图2 - i 压缩机分类 气体出 4 5 78 ，9 ， j 一，! j 窿罄， 0 p 菇簸 1 一吸气阀；2 一排气阀：3 一气缸；4 一水套；5 一活塞：6 一填料函：7 一活塞杆 8 一十字头；9 一连杆；1 0 一曲轴：1 1 一机身：1 2 一基础 图2 2 往复式压缩机结构原理幽 地京化工大学咦士学往论文第二幸往复压墙机活塞杆的原理及力学分析 表2 - 1 活塞式压缩机的组成 基本结构主要部件作用 传递动力并连接基础与气缸部分。将电动 机身、曲轴、连杆、十字头、活 基础部分 机轴的旋转运动变成十字头的往复直线运 塞杆等部什 动，从而推动活塞在气缸中的移动 气缸、气阀、活塞、活塞环、填 气缸部分 形成压缩容积和防j r 气体泄漏 料、填料函等部件 冷却器、滤清器、缓冲器、安全 辅助部分阀、油泵注油器、液气分离器、保证压缩机安全、可靠运转 排气量调节装置及各种管路系统 往复式压缩机的适用范围与其它类型的压缩机相比具有如下特点【”1 ： ( 1 ) 压力范围较大：从低压到超高压往复式压缩机都可以应用，目前工业上 使用的最高工作压力达3 5 0 m p a ，在实验室中，可以达到更高使用压力。 ( 2 ) 效率高：往复式压缩机相对于其它压缩机具有更高工作效率。 ( 3 ) 适应性较强。往复式压缩机可在较广泛的范围内选择排气量。特别是当 排气量较小的情况下，离心式压缩机几乎是不可能做到的。另外，气体的密度对 于往复式压缩机性能的影响比离心式压缩机的影响小得多，因此，在同一规格下， 压缩不同介质时，往复式压缩机比其它压缩机更易改造。 往复式压缩机的主要缺点是：重量与外形尺寸较大，安装时需要较大的基础 部分，并且零件容易发生损坏。 2 1 2 往复压缩机活塞杆相关机构的运动分析 一般通过曲柄连杆机构的几何关系和运动关系可以确定活塞杆的位移、速度 和加速度。图2 3 为立式往复压缩机简图。活塞杆尾端( 与十字头连接处) 离 曲轴中心最远的位置( 图中爿点) 称为外止点，离曲轴中心最近的位置( 图中曰 点) 称为内止点。设曲柄销旋转半径为r ，图中a b 称为活塞行程，其中a b - - - - s = 扫。活塞杆尾端处于外止点时的曲柄销转角为d ，这里我们规定为0 。，任意 位置的a 角，都是由口= 0 。起沿曲柄旋转方向进行计算。每当曲柄销转过a ，连 杆就相应摆过p ，此时活塞杆尾端位置由爿移至c ，设连杆长= 为，a c = x ， 贝0 ： x = a o c o = a o 一( c e + e 0 1 = l + r 一( 1 c o s f l + r c o s c r ) f 2 一l 一1 1 北京化工大学嘎士学位论文第二幸往复压嫱机活塞杆的原曩及力学分析 i 图2 - 3 曲柄连杆机构运动示意图 当曲轴以h 妇州) 做等角速度旋转时，则角速度。为： d a玎厅 国2 面2 丽， 又取旯= r t ，其中兄称为连杆长径比，为曲柄销旋转半径，z 为连杆长度。 这里活塞式压缩机的五值的范围基本上在1 3 5 1 6 0 内，压缩机的转速越高则z 取值就越大。 由图2 3 可知： d e = ，s i n p = r s i n a 即 s i n p = 2 s i n a 因 c o s f l = 撕一s i n 2 故c o s , f l = 4 1 一刀s i n 2 口 将上式等式右边进行二项式展开得到无穷级数，即： 、1 - ) 2s i n 2 a ：l 一2 2s i n 2 a 一；ps i n 4 a 一 24 可见，上式右边每项的值依次逐项递减，如果忽略 项上的各阶微小项，可以 得到c o s f l 的近似式为： c 。s 卢* l 一昙牙s i n z d 下面是对活塞杆尾端处c 点的运动关系的研究 ( 1 ) 活塞杆位移x 与曲柄销转角口之间的关系式 将上述的近似关系式代入式( 2 1 - 1 ) ，可得： 些室鱼兰查堂翌兰堡垒兰苎苎主苎墨垦竺垫堕查堑竺查苎墨! ! 坌堑 或写成： x z i ( i + a c o s f l a c o s a l 十* 去廊丽) 犯小2 曲 若把式( 2 1 2 ) 或式( 2 1 2 a ) 改写成活塞相对位移叫r 的形式，可得： 詈* ( 1 - - c o s 口) + 三( 1 - c o s 2 a ) ( 2 - 1 - 2 b ) 或 詈小去- ( c o s q ! + 1 、1 - 2 2 s i n 2 a p m c ， ( 2 ) 活塞杆运动速度c 与曲轴销转角a 之间的关系式 将式( 2 1 2 ) 对时问f 求导数，即得活塞运动速度c 的近似计算式： c ：堕：立，d _ a ：，fs i n a + 兰s i n 2 a 塑 。, i td ad t l 。2 jd t 纠一3 1 = ，a ( s i n a + 争z 司 利用式2 - 1 2 a ，活塞运动速度c 还可写成： c ：一d x ：鱼堕：r s i n a + 上as i n a c o s 口j 仁瓦d a 百。1 8 面肌m 蛐j ( 2 1 - 3 a ) ：，sinacosfl+cosasinfl：to)sin(a_+-f1)，删s c o s c o s p 根据上式，在已知曲柄销旋转半径r 与角速度。的情况下，若知道掣 c o s 廿 的值，就可以得到曲柄销在任意转角口时的瞬时活塞杆的速度。 ( 3 ) 活塞杆运动加速度j 与曲柄销转角口之间的关系式 将式( 2 1 3 ) 对时i 训f 求导，可以得到活塞运动加速度j 的近似计算式 j ：坐：鱼塑：r 0 ) 2 ( c o s 口+ 3 , c o s 2 a ) ，m s ( 2 1 4 ) 。d td ad t 、7 式中，r 国2 为f 打柄销中心点d 作旋转运动时的法向加速度。 p 叫 蛇 叶 一 甜知 牙一：卜 鲋 ， o 。 ( 3 ) 在排气量相同的情况下，由于压力比不同，不但使实际压缩循环所消耗的 功量比理论循环所消耗的功量多；而且使气体实际排出温度乃比理论循环的排气 温度高。 ( 4 ) 在整个膨胀和压缩过程中，由于实际情况复杂，多变指数并非定值。例如 膨胀开始时，气体温度高于缸壁温度，多变指数m k ，此时为放热过程；随着气 体继续膨胀，气体温度很快下降并低于壁温，多变指数m s ，的情况，这时，。 0 ，这时相当于声波遇到了“软” 边界。根据声学理论知道【5 4 】， 在软边界面上，反射波的质点 速度与入射波的质点速度同相 位，反射波的声压与入射波的 声压相位相差1 8 0 。因此， 对于冷却液耦合声发射传感 北京化工太学硕士学位论文第三幸活塞杆产发射生测的理论基础 器，在保证空间要求的条件下，应尽量使传感腔最小化，使s ：尽可能的接近s 。， 这样对于声波尽量多的透射入传感腔非常有利。 3 2 ，4 液体一固体界面上的反射与折射 当声波到不同介质的交界面入射时，界面会对波的传播产生重要的影响。通 常，在固体介质的表面会发生波形转换、传播方向改变和能量的再分配f 5 4 】f 5 7 】。如 图3 5 中，当声发射波通过管道传入敏感元件腔，并到达敏感元件表面时声发 射波由流体介质进入固体介质，并在交界面处发生反射与折射。下面来进一步研 究这一问题。 如图3 - 6 所示，设x y 平面为液体和固体的交界面，而z 方向为界面的法向。 z x 平面为入射平面波波阵面的法线方向。 平面波从声阻抗为风的液体中入射到液体和固体的交界面上，固体声阻抗 为一。p 若液体中声波的入射角表示为b ，反射角表示为口，固体中纵波折射角 表示为q ，纵波速度表示为c i ，横波折射角表示为q ，横波波速表示为q 。声波 传输的几何性质与其他的波传输性质相同，即符合斯涅耳定律。但当沿倾斜角达 到固体介质的表面时，声波就会改变其传输模式( 例如，从压力波转变为剪切波， 或者由剪切波转变为压力波) 。传输模式的变换还导致传输速度的变化，此时应将 新的速度代入斯涅耳公式。于是有： !咝：sinorsino， s i n a , n 一，一18 j c 0c oc ，c ， r 7 以妒表示液体中纵波势函数，以表示固体中纵波势函数，以妒表示固体中 横波势函数，则平面声波在边界上进行反射和折射后满足波动方程的解。 ( 3 2 - 1 9 ) 式( 3 2 1 9 ) 中方程具有与式( 3 - 2 6 ) 形式相同的解。这样可以得到入射声波位移势为 妒i = 妒。e 【“一( ”q ) ( 。8 0 , - s i n 6 , ) 】( 3 2 2 0 ) 以_ 表示反射系数，则反射声波位移势为 竹= ( o i o r t g 如( ”“j 3 8 训】( 3 2 2 1 ) 液体中总声波势为 妒= 妒：+ 妒， ( 3 2 - 2 2 ) 皇，兰r堑炉塑掰塑形盟掰，一，一茸。一， i i 1 i = 缈 妒 妒 v 甲 矿 北京化工大学硕士学位论文第三幸活塞杆声发射监测的覆论基础 在固体中，用和，分别表示纵波和横波的折射系数，则纵波与横波的位移势为 妒= 许o 8 牺( 叫) ( 一5 q ”洲 ( 3 2 2 3 ) y = 妒l ，e j , o ( ) ( 。8 q 1 “日 1 ( 3 2 2 4 ) 上面波动方程的各个解必须满足边界条件。液体和固体界面上的边界条件是 应力和位移的法向分量连续。另外，由于液体中不存在切向应力，则切向应力分 量连续就等价为边界的切向应力为零。根据这三个条件可分别得到下面三个方程。 由法向速度连续可得 塑：型：塑 f 3 2 2 5 ) 由切向应力为零可得 粤+ 2 塑+ 磐：0( 3 - 2 - 2 6 ) o x 2t o x o zo z 2 、 由法向应力连续可得 “v 2 妒= 一却p 2 卿叫碧+ 急 ( 3 - 2 - 2 7 ) 将方程( 3 2 2 0 ) 一( 3 - 2 2 4 ) 和( 3 2 2 5 ) 一( 3 - 2 2 7 ) 联立可以解得： _=焉等鬻(3-2-28cos s i n ， 2 ， 2 2 臼，+ z ， 22 舅+ z 。 。 仁鲁丽去彘(3-2-29p c o s2 0 ； ， l：， 2 + z fs i n 22 只+ z o 仁一鲁，丽孝( 3 - 2 - 3 0 ， 式中 = 盟，z ，= 盟，z ，= 盟(3231)go c o s 0 ；c o s 0 1c o s 0 t 一，一一l j z 一 这就是声波由液体中入射到固体时的传播特性。下面讨论一f 垂直入射情况，当 只= 0 时，由斯涅耳公式( 3 2 一1 8 ) 可得，这时只= q = q = 0 ，这时 n ：三 鱼：p l c ；- p o c o f 3 2 3 2 ) ，：二l ：堑鱼( 3 - 2 3 3 ) z f + z op 1 c | + p o c 。 ，= 0 北京化工大学硕士学位论文第三幸活塞杆声发射直测的理论基础 即平面波垂直入射时，在固体中只出现纵波，没有横波。根据这一原则，在冷却 液耦合声发射传感器中应使传感元件的接收面与传感腔的出口方向垂直。这就避 免由于液体中的纵波倾斜入射引起的波形转换，减小接收波形的失真。 前面在探讨两种媒质界面处的声波传播特性时，都提到了声学的连续性条件， 因此在应用这种传感器时，应尽量保证液体流量充足，使传感腔内有足够的压力， 以保持液体与传感元件之间的恒定接触，满足连续性的声学边界条件。另外，冷 却液管道的弯曲在实际使用中会使声波在管道中传播时发生反射和折射，使声波 能量受到损失。综上所述，对于冷却液耦合声发射传感器，应尽量提高传感器的 灵敏度。 另外，冷却液的喷射速度的变化、冷却液相对于活塞杆表面的喷射角度的变 化都会影响冷却液液体柱与固体表面的接触面积和固体表面附近液体柱的密度， 它们对固体中的声发射表面波向液体中辐射的能量的影响很大啪 。 32 5 固体中声波的传播规律 由声学理论可知 5 4 j ，固体中的弹性波有纵波和横波，横波的速度约为纵波速 度的6 0 左右。这些声波碰到固体与空气接触的自由表面时会产生表面波。表面 波的特征是沿着表面传播，其振幅随着它离表面深度的增加而迅速减弱，表面波 的速度约为横波速度的9 0 左右。同时声波遇到界面会发生反射与折射。由上面 的分析知道，这时，反射波还会发生横波与纵波模式的相互转换，因此，固体中 声