【壓縮機網(wǎng)】往復壓縮機是一種在石油、化工、天然氣儲運、冶金、制冷等國民經(jīng)濟領(lǐng)域廣泛應用的通用動(dòng)力機械，具有流量范圍寬、壓力范圍廣、壓縮效率高等突出優(yōu)勢。雖然往復壓縮機應用優(yōu)勢明顯，但其也存在振動(dòng)大、易損件多、檢修周期短等問(wèn)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(shí)有發(fā)生。開(kāi)展往復壓縮機故障監測診斷技術(shù)的研究與應用是減少壓縮機惡性故障發(fā)生、保障機組安全穩定運行的必由之路。

　　往復壓縮機常見(jiàn)故障類(lèi)型，可分為泄漏類(lèi)、磨損類(lèi)、斷裂類(lèi)、松動(dòng)類(lèi)、沖擊類(lèi)、堵塞類(lèi)等。根據發(fā)生部位，分為氣閥類(lèi)、傳遞部件類(lèi)、密封組件類(lèi)等。往復壓縮機故障種類(lèi)雖然很多，但按照監測的狀態(tài)參數大致可分為兩類(lèi)：熱力性能故障和機械性能故障。熱力性能故障可以從壓縮機熱力性能參數的變化上體現出來(lái)，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(guò)監測進(jìn)、排氣溫度、氣缸壓力、潤滑油溫度、壓力等進(jìn)行改善，監測對象包括氣閥、填料函、活塞環(huán)、軸承等。機械性能故障可以從往復壓縮機機械性能參數的變化上體現出來(lái)，如由于零部件磨損斷裂而引起的沖擊和振動(dòng)。當然，某些故障所體現的征兆也會(huì )同時(shí)反映在熱力參數和動(dòng)力參數的變化上。

　　往復壓縮機的狀態(tài)監測和診斷方法有很多，目前通常使用在線(xiàn)監測診斷方法，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集壓縮機的工況信息，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壓縮機監測信號包括鍵相信號、振動(dòng)信號、壓力信號、溫度信號等，結合壓縮機的實(shí)際結構，可按鍵相信號、氣閥溫度信號、氣缸動(dòng)態(tài)信號、活塞桿位移信號、十字頭振動(dòng)信號、缸體振動(dòng)信號、曲軸箱振動(dòng)信號、機組主軸承信號進(jìn)行在線(xiàn)監測測點(diǎn)的布局。

 

　　一．基于振動(dòng)信號的監測診斷技術(shù)

　　首先是基于振動(dòng)信號的氣閥故障診斷方法的應用。氣閥的故障是往復壓縮機最常見(jiàn)的故障，個(gè)別機組氣閥故障數量占故障總數的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(dòng)信號，通過(guò)提取振動(dòng)信號的特征反映氣閥的工作狀態(tài)，因而信號具有調制的特點(diǎn)。針對調制的特點(diǎn)，目前普遍使用的方法是通過(guò)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(shí)域特征指標來(lái)分析故障。因為伴隨著(zhù)設備工況的變化，載波的頻帶會(huì )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(shí)際應用帶來(lái)了很多不便。在實(shí)際運用中，采用多次帶通濾波，對能量最大的一個(gè)頻帶進(jìn)行包絡(luò )解調的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)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(dòng)信號噪比低，而且對實(shí)時(shí)性要求高，這就限制了該方法在氣閥故障診斷中的應用。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，對應的幅值誤差太大，并且計算速度較慢。而近年來(lái)，研究的方法采用從信號包絡(luò )解調的精度和運算的實(shí)時(shí)性?xún)煞矫婵紤]，將能量算子作為包絡(luò )解調的方法，在包絡(luò )解調之前的信號預處理中，使用小波包變換技術(shù)來(lái)避免人為確定特征帶的問(wèn)題，將提升方法引入小波包變換中，來(lái)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 )解調分析方法，將此技術(shù)用于往復壓縮機氣閥振動(dòng)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(mǎn)意的結果。

　　能量算子是在研究非線(xiàn)性語(yǔ)音建模時(shí)引入的一種調制信號的分離方法，用于分析和跟蹤窄帶信號的能量，在調制作用的結果中，可以解調出信號的幅值及瞬時(shí)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(shí)時(shí)監測診斷應用中更有優(yōu)勢。采用小波包變換與能力算子相結合的包絡(luò )解調分析框架，解決了對信號包絡(luò )解調前，需要人為確定載波帶對信號進(jìn)行帶通濾波的問(wèn)題，不僅應用于氣閥的故障診斷分析，還可以用于旋轉機械的滾動(dòng)軸承和齒輪箱故障分析。

　　其次是基于振動(dòng)信號的連桿小頭瓦故障診斷的應用，往復壓縮機在運行過(guò)程中，驅動(dòng)機的旋轉運動(dòng)最終轉化為活塞的往復運動(dòng)；運動(dòng)形式的轉換過(guò)程中，連桿是通過(guò)十字頭銷(xiāo)將動(dòng)力傳遞到十字頭及活塞上的，同時(shí)，氣動(dòng)力、活塞力也通過(guò)十字頭銷(xiāo)最終傳遞至連桿及曲軸上。因此，十字頭銷(xiāo)可以看做力傳遞的樞紐。當十字頭銷(xiāo)受到的連桿力為零時(shí)，對它的曲柄轉角即為連桿小頭瓦轉向角。機械結構中的圓柱轉動(dòng)副可視為滑動(dòng)軸承，連桿小頭處活塞銷(xiāo)長(cháng)度約為連桿小頭寬度的3倍，為了裝配需要和保證兩構件在工作過(guò)程中的相對轉動(dòng)，轉動(dòng)副中軸徑和軸承之間存在一定間隙，當轉動(dòng)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(shí)，間隙對機械系統的動(dòng)力學(xué)響應的影響顯著(zhù)增強。間隙的存在使轉動(dòng)副中多了兩個(gè)自由度，即少了兩個(gè)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(dòng)副是用來(lái)連接兩個(gè)物體并傳遞力或力矩的，當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(guò)間隙后直接發(fā)生碰撞；從而引起力和加速度出現較大的異常波動(dòng)并伴有較大的幅值。間隙增大，對十字頭加速的影響增強，波動(dòng)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(dòng)換向點(diǎn)附近。在有磨損間隙的工況下，十字頭必然會(huì )在其運動(dòng)的反向點(diǎn)附近產(chǎn)生短時(shí)高頻振動(dòng)，并通過(guò)與其連接的十字頭滑道傳遞到機體表面。所以，在往復壓縮機十字頭滑道的正上方的機體表面安裝加速度振動(dòng)傳感器，監測振動(dòng)信號的時(shí)域波形，當發(fā)生小頭瓦磨損故障，可在時(shí)域波形中看到在十字頭的運動(dòng)換向點(diǎn)附近出現大的振動(dòng)沖擊信號，采用振動(dòng)信號角域分析的小頭瓦磨損故障診斷方法在實(shí)際運行中是可行的。

 

　　二．基于活塞桿位移信號的監測診斷技術(shù)

　　1.活塞桿自激振動(dòng)特征提取方法

　　自激振動(dòng)是某些系統在輸入和輸出之間具有反饋特性并有能源補充，從而引起振動(dòng)的?；钊麠U部件在實(shí)際運動(dòng)的過(guò)程中，由于活塞和十字頭受到摩擦力的作用，會(huì )產(chǎn)生自激振動(dòng)?；钊麠U自激振動(dòng)會(huì )產(chǎn)生相應的頻率，這位提取診斷活塞桿類(lèi)故障的特征參數提供了相應的參考。

　　2.基于活塞桿軸心軌跡的故障診斷方法

　　對于往復壓縮機故障而言，必須能夠從活塞桿軸心位置軌跡提取必要的特征參數來(lái)反映設備的運行狀態(tài)?；钊麠U軸心位置的變化與每一時(shí)間點(diǎn)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(shí)可以把活塞桿看做簡(jiǎn)單的超靜定梁，其十字頭端可作為活動(dòng)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。對于往復壓縮機，如果活塞桿撓度較大，會(huì )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(huì )大大降低，嚴重影響壓縮機的工作效率，也會(huì )危害到設備及人的安全，因此，控制活塞桿的撓度極為重要。在實(shí)際工作中，采用繪制活塞桿正常和故障時(shí)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(shí)現活塞桿運行狀態(tài)的早期預警功能。

　　3.基于活塞桿位移信號的松動(dòng)故障診斷方法

　　活塞桿在往復壓縮機中是否連接活塞和十字頭的零件。在壓縮機運行過(guò)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(dòng)過(guò)程中易引起應力集中。這些位置都是活塞桿發(fā)生跳動(dòng)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(diǎn)檢測?；钊麠U跳動(dòng)故障會(huì )引起整個(gè)活塞桿組件的加速度值增大，從而導致振動(dòng)增大，并且隨著(zhù)跳動(dòng)量的增加，振動(dòng)更加強烈。此外，活塞桿的應力應變也會(huì )隨著(zhù)跳動(dòng)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力集中明顯，易發(fā)生斷裂的危險?；钊麠U跳動(dòng)故障的模擬分析結果與實(shí)際故障的狀態(tài)監測具有高度一致性，采用動(dòng)力學(xué)和有限元分析聯(lián)合仿真的方法對研究不同類(lèi)型的活塞桿故障具有指導意義，可以分析活塞桿在不同故障形式下的應力應變變化，為活塞桿各類(lèi)故障的事故預防和故障診斷在線(xiàn)監測技術(shù)推廣應用奠定基礎。

　　4.基于活塞桿軸心振動(dòng)能量的故障診斷方法

　　目前，國內外在役的往復壓縮機故障在線(xiàn)監測診斷系統，都對活塞桿位移，包括縱向下沉與橫向偏擺信號進(jìn)行監測。使用的傳感器為非接觸式的電渦流傳感器，通過(guò)兩個(gè)方向的位移傳感器，實(shí)現活塞桿運動(dòng)過(guò)程中活塞桿相對傳感器位置變化信號的在線(xiàn)監測。常規位移量監測方法屬于相對參數監測，即傳感器實(shí)時(shí)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。在往復壓縮機實(shí)際故障監測診斷中，基于活塞桿振動(dòng)能量指數的方法可提取活塞桿軸心振動(dòng)能量，軸心軌跡面積和單一方向振動(dòng)能量參數，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，對故障監測效果較好，特別對斷裂、撞缸故障更加敏感。從實(shí)際運行結果來(lái)看，活塞桿振動(dòng)能量伴隨故障變化呈現出逐漸增大的趨勢，故障預警效果相對較好，對完善在線(xiàn)監測系統的活塞桿監測報警參數，聯(lián)鎖保護系統控制參數具有積極意義，可有效彌補現有機組殼體振動(dòng)裂度對故障早期反應不敏感的問(wèn)題，提高在線(xiàn)監測系統與聯(lián)鎖保護系統故障預警、停車(chē)的準確性。

 

　　三．基于閥蓋溫度信號的監測診斷技術(shù)

　　氣閥是往復壓縮機故障率最高的部件，氣閥故障會(huì )直接影響壓縮機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)嚴重的拉缸、撞缸故障，甚至導致壓縮機爆炸事故。因此，氣閥故障的早期故障預警與診斷意義顯著(zhù)。氣閥閥蓋溫度數據直接反映閥腔內的介質(zhì)溫度和氣閥的工作情況，同時(shí)氣閥閥片運動(dòng)過(guò)程中與閥座、升程限制器發(fā)生碰撞，因此缸體振動(dòng)傳感器也可對閥片工作情況進(jìn)行監測。

　　在實(shí)際的往復壓縮機氣閥故障監測中，仍依賴(lài)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(shí)結合氣閥溫度數據和缸體振動(dòng)數據才能判斷，但是這兩類(lèi)數據常常因為如現場(chǎng)干擾、負荷調節等一些原因存在變動(dòng)，需要診斷專(zhuān)家完成人工診斷；二是不同往復壓縮機缸體上的氣閥個(gè)數不一致，也很難建立一般的智能分類(lèi)器，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )或支持向量機，實(shí)現氣閥故障診斷。

　　實(shí)際工作中，往復壓縮機在線(xiàn)監測系統實(shí)現了氣閥閥蓋溫度的實(shí)時(shí)監測，但報警方式采用單一特征值過(guò)線(xiàn)報警，而相關(guān)報警線(xiàn)設置工作復雜，同時(shí)受工況影響，也存在報警延時(shí)問(wèn)題。氣閥正常工作時(shí)，氣閥溫度存在季節性、晝夜性、工藝性以及其它原因等的變化和波動(dòng)，但是同類(lèi)氣閥之間具有波動(dòng)起伏一致的特點(diǎn)；當缸體的某氣閥發(fā)生故障時(shí)，該氣閥溫度會(huì )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(diǎn)。根據這個(gè)特點(diǎn)，實(shí)際工作中可提取能夠反映這個(gè)特點(diǎn)的特征參數，實(shí)現故障異常監測，進(jìn)一步對故障氣閥進(jìn)行自動(dòng)定位，實(shí)現故障早期快速報警。

 

　　四．基于氣缸動(dòng)態(tài)壓力信號的監測診斷技術(shù)

　　1.基于仿真動(dòng)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(dòng)力的關(guān)鍵節點(diǎn)，由于往復壓縮機大都具有強制潤滑功能，大頭瓦磨損在機組處于穩定工況下時(shí)不易發(fā)生。但由于往復壓縮機的工況隨生產(chǎn)改變得較為頻繁，氣缸內工作狀態(tài)不穩定，從而直接影響曲柄連桿結構的動(dòng)力學(xué)行為。在這樣的工況下，大頭瓦瓦面巴氏合金長(cháng)期受動(dòng)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，疲勞面將快速擴展，進(jìn)而惡性循環(huán)導致大頭瓦快速失效。因此，振動(dòng)監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(shí)驗難度大，同時(shí)易引發(fā)曲軸表面拉傷，因而，在實(shí)踐中，會(huì )采用相關(guān)類(lèi)似的故障機作為分析對象，采用模擬動(dòng)態(tài)壓力仿真技術(shù)，建立往復壓縮機關(guān)鍵運動(dòng)部位受力模型，完成連桿大頭瓦動(dòng)態(tài)載荷分析，實(shí)現早期預警與診斷。

　　2.基于實(shí)測動(dòng)態(tài)壓力的故障診斷方法

　　基于動(dòng)態(tài)壓力測量的示功圖監測和分析是往復壓縮機狀態(tài)監測與故障預警的重要工具；尤其是通過(guò)示功圖可以更靈敏、更早期地監測效率的變化，更早期地對氣閥泄漏等可能造成爆炸事故的嚴重故障進(jìn)行預警。示功圖是指在往復壓縮機的一個(gè)循環(huán)中，氣缸內氣體動(dòng)態(tài)壓力隨活塞位移而變化的循環(huán)曲線(xiàn)?？捎脛?dòng)態(tài)壓力傳感器測量動(dòng)態(tài)壓力，鍵相傳感器測量飛輪轉動(dòng)角度換算成形程或體積來(lái)實(shí)現示功圖的監測。大量的實(shí)踐表明，往復壓縮機氣體壓縮過(guò)程出現的異?；蚬收?，示功圖都會(huì )表現出不同的形狀。能夠遠程監測示功圖，且靈敏、定量地監測出示功圖形狀的異常，就可以提高監測系統的故障預警能力，利用現代圖形變換和統計模式識別的方法來(lái)實(shí)現其監測、異常識別，達到往復壓縮機故障早期識別的目的。

 

　　五．基于聲發(fā)射技術(shù)的活塞桿斷裂的預警技術(shù)

　　當固體材料受到力作用時(shí)，由于內部缺陷的存在或微觀(guān)結構的不均勻性，會(huì )產(chǎn)生應力集中，使塑性變形加大或形成裂紋與擴展，這時(shí)會(huì )釋放出彈性波，這種現象稱(chēng)為聲發(fā)射?；钊麠U在周期性非對稱(chēng)拉---壓載荷下產(chǎn)生裂紋及裂紋擴展，會(huì )產(chǎn)生聲發(fā)射現象。聲發(fā)射信號的產(chǎn)生率是變化無(wú)常的，活塞桿的裂紋擴展過(guò)程產(chǎn)生是聲發(fā)射信號是連續的。裂紋疲勞擴展到一定程度后擴展速度會(huì )加快，這與應力強度的大小有很大關(guān)系，而裂紋疲勞擴展可以通過(guò)聲發(fā)射參數反映出來(lái)，這是通過(guò)聲發(fā)射技術(shù)對活塞桿的疲勞斷裂進(jìn)行預測的主要依據。嚴格來(lái)說(shuō)，沒(méi)有裂紋的活塞桿應該沒(méi)有聲發(fā)射現象，但因活塞桿加工質(zhì)量問(wèn)題，存在一些細小的裂紋，會(huì )有少數聲發(fā)射現象。聲發(fā)射特征參數中幅度和能量對有無(wú)裂紋都很敏感，由于幅度計算相對簡(jiǎn)便，采用幅度作為監測參數來(lái)判斷活塞桿有無(wú)裂紋。聲發(fā)射的能量和計數會(huì )隨裂紋擴展程度的增加而增大，可以通過(guò)兩者趨勢的變化程度來(lái)預測活塞桿的使用壽命?；钊麠U不同部位裂紋的聲發(fā)射特征參數基本相同，說(shuō)明當螺紋連接部位出現裂紋后，應變率、疲勞次數同樣會(huì )與聲發(fā)射計數、能量有對應關(guān)系。

　　設備故障診斷的發(fā)展方向一直是：不斷尋求解決工程實(shí)際難題的方法與技術(shù)。往復壓縮機隨著(zhù)在線(xiàn)監測診斷系統技術(shù)的發(fā)展推廣應用不斷地豐富完善，故障診斷專(zhuān)家系統、故障智能保護系統的研發(fā)與應用是發(fā)展的必然趨勢。

 

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