往复压缩机故障诊断技术研究

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1、 往复压缩机故障诊断技术研究往复压缩机故障诊断技术研究 摘摘 要：按照机械故障诊断的技术路线，结合往复压缩机故障特点，分别就诊断要：按照机械故障诊断的技术路线，结合往复压缩机故障特点，分别就诊断 信号选择、故障文档的建立、状态识别技术的应用等过程中一些具体问题展开信号选择、故障文档的建立、状态识别技术的应用等过程中一些具体问题展开 了较深入的研究，提出采用阀腔脉动压力作为诊断信号，通过计算机仿真建立了较深入的研究，提出采用阀腔脉动压力作为诊断信号，通过计算机仿真建立 故障文档，将模糊诊断与人工神经网络结合等新观点，这些观点将有利于推进故障文档，将模糊诊断与人工神经网络结合等新观点，这些观点将有

2、利于推进 往复压缩机诊断技术的发展。往复压缩机诊断技术的发展。 “ w( % b X+ A3 i* K 关键词：往复压缩机关键词：往复压缩机 故障故障 诊断技术诊断技术 1 l e- |8 G# O9 A$ w1 诊断信号选择与特征信息提取技术诊断信号选择与特征信息提取技术 * p1 _. y y) p1 X- _8 Y$ C 在旋转机械故障诊断系统中，通常选用振动信号作为诊断信号，通过对振动信在旋转机械故障诊断系统中，通常选用振动信号作为诊断信号，通过对振动信 号的有效处理来达到识别故障的目的。就往复机械而言，由于其结构的复杂性、号的有效处理来达到识别故障的目的。就往复机械而言，由于其结构的

3、复杂性、 振源的多样性及故障类型的多样化，完全依靠振动信号进行诊断并不一定可行，振源的多样性及故障类型的多样化，完全依靠振动信号进行诊断并不一定可行， 正确的方法应是根据故障类型的特点选择相应诊断信号。正确的方法应是根据故障类型的特点选择相应诊断信号。 8 X, n3 n/ 2 v1 S8 E W 往复压缩机常发生的故障有：气阀故障，活塞环故障，填料函故障，冷却水路往复压缩机常发生的故障有：气阀故障，活塞环故障，填料函故障，冷却水路 故障，吸气滤清器故障，连杆大小头与轴承之间过度磨损，十字头销与衬套过故障，吸气滤清器故障，连杆大小头与轴承之间过度磨损，十字头销与衬套过 度磨损，连杆螺栓及十字头

4、螺栓松动，活塞杆下沉及裂纹等。据统计，往复压度磨损，连杆螺栓及十字头螺栓松动，活塞杆下沉及裂纹等。据统计，往复压 缩机有缩机有 60以上故障发生在气阀上，而活塞杆断裂事故占重大事故的以上故障发生在气阀上，而活塞杆断裂事故占重大事故的 25左左 右，因此，能够及时发现气阀故障及诊断出活塞杆的裂纹存在对于压缩机的安右，因此，能够及时发现气阀故障及诊断出活塞杆的裂纹存在对于压缩机的安 全运行无疑是十分重要的。根据压缩机故障特征可将机械故障分成两类，一类全运行无疑是十分重要的。根据压缩机故障特征可将机械故障分成两类，一类 是带有流体性质的，属于机器热力性能故障，其主要表征是排气量不足，压力、是带有流体

5、性质的，属于机器热力性能故障，其主要表征是排气量不足，压力、 温差异常，产生的原因主要是气阀，活塞环，填料函，冷却水路，吸气滤清器温差异常，产生的原因主要是气阀，活塞环，填料函，冷却水路，吸气滤清器 等部位发生故障，可采用参数法进行诊断；另一类是带有机械性质的，属于机等部位发生故障，可采用参数法进行诊断；另一类是带有机械性质的，属于机 器动力性能故障，主要表征是机器工作时异常的响声、振动和过热，产生的原器动力性能故障，主要表征是机器工作时异常的响声、振动和过热，产生的原 因主要是运动部件配合间隙的变化，结构的裂纹等，它可采用振动法来进行诊因主要是运动部件配合间隙的变化，结构的裂纹等，它可采用振

6、动法来进行诊 断断 1。事实上，只要机器有故障存在，它就会引起其热力性能和动力性能变化，。事实上，只要机器有故障存在，它就会引起其热力性能和动力性能变化， 但反映的力度并不相同。但反映的力度并不相同。4 a K: r# v) 5 L; s, w运用参数法诊断机器热力性能故障时，可选用的参数很多，如电力参数，热力运用参数法诊断机器热力性能故障时，可选用的参数很多，如电力参数，热力 性能参数，气缸压力信号等，它们都具有各自的特点和适用范围。目前采用较性能参数，气缸压力信号等，它们都具有各自的特点和适用范围。目前采用较 多的有两类，一类是以各级间压力，温度及冷却水流量，润滑油温为代表的热多的有两类，

7、一类是以各级间压力，温度及冷却水流量，润滑油温为代表的热力性能参数，它主要用于对压缩机运行状态进行监测，并可粗略判断故障发生力性能参数，它主要用于对压缩机运行状态进行监测，并可粗略判断故障发生 的部位，在采用分级诊断策略对多级压缩机进行诊断时，这些参数还可作为第的部位，在采用分级诊断策略对多级压缩机进行诊断时，这些参数还可作为第 一级诊断信号一级诊断信号 2；另一类就是气缸压力信号，气缸压力的变化可直接反映热力；另一类就是气缸压力信号，气缸压力的变化可直接反映热力 故障的原因，是较理想的诊断信号，但在实际工作中，直接检测气缸压力并不故障的原因，是较理想的诊断信号，但在实际工作中，直接检测气缸压

8、力并不 容易实现，这不仅是由于缸壁开孔会损坏气缸结构，而且生产现场开取压孔及容易实现，这不仅是由于缸壁开孔会损坏气缸结构，而且生产现场开取压孔及 对取压孔的密封都需要较高的技术，正是这些因素限制了气缸压力信号在故障对取压孔的密封都需要较高的技术，正是这些因素限制了气缸压力信号在故障 诊断中的广泛应用。解决该问题的途径有两个，一是寻求无损气缸缸壁的气缸诊断中的广泛应用。解决该问题的途径有两个，一是寻求无损气缸缸壁的气缸 压力检测方法，并要求该方法便于现场操作；二是寻求气缸压力的替代信号，压力检测方法，并要求该方法便于现场操作；二是寻求气缸压力的替代信号， 它要求该信号既能敏感的反映故障原因，又可

9、方便检测。文献它要求该信号既能敏感的反映故障原因，又可方便检测。文献 3通过对气缸盖通过对气缸盖 螺栓的振动信号分析来析出气缸压力变化规律就是解决该问题的一种探索，笔螺栓的振动信号分析来析出气缸压力变化规律就是解决该问题的一种探索，笔 者也通过对气缸布置的仔细研究，提出了一种通过在气阀螺栓上开孔测取气缸者也通过对气缸布置的仔细研究，提出了一种通过在气阀螺栓上开孔测取气缸 压力的方法，它既无损于气缸缸壁，同时可直接测取气缸压力，现场操作简单，压力的方法，它既无损于气缸缸壁，同时可直接测取气缸压力，现场操作简单， 具有很强的实用性，其具体措施可见文献具有很强的实用性，其具体措施可见文献 2。通过研

10、究，笔者同时认为，可采。通过研究，笔者同时认为，可采 用阀腔脉动压力替代气缸压力，来作为压缩机热力性能故障的主要诊断信号，用阀腔脉动压力替代气缸压力，来作为压缩机热力性能故障的主要诊断信号， 它不仅具有气缸压力信号的优点，同时方便测取。它不仅具有气缸压力信号的优点，同时方便测取。6 E+ C) r K, M 往复压缩机因其结构的复杂性，运动形式的多样性，给振动法的故障识别与诊往复压缩机因其结构的复杂性，运动形式的多样性，给振动法的故障识别与诊 断带来了很大困难，具体而言，主要困难有如下几方面：断带来了很大困难，具体而言，主要困难有如下几方面：1）众多的频率范围）众多的频率范围 与广阔的激励源的

11、识别；与广阔的激励源的识别；2）运动部件多而且形状复杂，这些部件藏在机身里，）运动部件多而且形状复杂，这些部件藏在机身里， 在工作状态下难以接近，如何测试；在工作状态下难以接近，如何测试；3）压缩机不同部件中，激励力的传递途）压缩机不同部件中，激励力的传递途 径及其对表面振动的响应是不同的，应该如何识别；径及其对表面振动的响应是不同的，应该如何识别；4）当压缩机运动部件出）当压缩机运动部件出 现不同程度的机械故障时，相应的激励力是如何变化的，能否从表面振动信号现不同程度的机械故障时，相应的激励力是如何变化的，能否从表面振动信号 中检测出来；中检测出来；5）早期故障振动信号的提取和阈值的设立等。

12、如何解决这些问）早期故障振动信号的提取和阈值的设立等。如何解决这些问 题，有待于进一步研究。题，有待于进一步研究。 2 故障文档的建立方法故障文档的建立方法 1 p2 r e一般来说，故障文档的建立包括经验案例知识的汇编，实验测试知识的积累和一般来说，故障文档的建立包括经验案例知识的汇编，实验测试知识的积累和 计算机模拟计算三种基本途径。由于经验案例知识的内容比较丰富，涉及的故计算机模拟计算三种基本途径。由于经验案例知识的内容比较丰富，涉及的故 障现象较全面，因而在以往的故障诊断研究中，大多采用经验案例知识的汇编障现象较全面，因而在以往的故障诊断研究中，大多采用经验案例知识的汇编 来实现故障文

13、档的建立；实验测试知识的积累情况则恰恰相反，由于测试大多来实现故障文档的建立；实验测试知识的积累情况则恰恰相反，由于测试大多 在小型模拟试验台上进行，且由于测试的故障现象受到局限，因而这种途径在在小型模拟试验台上进行，且由于测试的故障现象受到局限，因而这种途径在 工程应用中不能单独使用；对于计算机仿真计算，过去人们重视不够，分析原工程应用中不能单独使用；对于计算机仿真计算，过去人们重视不够，分析原 因来自两方面：一是难以建立数学模型及数学模型求解困难，二是计算机的普因来自两方面：一是难以建立数学模型及数学模型求解困难，二是计算机的普 及程度不高。随着人们对机器机理的深入了解和微机性能的提高，这

14、方面工作及程度不高。随着人们对机器机理的深入了解和微机性能的提高，这方面工作 将会有较大的发展。将会有较大的发展。 对于往复压缩机而言，不仅由于其品种多，结构复杂，而且由于其机电一体化对于往复压缩机而言，不仅由于其品种多，结构复杂，而且由于其机电一体化 程度较低，原始故障数据保存较少，因而完全通过实践积累不仅需要的时间长、程度较低，原始故障数据保存较少，因而完全通过实践积累不仅需要的时间长、 经费多，而且在实际工作中可能难以实现。直接，经济的途径就是将实验和计经费多，而且在实际工作中可能难以实现。直接，经济的途径就是将实验和计 算机仿真结合起来，即建立压缩机数学模型，并通过实验验证模型的正确性

15、，算机仿真结合起来，即建立压缩机数学模型，并通过实验验证模型的正确性， 然后改变模型中某些参数来模拟机器故障，以求迅速建立故障文档。随着压缩然后改变模型中某些参数来模拟机器故障，以求迅速建立故障文档。随着压缩 机工作过程数学模型研究的深入，这方面的工作不但能够实现，而且具有较高机工作过程数学模型研究的深入，这方面的工作不但能够实现，而且具有较高 的准确性，可信性。如笔者建立阀腔脉动压力的故障文档时，就是采用这种途的准确性，可信性。如笔者建立阀腔脉动压力的故障文档时，就是采用这种途 径，其具体步骤如下径，其具体步骤如下 2：1）建立压缩机级的数学模型；）建立压缩机级的数学模型；2）建立阀腔脉动压

16、）建立阀腔脉动压 力计算模型；力计算模型；3）通过）通过“压力激发压力激发”将气缸压力与阀腔脉动压力的计算联系起来；将气缸压力与阀腔脉动压力的计算联系起来； 4）实验验证数学模型及计算程序的正确性；）实验验证数学模型及计算程序的正确性；5）改变有关参数，模拟故障状态，）改变有关参数，模拟故障状态， 建立相应的故障文档。建立机器故障状态下标准模式时，应充分考虑其波动性。建立相应的故障文档。建立机器故障状态下标准模式时，应充分考虑其波动性。 这是因为，首先机器无故障状态和故障状态的界限并不是清晰的，无故障状态这是因为，首先机器无故障状态和故障状态的界限并不是清晰的，无故障状态 本身就包含有一定的状态变化范围；其次对于每一类故障，严重程度不同，其本身就包含有一定的状态变化范围；其次对于每一类故障，严重程度不同，其 特征参数必然随之变化；此外，参数测量时控制上的偏差、环境条件的变化等，特征参数必然随之变化；此外，参数测量时控制上的偏差、环境条件的变化等， 也会使特征参数发生波动。为了提高故障诊断准确性，可用一种考虑特征参数也会使特征参数发生波