往复压缩机多故障试验模拟及特征分析.docx

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1、1引言压缩机是一种提供气源动力的现代化工业基础机械和通用机械，在机械制造、石油、化工等与国民经济相关的多个重要行业得到广泛应用1o因为其零部件较多、结构复杂，又是往复式机械，所以故障时有发生，给工业生产带来损失，甚至造成人员伤亡2。故障诊断是现代工业系统维护管理的重要手段，研究内容包括机器运行状态的检测、识别与预测3o典型的诊断技术包括：振动诊断、噪声诊断、热工参数诊断、铁谱分析等4。近年来，国内外学者利用振动信号等信息进行对压缩机的故障识别。徐珍华5利用振动信号的时域波形图、时域特征值与频谱图完成了活塞磨损故障识别。胡欢欢6融合HHT算法与马氏距离，提出以此为基础的故障识别方法，成功识别出船

2、用往复压缩机活塞环断裂故障。毛伟7融合了AR功率谱、EMD、小波包降噪等技术，提取气阀磨损的故障特征，得到识别气阀磨损故障的方法。舒悦8将Teager能量算子引入故障识别技术，提出基于Teager能量算子的局部冲击能量特征提取及分析办法，并完成对阀片断裂故障的识别。但是，这些研究大量集中于对压缩机某一种单一故障的诊断，对往复式压缩机不同故障与其特征参数特别是振动信号之间的内在关系了解不足，特别是多重故障发生时的参数特征。压缩机故障可分为结构故障和性能故障，结构故障主要影响压缩机的动力传递，包括活塞销磨损、连杆轴承磨损、连杆疲劳断裂、主轴承磨损、地脚螺栓松动等，主要表现在异常的振动、噪声。性能故

3、障主要影响压缩机的工作性能,包括进气阀片断裂、排气阀片断裂、活塞环断裂、活塞磨损等，主要影响压缩机的工作性能。这些故障的参数特征有什么区别？不同故障同时发生时会有什么影响？因此，以WP135型压缩机为试验平台进行不同的故障模拟试验，通过分析热工参数和振动信号的时域参数指标、时域波形图、频域波形图，找出特征参数与各种故障之间的联系，了解多重故障发生时的综合特征变化，为往复压缩机的故障诊断提供参考依据。压缩机故障模拟往复压缩机通过改变气缸容积和控制气阀开关进行空气压缩。一个完整的工作循环包括：膨胀、进气、压缩和排气4个基本过程，每个工作循环各零部件都会受到活塞运动的往复惯性力及缸内气体冲击力作用，

4、在长期、高频的交变应力及气流冲击力作用下，会发生各种故障。因此，本文主要模拟地脚螺栓松动、一级活塞环断裂、二级活塞环断裂、二级吸气阀片断裂、二级排气阀片断裂5种故障。试验在WP135型二级往复压缩机上进行。该压缩机运行转速97Ormin,功率20kW,排气压力3.OMPa,气瓶容积流量118m3/h,实际转速985rmin。振动传感器分别布置在压缩机缸盖顶部垂直方向、机身右侧面上部水平方向、机身左侧面下部水平方向及机身底部垂直方向，具体布置如图1所示。试验用振动传感器为北京东方振动和噪声技术研究所开发的ICP型传感器，磁座安装方式，传感器灵敏度100mV/ms-2左右。采用工NV3602四通道

5、数据采集仪、DASP-I。振动检测仪及振动分析软件。振动信号采样频率为2048OHz,采样长度20s设振动采样数据X(i),i=1,2,，N,则振动信号最大值XmaXq吧K)U)最小值XnUn=miX1(2)1 1vN均值1缸盖表面测点2.机身右侧上部测点3.机身左侧下部测点4.机身底部测点图1振动传感器布置图1N2 j(i)(3)(4)(5)V=JImean一;平均幅值1Ni1IX(i)IY_JI=I，nwkan-N有效值vE(X(iT)22试验数据分析2.1 热工参数分析故障模拟试验时同时测取了压缩机的进气温度、一级排温、一级排压、二级排温、二级排压等热工参数，各故障下的热工参数测试结果如

6、表1所示。在表1中可以看出：地脚螺栓松动故障下各热工参数基本上变化不大，说明地脚螺栓松动故障对压缩机的工作过程影响不大。气体的泄漏虽然会造成缸盖和缸壁温度的上升，但是上升不太明显，这与柴油机是不一样的，主要是因为压缩机缸内没有高温燃气，对机器外部温度影响不大。考虑到不同的进气温度，当一级活塞环密封不良时，一级排温和二级排温明显升高，一级排压和二级排压明显降低，缸盖表面温度和缸壁表面温度也明显地升高。当二级活塞环密封不良时，一级排温升高，二级排压明显降低，缸盖表面温度也明显升高。二级进气阀片断裂时只有二级排压明显降低，缸盖表面温度明显升高。二级排气阀片断裂时，一级排温和二级排温明显升高，二级排压

7、明显降低，缸盖表面温度明显升高。可见，不同的性能故障具有不同的热工参数变化特征，可以用来进行故障的诊断。而压缩机的结构故障对其热工参数影响不大，需要应用振动、噪声等其它分析方法进行诊断。2.2 振动信号时域分析图2为压缩机正常工况下各测点的振动信号时域波形图。可以看出，各测点的振动信号具有明显的周期规律，周期为00618s（运行转速为970rmin）o一个工作循环内振动信号出现3个较为明显的振动冲击,幅值均不高，估计是气体由一级压缩转为二级压缩和缸内零部件撞击造成的。图3为地脚螺栓松动故障下各测点的振动信号时域波形图。可以看出：各测点的振动都有明显的增加，机身底部测点振动幅度有所增加，局部出现

8、轻微波动。限于篇幅，其它4种故障的振动信号时域波形图不再显示，各状态下振动信号的时域特征参数如表2所示。可以看出，压缩机表面的振动以缸盖顶部垂直方向的振动最为剧烈，其次是机身左侧面水平方向的振动，而机身底部垂直方向的振动最小，说明缸盖顶部受缸内压气和气阀冲击最大。地脚螺栓松动故障下缸盖顶部测点振动平均幅值较正常工况提高23%,有效值提升27%,峰值增加85%而机身右侧上部测点振动平均幅值略有降低，机身左侧下部测点振动平均幅值、有效值均显著降低。一级活塞环断裂故障（伴随地脚螺栓松动）下缸盖顶部测点振动平均幅值较正常工况提高52%,有效值提升100%,峰值增加141%。机身右侧（次推力侧）上部测点

9、振动信号出现零漂现象，主要原因是由于空压机受到活塞组垂直方向的往复运动加剧了机器垂直方向的振动，而机身侧面水平方向依靠磁座安装的传感器出现了松动所致。同时，机身左侧（主推力侧）下部测点振动平均幅值提高48%,有效值提升81%o机身底部测点振动幅度增强，波形出现明显波动，这是由于地脚螺栓松动故障没有完全消除。表1不同状态下热工参数的测试结果部件状态进气曲度/t级樗洱/T级排温/（C级推压/MPaWUIHOMPa虹或一度/t*rttiU度/七IE常14.524.026.00.400.4026.026.0.地脚螺论松动14.525.028.00.390.4025.626.0级活塞环密封不良IZO30

10、.0131.010.300.2013Q0t29.0t二级活塞环密封不艮12.028.026.00.300.2013ot23.4:级进气制片断裂11.024.425.90.50t0.3929.3t24.1:拨排气阀片断裂10.028.2t29.Of0.50t0.4030.0t23.0表2各状态下振动信号的时域特征参数故障类嗔振动特征参数（NJ）缸或侦部H1Q1Mifti机身左角Ift机身底部Jft大值12.I13.651.920.73正常KK最小值-8.12-3.76-3.93-1.40平均幅值1.320.710.990.36行放优（均方根）1.690.881.080.4022.454.3711

11、.091.38地脚螺忤松动故障最小假-19.46-4.74-11.491.16-2.24T均帼值1.620.660.48Yiifcfft（均力根）2.140.891.670.6129.21-0.518.990.98,级活寤环断裂+最小值-23.09-0.57-11.30-Z75地脚螺怜松动放用平均的值ZO10.551.470.45有效1（均方根）3.390.551.950.59最大值24.40-0.50I!.240.88:拨活窸环断RJft小一-27.10-0.67-12.31-106地牌螺柞松动故障平均幅值1.560.581.430.42有效值（均方根）1770.58ZOI0.56最大值22

12、.65-0.5011.401.18:级吸气阀片断裂-最小值-15.34-0.64-8.45-3.57地脚螺松松动故障平均Wffi1.610.571.250.52行放值（均力根）2.700.571.660.66最大值29.57-0.418.781.09我排气阀片断裂+JS小假-24.25-0.55-8.17-3.91地脚嫖松松动故障Ir均幅值1.840.491.060.52有效值（均方根）3.0.491.480.67二级活塞环断裂故障（伴随地脚螺栓松动）下缸盖顶部测点振动平均幅值较正常工况提高19%,有效值提升64%,峰值增加1O2%。机身右侧上部测点的“零漂现象仍然存在，机身左侧下部测点振动平

13、均幅值增加44%,有效值提升86%。机身底部测点振动幅度仍保持增强并有明显波动,原因同上。二级吸气阀片断裂故障（伴随地脚螺栓松动）下缸盖顶部测点振动平均幅值比正常工况提高22%,有效值提升60%,振动峰值增加87%o机身右侧上部测点零漂现象还是存在,机身左侧下部测点振动平均幅值增强26%,有效值提升54%。机身底部测点振动幅度增强，波形波动明显，原因同上，证明地脚螺栓故障还没有消除。二级排气阀片断裂故障（伴随地脚螺栓松动）下缸盖顶部测点振动平均幅值比正常工况增加40%,有效值提升78%,峰零漂现象仍然存在，机身左侧下部测点振动平均幅值增强7%,有效值提升37%。机身底部测点振动幅度增强，波形出

14、现明显波动。2.3振动信号频域分析图4为正常工况下缸盖表面测点、机身左侧下部测点位置振动信号频谱图，图5为地脚螺栓松动故障下缸盖表面、机身左侧下部测点位置的振动信号频谱图。可以看出：缸盖表面垂直方向的振动低频部分能量较小，振动能量主要集中在6.5kHz以上的高频部分，机身左侧下部测点的振动能量也主要集中于7.59.5Hz高频部分，这与往复机械的振动特征相似。在地脚螺栓松动故障下，缸盖表面测点振动在低频部分出现了一个小峰值，机身左侧下部测点振动在O5OOHZ频段出现了2个峰值，在45kHZ频段出现了1个局部峰值，估计是压缩机横向振动的固有频率。同样，对其它故障的各测点振动信号频谱进行了分析。以机身左侧下部测点振动信号为例，一级活塞环断裂故障下振动频谱在3.010.0kHz内有6个局部峰值，最高峰值位于4.05.0kHz之间。二级活塞环密封不良故障下振动频谱在4.05.0kHz内出现1个局部峰值，在6.010.0kHZ范围出现3个局部峰值。二级进气阀片断裂故障下振动频谱峰值出现在4.24.5Hz,其他区域局部峰值差距不大。二级排气阀片断裂故障下的振动频谱在4.1HZ达到峰值，其余部分能量分布均匀。可见，不同故障的频谱都具有