往復(fù)式壓縮機(jī)振動信號特征分析及故障診斷方法探究

高亮（中國石油化工股份有限公司華北分公司第一采氣廠，陜西 榆林 719000）

往復(fù)式壓縮機(jī)作為石油化工生產(chǎn)過程的關(guān)鍵性設(shè)備，它的運(yùn)行效果影響著石油業(yè)的健康發(fā)展。往復(fù)式壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)型式各異、運(yùn)動部件多、故障發(fā)生率高的特點，且工作環(huán)境相當(dāng)惡劣。考慮到往復(fù)式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特征及運(yùn)行工況均十分復(fù)雜，因此壓縮機(jī)工作過程必定產(chǎn)生振動，即壓縮機(jī)內(nèi)部構(gòu)件的性能狀態(tài)經(jīng)某種傳統(tǒng)途徑由殼體表面的振動信號反映出來。可見，借助振動信號來診斷壓縮機(jī)的故障具有可行性。本文筆者結(jié)合實踐經(jīng)驗，就往復(fù)式壓縮機(jī)振動信號的特征及故障診斷方法進(jìn)行研究，以便準(zhǔn)確確定出壓縮機(jī)的故障，進(jìn)而實現(xiàn)往復(fù)式壓縮機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 往復(fù)式壓縮機(jī)振動信號的特征

據(jù)相關(guān)研究結(jié)果表明，往復(fù)式壓縮機(jī)的振動信號具有周期性、沖擊響應(yīng)兩大特征，即壓縮機(jī)振動信號的核心成份均表現(xiàn)出顯著的周期性特征，且此周期均屬曲軸旋轉(zhuǎn)周期（倍頻），同時壓縮機(jī)振動信號的成份為沖擊響應(yīng)信號，因此表現(xiàn)出顯著的沖擊響應(yīng)特征。本章節(jié)試圖從此兩方面探究往復(fù)式壓縮機(jī)振動信號的特征，以便為往復(fù)式壓縮機(jī)的故障診斷提供參考依據(jù)。

往復(fù)式壓縮機(jī)振動信號的核心成份均屬周期性函數(shù)，且此周期函數(shù)的基本周期為曲軸旋轉(zhuǎn)周期，因此壓縮機(jī)振動信號的任意整周期信號反映出的壓縮機(jī)工況信息均相同，則僅需獲取到任意整周期的振動信號，便可確定壓縮機(jī)的運(yùn)行故障，如此實現(xiàn)工作量的降低。考慮到往復(fù)式機(jī)械振動信號的循環(huán)平穩(wěn)性由該機(jī)械運(yùn)動部件的周期性決定，因此可采用循環(huán)平穩(wěn)法來分析壓縮機(jī)振動信號的特征。研究表明，往復(fù)式壓縮機(jī)振動信號屬來自若干激勵源的響應(yīng)信號的疊加，且頻域內(nèi)此響應(yīng)信號的分布位置各不相同，因此可借助振動信號的頻域能量特征來確定來自任意激勵源的響應(yīng)信號所對應(yīng)的特征頻帶，然后再對該頻帶信號的特征進(jìn)行提取，以監(jiān)測往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)行工況。就往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)行故障而言，故障的類型定會改變振動信號的整體時域波形，因此此波形變化的信息可從整體振動信號內(nèi)提取出來，由此確定壓縮機(jī)的工況特征。總之，往復(fù)式壓縮機(jī)具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、較多的振動激勵源及多樣化的故障類型，因此對往復(fù)式壓縮機(jī)振動信號特征的研究能為壓縮機(jī)的故障診斷提供參考依據(jù)。

2 往復(fù)式壓縮機(jī)的故障診斷方法

從機(jī)理角度而言，往復(fù)式壓縮機(jī)故障可分成流體性質(zhì)的故障及機(jī)械性質(zhì)的故障兩種類型，其中前者屬機(jī)器熱力性能故障，后者屬機(jī)械功能故障。考慮到往復(fù)式壓縮機(jī)故障的成因各不相同，因此壓縮機(jī)振動信號及診斷方法亦有所不同。結(jié)合多年實踐經(jīng)驗可知，往復(fù)式壓縮機(jī)熱力性能故障多由易損件（比如填料函等）損壞所致，而往復(fù)式壓縮機(jī)機(jī)械功能故障多由壓縮機(jī)內(nèi)部運(yùn)動部件損壞所致，比如閥門碎裂、活塞桿斷裂等。考慮到往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)動部件多，因此壓縮機(jī)故障多屬機(jī)械性能故障。結(jié)合前文可知，振動信號能為往復(fù)式壓縮機(jī)故障診斷提供參考依據(jù)。為此，本章節(jié)結(jié)合振動信號特征，探究往復(fù)式壓縮機(jī)的故障診斷方法。

2.1 對熱力性能參數(shù)進(jìn)行測量，以此掌握往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息，然后再對壓縮機(jī)的運(yùn)行故障進(jìn)行診斷研究，即運(yùn)用儀表來測量出往復(fù)式壓縮機(jī)的水溫、油溫、排氣壓力、排氣量及冷卻水量等，以此為壓縮機(jī)相關(guān)運(yùn)動部件的故障診斷提供依據(jù)。考慮到此診斷方法尚不能準(zhǔn)確預(yù)測出壓縮機(jī)的故障點，因此僅用來檢測往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及工藝參數(shù)。

2.2 對振動噪聲進(jìn)行測量，即借助往復(fù)式壓縮機(jī)的振動信號來診斷氣缸及活塞的磨損程度、主軸承的狀態(tài)及氣閥的漏氣情況；汽缸頭裝設(shè)振動傳感器，如此對振動信號進(jìn)行分析后，再依據(jù)分析結(jié)果對缸內(nèi)故障進(jìn)行診斷；借助振動信號對壓縮機(jī)主軸承故障進(jìn)行診斷；借助潤滑油管路內(nèi)壓力波信號來診斷壓縮機(jī)軸承故障等。

2.3 往復(fù)式壓縮機(jī)的工況變化多，由此導(dǎo)致振動信號的平穩(wěn)性較差，因此該診斷方法的應(yīng)用面尚待商榷。

2.4 目前，往復(fù)式壓縮機(jī)故障診斷領(lǐng)域開始應(yīng)用到人工智能領(lǐng)域的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及專家系統(tǒng)。所謂故障診斷專家系統(tǒng)，是指智能化計算機(jī)程序系統(tǒng)，該系統(tǒng)囊括大量的領(lǐng)域?qū)＜抑R及實踐經(jīng)驗，且多用來對高難度且復(fù)雜的系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷。實踐表明，此診斷方法具有使用方便、解釋機(jī)制強(qiáng)、推理預(yù)測簡單及易建造等優(yōu)點，同時也具有推理機(jī)制過度簡單、專家知識準(zhǔn)確性無保證、知識獲取難度大等缺點，因此應(yīng)用過程需揚(yáng)長避短，以增強(qiáng)實際應(yīng)用效果。

3 結(jié)語

結(jié)合前文內(nèi)容，本文筆者認(rèn)為往復(fù)式壓縮機(jī)故障診斷過程應(yīng)特別注意下列事項：1.考慮到往復(fù)式壓縮機(jī)具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、較多的振動激勵源及干擾源，因此必須突出對非定常信號及非線性信號的處理。2.往復(fù)式壓縮機(jī)采用在線監(jiān)測手段收集到的故障信息多屬間接采集，則存在某種不確定性因素，因此必須重視某些識別技術(shù)的研究及應(yīng)用。3.往復(fù)式壓縮機(jī)故障診斷的成功經(jīng)驗均難以歸納成通用的診斷規(guī)則，因此專家系統(tǒng)知識庫尚待充實，比如突出對典型故障特征的實驗研究等。

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