基于VR技術(shù)的壓縮機(jī)故障分析與診斷仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：VR（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）是21世紀(jì)發(fā)展起來的一項(xiàng)全新的實(shí)用技術(shù)。VR囊括計(jì)算機(jī)、電子信息、仿真技術(shù)，其基本實(shí)現(xiàn)方式是計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感。結(jié)合產(chǎn)業(yè)數(shù)字化發(fā)展過程中傳統(tǒng)壓縮機(jī)故障檢修行業(yè)與VR技術(shù)的深入融合，系統(tǒng)地介紹了基于VR技術(shù)的壓縮機(jī)故障分析與診斷仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的背景、技術(shù)分析、定位和創(chuàng)新點(diǎn)、項(xiàng)目可行性分析、項(xiàng)目運(yùn)營實(shí)施方案以及預(yù)期成果。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);壓縮機(jī)故障;分析與診斷;仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中圖分類號：TH45

收稿日期：2022—03—17DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.024

1 設(shè)計(jì)項(xiàng)目背景

VR（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）是21世紀(jì)逐漸發(fā)展起來的一項(xiàng)全新技術(shù)，其概念于1980年首次提出，它是一項(xiàng)以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的、與許多技術(shù)相關(guān)聯(lián)的綜合型技術(shù)。由于其發(fā)展歷史較短，目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義。

籠統(tǒng)地講，VR技術(shù)就是一個通過計(jì)算機(jī)仿真、計(jì)算機(jī)處理以及信息處理等技術(shù)手段，對生活中的真實(shí)對象及其物質(zhì)運(yùn)動過程進(jìn)行虛擬模仿的技術(shù)，它能夠?yàn)槲覀兘ǔ梢粋€形象逼真的虛擬環(huán)境，使我們能夠在這一環(huán)境內(nèi)進(jìn)行工程上的操作，并感受真實(shí)的運(yùn)動過程。通過VR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，對一些工程實(shí)例進(jìn)行逼真模仿，為后續(xù)的制作工作奠定良好的基礎(chǔ)。

三維仿真能夠在視覺上給人帶來身臨其境的感受，突破傳統(tǒng)平面圖形的呆板特點(diǎn)。利用三維虛擬和仿真技術(shù)相結(jié)合，不僅可以對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行再現(xiàn)，還可以通過搭建數(shù)學(xué)模型，通過連接仿真平臺和虛擬現(xiàn)實(shí)平臺，形成一套交互式的仿真系統(tǒng)。

例如，逼真、立體的表現(xiàn)形式可以形象、直觀地演示出抽象的壓縮機(jī)故障分析和診斷過程，可以突破各種在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室或工作現(xiàn)場無法完成的試驗(yàn)或工作，如復(fù)雜試驗(yàn)、危險(xiǎn)性試驗(yàn)、極端破壞性試驗(yàn)、反應(yīng)周期過長試驗(yàn)、無法控制反應(yīng)過程等，可以安全、直觀地展示各種模擬效果。同時，借助于對多媒體（音頻、視頻、圖像）技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、輸入輸出技術(shù)，構(gòu)建一種高度現(xiàn)實(shí)仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，使學(xué)習(xí)者或工作者體驗(yàn)身在其中的感覺，能最大限度地激發(fā)學(xué)習(xí)者或工作人員的自主試驗(yàn)興趣，以及解開實(shí)踐技能奧秘的沖動，有利于開發(fā)學(xué)習(xí)者或工作人員的構(gòu)建思維，具有獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐作用。因?yàn)閴嚎s機(jī)較復(fù)雜，本文針對壓縮機(jī)的故障分析和診斷分析通過VR技術(shù)進(jìn)行研究。

活塞式壓縮機(jī)是通過活塞之間的往復(fù)運(yùn)動來增加氣體的壓力，并實(shí)現(xiàn)氣體的輸送，又稱往復(fù)活塞式壓縮機(jī)或往復(fù)式壓縮機(jī)，其組成元件有工作腔、傳動部件、機(jī)身以及次要元件。其中，工作腔用于壓縮氣體，由氣缸、缸套、氣閥、填料、活塞、活塞桿等組成;活塞由活塞桿驅(qū)動，在氣缸內(nèi)來回移動;活塞兩側(cè)工作腔體積呈反比變化，當(dāng)體積減小時，側(cè)壓力增大，氣體通過氣體閥排出，另一側(cè)壓力減小，氣體通過氣體閥吸收;傳動部件用于實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動，包括曲軸連桿、偏心滑塊、斜盤等，由十字頭、連桿和曲軸組成。

傳統(tǒng)壓縮機(jī)故障分析與診斷的缺點(diǎn)是：首先，運(yùn)動零件的表面多為曲面，加工和檢測更加復(fù)雜，有的還需要用到專業(yè)設(shè)備;其次，零部件之間需要保持一定的運(yùn)動間隙，才能更好地運(yùn)行。由于轉(zhuǎn)速高再加上工作容積與吸排氣口周期性的通斷，因而壓縮機(jī)噪聲較高，常需采用減噪消聲措施，同時也難以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時監(jiān)測壓縮機(jī)的工作部分。壓縮機(jī)的任何一個部件出現(xiàn)故障，都有可能導(dǎo)致整個設(shè)備癱瘓，造成經(jīng)濟(jì)損失甚至造成安全事故。

因此，國內(nèi)外學(xué)者對壓縮機(jī)故障診斷技術(shù)進(jìn)行了大量的研究：為了實(shí)現(xiàn)對氣門失效和活塞環(huán)磨損的判斷，國外研究人員對氣缸內(nèi)測量的壓力信號圖像進(jìn)行分析;為了實(shí)現(xiàn)對壓縮機(jī)工作狀態(tài)的判斷，一些學(xué)者建立了通用參數(shù)數(shù)據(jù)庫，通過收集大量數(shù)據(jù)，構(gòu)建模型對壓縮機(jī)狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)。為了更加高效準(zhǔn)確地對壓縮機(jī)的故障進(jìn)行診斷，我們運(yùn)用日趨成熟的VR技術(shù)對壓縮機(jī)的常見故障進(jìn)行分析和診斷。

在計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器與檢測技術(shù)、信號處理技術(shù)和控制論、機(jī)械制造與自動化等相關(guān)領(lǐng)域基礎(chǔ)上，基于VR技術(shù)的壓縮機(jī)故障分析與診斷仿真系統(tǒng)形成了一種新的現(xiàn)代技術(shù)系統(tǒng)平臺。根據(jù)壓縮機(jī)在運(yùn)作過程中的壓力、溫度、噪聲、振動、功耗和排氣變化等信息，壓縮機(jī)故障診斷判斷其是否存在故障。壓縮機(jī)故障或事故后的分析稱之為故障分析，它是壓縮機(jī)故障診斷的一個方面。

壓縮機(jī)故障診斷的結(jié)果，不僅能及時排查故障，防止事故的發(fā)生，避免人身事故、環(huán)境污染和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還可以改變設(shè)備的維護(hù)制度，將被動的定期維修變?yōu)橹鲃拥念A(yù)測性維修?，F(xiàn)在大多數(shù)企業(yè)的維修制度都是定期維修，不管有沒有故障，都要按照預(yù)定的時間和維修計(jì)劃進(jìn)行維修，因此造成了很大的浪費(fèi)。應(yīng)用故障診斷技術(shù)后，可以在發(fā)現(xiàn)故障警報(bào)時及時停機(jī)，并能根據(jù)故障的性質(zhì)和位置進(jìn)行診斷，并進(jìn)行有針對性的維護(hù)。這種預(yù)測性的維護(hù)節(jié)省了維護(hù)成本，減少了不必要的維護(hù)時間，保障了正常運(yùn)轉(zhuǎn)時間，顯著提高了生產(chǎn)率。

2 技術(shù)分析以及定位和創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 故障類型

排氣差是壓縮機(jī)最常見的故障之一，主要是由以下原因引起：

a.進(jìn)氣濾清器故障：水垢堵塞，排氣量減少;吸引管過長，直徑過小，增強(qiáng)吸入阻力，影響風(fēng)量。過濾器應(yīng)定期清洗。

b.壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速低沉，排氣減少：空氣壓縮機(jī)不能正常使用，空氣壓縮機(jī)的排氣設(shè)計(jì)是基于必然的高度、壓縮機(jī)吸入熱度和濕度，一旦超過上述標(biāo)準(zhǔn)，吸入壓力會降低，排氣量必然降低。

c.氣缸、活塞、活塞環(huán)磨損嚴(yán)重、超差使有關(guān)間隙增大，泄漏量增大，影響到了排氣量。屬于正常磨損時，需及時更換易損件，如活塞環(huán)等;屬于安裝不正確，間隙留的不合適時，應(yīng)按圖紙給予糾正，如無圖紙時，可取經(jīng)驗(yàn)值。對于活塞與氣缸之間沿圓周的間隙，如為鑄鐵活塞時，間隙值為氣缸直徑的0.06/100～0.09/100，對于鋁合金活塞，間隙為氣徑直徑的0.12/100～0.18/100，鋼活塞可取鋁合金活塞的較小值。1C6757A9-D062-4453-9ED0-800517C03459

d.填料函不嚴(yán)產(chǎn)生漏氣使氣量降低。其原因首先是填料函本身制造時不合要求;其次可能是由于在安裝時，活塞桿與填料函中心對中不好，產(chǎn)生磨損、拉傷等造成漏氣，一般在填料函處加注潤滑油，它起潤滑、密封、冷卻作用。

e.壓縮機(jī)吸、排氣閥故障會對排量產(chǎn)生影響。閥座與閥片落入金屬雜物或其他雜物中，導(dǎo)致密封松動、漏氣。這不僅影響排氣量的含量，也影響階段間壓力和溫度熱的變化。這種問題可能是制造質(zhì)量問題造成，如閥板翹曲、閥座、閥板磨損嚴(yán)重造成漏氣等。

f.壓縮機(jī)的吸排閥對排量有很大影響。當(dāng)閥座和閥板落入金屬雜物或其他雜物中時，將導(dǎo)致密封松動和漏氣。這不僅會影響排氣量，還會影響階段間壓力和溫度的熱變化。這種問題的發(fā)生有兩種：一是由于質(zhì)量問題，如閥板翹曲產(chǎn)生的變形;二是由于閥座和閥板磨損慘重所形成漏氣。

g.壓縮空氣閥壓力不適當(dāng)。一般壓縮力可以通過公式計(jì)算，P=Kπ/4D2P2，D2為閥腔的長度，P2為氣體的有限壓力，K為大于1的函數(shù)值，一般取1.5～2.5，低壓時K=1.5～2.0，高壓時K=1.5～2.5。當(dāng)閥門有故障，閥蓋會隨之發(fā)熱，且壓力不正常。異常溫度的異常排氣在于熱度高于設(shè)計(jì)的輔助值。

2.2 解決方案

應(yīng)用仿真系統(tǒng)可以很容易地找出故障，如：壓縮機(jī)傳動部件的磨損是一個常見問題，主要包含這幾個部位的磨損：軸承、軸承、軸承腔、溝槽和斗箕。在壓縮機(jī)等領(lǐng)域的傳統(tǒng)方法中，修補(bǔ)焊接和刷涂是主要方法，但都有一定的缺點(diǎn)，比如：維修焊接的高溫?zé)釕?yīng)力不可以完全消弭，易造成質(zhì)料損壞而導(dǎo)致彎曲或斷裂;電刷鍍受鍍層厚薄的限定，易于剝落。修補(bǔ)焊接和刷涂兩種方式都是使用金屬修補(bǔ)金屬，改變不了“硬到硬”的這種現(xiàn)象，在各種力量的集體作用下，仍然可能會引起再磨損。

當(dāng)代西方國家采用高分子復(fù)合材料修復(fù)壓縮機(jī)傳動部件的磨損。目前，美國最先進(jìn)的美嘉華技術(shù)體系具有附著力強(qiáng)、抗壓強(qiáng)度高等優(yōu)良綜合性能，同時該材料還具有金屬所不具備的其它的讓步特性。如，它能經(jīng)受設(shè)備的打擊，幸免造成再次磨損的可能性。

壓縮機(jī)腐蝕可分為兩種類型：綜合（均勻）腐蝕和局部腐蝕。前者更平均地發(fā)生在壓縮機(jī)的所有表面，而后者只發(fā)生在部分，如點(diǎn)蝕、漏洞銷蝕、晶間銷蝕、應(yīng)力腐蝕等。高分子復(fù)合質(zhì)料在壓縮機(jī)外貌涂覆有機(jī)涂層是最有用的防腐措施之一，它具有杰出的耐化學(xué)性、優(yōu)異的機(jī)械本能和附著力。

與傳統(tǒng)的壓力器皿焊接修補(bǔ)相比，新型冷焊工藝具有動工簡單、本錢低、修復(fù)效果好等特點(diǎn)。壓縮機(jī)零件常因鑄造、加工缺陷、內(nèi)應(yīng)力、過載運(yùn)行等原因產(chǎn)生裂紋或斷裂，在一些容易發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)場合，不宜采用焊接修補(bǔ)方法。而新型冷焊工藝可以避免熱應(yīng)力和變形，讓材料具有更加良好的附著力和抗壓、防腐等綜合性能，有效且低成本地讓壓縮機(jī)更好的運(yùn)行。基于VR技術(shù)的壓縮機(jī)故障分析與診斷仿真系統(tǒng)操作錄屏鏈接如下：https：//share.weiyun.com/SATbw397（騰訊微云平臺）。

2.3 項(xiàng)目定位

該項(xiàng)目專注于VR的壓縮機(jī)故障分析與診斷，幫助企業(yè)安全而方便地進(jìn)行壓縮機(jī)故障分析與診斷，能為企業(yè)提供安全和便捷的技術(shù)服務(wù)，且排查效率高、費(fèi)用低。該項(xiàng)目立足于湖北，面向全國。

2.4 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

該項(xiàng)目采取智能的管理模式，利用各種現(xiàn)代化的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工廠的辦公、管理及生產(chǎn)自動化，達(dá)到了加強(qiáng)及規(guī)范企業(yè)管理、減少工作失誤、堵塞各種漏洞、提高工作效率、進(jìn)行安全生產(chǎn)、提供決策參考、加強(qiáng)外界聯(lián)系、達(dá)到拓寬國際市場的目的。該項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)定制化檢查，整合國內(nèi)外的資源。

3 技術(shù)優(yōu)勢

首先，基于VR技術(shù)的壓縮機(jī)故障分析和研究系統(tǒng)，能幫助企業(yè)節(jié)約能源，減少環(huán)境污染，提高工作效率，改善工作質(zhì)量，提升市場競爭力，獲得更好的效益。同時，該技術(shù)還能有效提高安全性，能夠更方便地檢查，且具有操作簡單的特點(diǎn)，新工藝的應(yīng)用也是產(chǎn)業(yè)數(shù)字化未來發(fā)展的必由之路。

其次，未使用仿真系統(tǒng)與使用仿真系統(tǒng)的壓縮機(jī)維修培訓(xùn)完成率對比發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)故障分析與診斷系統(tǒng)更加省時、省力、節(jié)約成本，而且安全有保障。

另外，在馬洛斯需求層次方面，歸屬需求除了滿足企業(yè)使用初衷要求之外，要有一定的拓展優(yōu)勢，應(yīng)加強(qiáng)系統(tǒng)對安全的自動檢測等。自我實(shí)現(xiàn)方面，將注重品牌效應(yīng)，且有大型企業(yè)提供支持。

4 結(jié)語

在信息化高速發(fā)展的時代，仿真虛擬系統(tǒng)帶動傳統(tǒng)壓縮機(jī)行業(yè)進(jìn)步不是朝夕之功。項(xiàng)目組用融會貫通的互補(bǔ)思路，將檢查壓縮機(jī)故障產(chǎn)業(yè)的硬核生產(chǎn)功能和實(shí)際運(yùn)用領(lǐng)域的靈活營銷模式相融合，最終達(dá)成優(yōu)勢生產(chǎn)源頭和高效營銷資源的優(yōu)勢互補(bǔ)。同時為我國加快推進(jìn)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

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作者簡介：

肖凱，男，1984年生，副教授，研究方向?yàn)殡娮由虅?wù)、商務(wù)數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用。1C6757A9-D062-4453-9ED0-800517C03459