基于VR技術的壓縮機故障分析與診斷仿真系統的設計

摘要：VR（虛擬現實技術）是21世紀發展起來的一項全新的實用技術。VR囊括計算機、電子信息、仿真技術，其基本實現方式是計算機模擬虛擬環境從而給人以環境沉浸感。結合產業數字化發展過程中傳統壓縮機故障檢修行業與VR技術的深入融合，系統地介紹了基于VR技術的壓縮機故障分析與診斷仿真系統設計項目的背景、技術分析、定位和創新點、項目可行性分析、項目運營實施方案以及預期成果。

關鍵詞：VR技術;壓縮機故障;分析與診斷;仿真系統設計中圖分類號：TH45

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

1 設計項目背景

VR（虛擬現實技術）是21世紀逐漸發展起來的一項全新技術，其概念于1980年首次提出，它是一項以計算機仿真技術為基礎的、與許多技術相關聯的綜合型技術。由于其發展歷史較短，目前還沒有統一的標準定義。

籠統地講，VR技術就是一個通過計算機仿真、計算機處理以及信息處理等技術手段，對生活中的真實對象及其物質運動過程進行虛擬模仿的技術，它能夠為我們建成一個形象逼真的虛擬環境，使我們能夠在這一環境內進行工程上的操作，并感受真實的運動過程。通過VR技術可以實現人機交互，對一些工程實例進行逼真模仿，為后續的制作工作奠定良好的基礎。

三維仿真能夠在視覺上給人帶來身臨其境的感受，突破傳統平面圖形的呆板特點。利用三維虛擬和仿真技術相結合，不僅可以對現場環境進行再現，還可以通過搭建數學模型，通過連接仿真平臺和虛擬現實平臺，形成一套交互式的仿真系統。

例如，逼真、立體的表現形式可以形象、直觀地演示出抽象的壓縮機故障分析和診斷過程，可以突破各種在傳統實驗室或工作現場無法完成的試驗或工作，如復雜試驗、危險性試驗、極端破壞性試驗、反應周期過長試驗、無法控制反應過程等，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、虛擬仿真技術、傳感技術、輸入輸出技術，構建一種高度現實仿真的實驗教學環境，使學習者或工作者體驗身在其中的感覺，能最大限度地激發學習者或工作人員的自主試驗興趣，以及解開實踐技能奧秘的沖動，有利于開發學習者或工作人員的構建思維，具有獨特的實驗教學的實踐作用。因為壓縮機較復雜，本文針對壓縮機的故障分析和診斷分析通過VR技術進行研究。

活塞式壓縮機是通過活塞之間的往復運動來增加氣體的壓力，并實現氣體的輸送，又稱往復活塞式壓縮機或往復式壓縮機，其組成元件有工作腔、傳動部件、機身以及次要元件。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;活塞由活塞桿驅動，在氣缸內來回移動;活塞兩側工作腔體積呈反比變化，當體積減小時，側壓力增大，氣體通過氣體閥排出，另一側壓力減小，氣體通過氣體閥吸收;傳動部件用于實現往復運動，包括曲軸連桿、偏心滑塊、斜盤等，由十字頭、連桿和曲軸組成。

傳統壓縮機故障分析與診斷的缺點是：首先，運動零件的表面多為曲面，加工和檢測更加復雜，有的還需要用到專業設備;其次，零部件之間需要保持一定的運動間隙，才能更好地運行。由于轉速高再加上工作容積與吸排氣口周期性的通斷，因而壓縮機噪聲較高，常需采用減噪消聲措施，同時也難以實現在線實時監測壓縮機的工作部分。壓縮機的任何一個部件出現故障，都有可能導致整個設備癱瘓，造成經濟損失甚至造成安全事故。

因此，國內外學者對壓縮機故障診斷技術進行了大量的研究：為了實現對氣門失效和活塞環磨損的判斷，國外研究人員對氣缸內測量的壓力信號圖像進行分析;為了實現對壓縮機工作狀態的判斷，一些學者建立了通用參數數據庫，通過收集大量數據，構建模型對壓縮機狀態進行評價。為了更加高效準確地對壓縮機的故障進行診斷，我們運用日趨成熟的VR技術對壓縮機的常見故障進行分析和診斷。

在計算機技術、傳感器與檢測技術、信號處理技術和控制論、機械制造與自動化等相關領域基礎上，基于VR技術的壓縮機故障分析與診斷仿真系統形成了一種新的現代技術系統平臺。根據壓縮機在運作過程中的壓力、溫度、噪聲、振動、功耗和排氣變化等信息，壓縮機故障診斷判斷其是否存在故障。壓縮機故障或事故后的分析稱之為故障分析，它是壓縮機故障診斷的一個方面。

壓縮機故障診斷的結果，不僅能及時排查故障，防止事故的發生，避免人身事故、環境污染和巨大的經濟損失，還可以改變設備的維護制度，將被動的定期維修變為主動的預測性維修。現在大多數企業的維修制度都是定期維修，不管有沒有故障，都要按照預定的時間和維修計劃進行維修，因此造成了很大的浪費。應用故障診斷技術后，可以在發現故障警報時及時停機，并能根據故障的性質和位置進行診斷，并進行有針對性的維護。這種預測性的維護節省了維護成本，減少了不必要的維護時間，保障了正常運轉時間，顯著提高了生產率。

2 技術分析以及定位和創新點

2.1 故障類型

排氣差是壓縮機最常見的故障之一，主要是由以下原因引起：

a.進氣濾清器故障：水垢堵塞，排氣量減少;吸引管過長，直徑過小，增強吸入阻力，影響風量。過濾器應定期清洗。

b.壓縮機轉速低沉，排氣減少：空氣壓縮機不能正常使用，空氣壓縮機的排氣設計是基于必然的高度、壓縮機吸入熱度和濕度，一旦超過上述標準，吸入壓力會降低，排氣量必然降低。

c.氣缸、活塞、活塞環磨損嚴重、超差使有關間隙增大，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，如活塞環等;屬于安裝不正確，間隙留的不合適時，應按圖紙給予糾正，如無圖紙時，可取經驗值。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.填料函不嚴產生漏氣使氣量降低。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.壓縮機吸、排氣閥故障會對排量產生影響。閥座與閥片落入金屬雜物或其他雜物中，導致密封松動、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量問題造成，如閥板翹曲、閥座、閥板磨損嚴重造成漏氣等。

f.壓縮機的吸排閥對排量有很大影響。當閥座和閥板落入金屬雜物或其他雜物中時，將導致密封松動和漏氣。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。這種問題的發生有兩種：一是由于質量問題，如閥板翹曲產生的變形;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。一般壓縮力可以通過公式計算，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。當閥門有故障，閥蓋會隨之發熱，且壓力不正常。異常溫度的異常排氣在于熱度高于設計的輔助值。

2.2 解決方案

應用仿真系統可以很容易地找出故障，如：壓縮機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。在壓縮機等領域的傳統方法中，修補焊接和刷涂是主要方法，但都有一定的缺點，比如：維修焊接的高溫熱應力不可以完全消弭，易造成質料損壞而導致彎曲或斷裂;電刷鍍受鍍層厚薄的限定，易于剝落。修補焊接和刷涂兩種方式都是使用金屬修補金屬，改變不了“硬到硬”的這種現象，在各種力量的集體作用下，仍然可能會引起再磨損。

當代西方國家采用高分子復合材料修復壓縮機傳動部件的磨損。目前，美國最先進的美嘉華技術體系具有附著力強、抗壓強度高等優良綜合性能，同時該材料還具有金屬所不具備的其它的讓步特性。如，它能經受設備的打擊，幸免造成再次磨損的可能性。

壓縮機腐蝕可分為兩種類型：綜合（均勻）腐蝕和局部腐蝕。前者更平均地發生在壓縮機的所有表面，而后者只發生在部分，如點蝕、漏洞銷蝕、晶間銷蝕、應力腐蝕等。高分子復合質料在壓縮機外貌涂覆有機涂層是最有用的防腐措施之一，它具有杰出的耐化學性、優異的機械本能和附著力。

與傳統的壓力器皿焊接修補相比，新型冷焊工藝具有動工簡單、本錢低、修復效果好等特點。壓縮機零件常因鑄造、加工缺陷、內應力、過載運行等原因產生裂紋或斷裂，在一些容易發生爆炸的危險場合，不宜采用焊接修補方法。而新型冷焊工藝可以避免熱應力和變形，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更好的運行。基于VR技術的壓縮機故障分析與診斷仿真系統操作錄屏鏈接如下：https：//share.weiyun.com/SATbw397（騰訊微云平臺）。

2.3 項目定位

該項目專注于VR的壓縮機故障分析與診斷，幫助企業安全而方便地進行壓縮機故障分析與診斷，能為企業提供安全和便捷的技術服務，且排查效率高、費用低。該項目立足于湖北，面向全國。

2.4 項目創新點

該項目采取智能的管理模式，利用各種現代化的技術，實現工廠的辦公、管理及生產自動化，達到了加強及規范企業管理、減少工作失誤、堵塞各種漏洞、提高工作效率、進行安全生產、提供決策參考、加強外界聯系、達到拓寬國際市場的目的。該項目可實現定制化檢查，整合國內外的資源。

3 技術優勢

首先，基于VR技術的壓縮機故障分析和研究系統，能幫助企業節約能源，減少環境污染，提高工作效率，改善工作質量，提升市場競爭力，獲得更好的效益。同時，該技術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，新工藝的應用也是產業數字化未來發展的必由之路。

其次，未使用仿真系統與使用仿真系統的壓縮機維修培訓完成率對比發現，壓縮機故障分析與診斷系統更加省時、省力、節約成本，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使用初衷要求之外，要有一定的拓展優勢，應加強系統對安全的自動檢測等。自我實現方面，將注重品牌效應，且有大型企業提供支持。

4 結語

在信息化高速發展的時代，仿真虛擬系統帶動傳統壓縮機行業進步不是朝夕之功。項目組用融會貫通的互補思路，將檢查壓縮機故障產業的硬核生產功能和實際運用領域的靈活營銷模式相融合，最終達成優勢生產源頭和高效營銷資源的優勢互補。同時為我國加快推進產業數字化轉型升級，實現產業的高質量發展做出了應有的貢獻。

參考文獻：

[1]劉銀華，段振霞，劉建國.基于虛擬仿真技術的氣動實驗平臺開發與應用[J.物流科技，2022，45（3）：158—160.

[2]張杰活塞式壓縮機虛擬樣機設計與仿真[J].煤礦機械，2010，31（3）：232-233.

[3]楊杰，高洪濤，張存有.基于虛擬現實的船舶制冷動態仿真系統的開發[J].航海工程，2019，48（3）：151—156.

[4]劉孝剛.三維實體虛擬仿真環境下壓縮機拆裝課件開發[J].船舶職業教育，2013，1（2）：17—20.

[5]吳懋亮，郎咸集，宋明，等.虛擬仿真技術在“液壓傳動”課程實驗中的應用[J].工業和信息化教育，2022（1）：82—85.

作者簡介：

肖凱，男，1984年生，副教授，研究方向為電子商務、商務數據分析與應用。1C6757A9-D062-4453-9ED0-800517C03459