化工制冷壓縮機異常振動的非線性補償方法研究

華 雷

（浙江省天正設計工程有限公司）

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)增長，化工行業(yè)得到了飛速發(fā)展。 化工制冷壓縮機作為化工行業(yè)核心應用產(chǎn)品之一，其工作性能至關重要，因此，化工制冷壓縮機的安全穩(wěn)定運行一直是行業(yè)研究的重點［1］。目前，化工行業(yè)內(nèi)的制冷壓縮機故障檢測方法正在逐步發(fā)生變化，由傳統(tǒng)的定期維修轉(zhuǎn)向預知性維修，要想實現(xiàn)對化工制冷壓縮機的預知性維修，最重要的就是掌握其實時運行狀態(tài)，只有對機組進行實時檢測，提前預知制冷壓縮機的運行趨勢，準確判斷出維修時機，及時對設備進行維修才能避免事故的發(fā)生［2］。 如果現(xiàn)場的制冷壓縮機發(fā)生異常振動， 說明壓縮機存在故障隱患，但這是一個緩慢的發(fā)展過程，足以通過研究確定其異常振動的發(fā)展規(guī)律，進而確定維修機器的準確時機［3］。相對于突發(fā)類的故障來說，如果可以通過異常振動的補償，提前檢測到異常狀態(tài)并及時發(fā)出預警，進而開啟聯(lián)鎖保護，可避免重大事故的發(fā)生。

付楚琪等提出一種振動環(huán)境下化工制冷壓縮機異常振動補償方法，利用動態(tài)誤差構(gòu)建制冷壓縮機異常模型，根據(jù)對制冷壓縮機異常模型的誤差因素進行分析，在制冷壓縮機上加上振動輸入動態(tài)誤差值，減少異常振動的誤差，提高制冷壓縮機運行穩(wěn)定性。 通過多組實例進行實驗并采集數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)合實例驗證結(jié)果證明該補償方法的可行性［4］。 李雅婷等及時檢測出制冷壓縮機的異常工作狀態(tài)，提出一種制冷壓縮機異常振動補償方法，首先利用混頻技術采集制冷壓縮機正常運行過程中的振動信號和反向掃描新頻率信號，并計算出兩種振動信號的閾值，分別采集振動信號為10、20 Hz的異常振動信號， 通過對其進行反向掃描（掃描帶寬設置為20 nm，兩種振動信號待測距離為6 m），計算出制冷壓縮機工作狀態(tài)下的周期性位移，再根據(jù)混頻技術消除制冷壓縮機異常振動狀態(tài)下的測距影響，將誤差降至補償前的1.052 mm［5］。 該方法可以直接檢測出制冷壓縮機的異常振動信號并進行補償，有效降低事故的發(fā)生率。 但是，當前方法針對振動的非線性干擾，沒有進一步研究，只是簡單地把非線性轉(zhuǎn)化成線性的， 隨著化工現(xiàn)場復雜程度的增加，這種針對振動的非線性干擾越來越明顯。

基于以上研究背景，筆者針對化工制冷壓縮機異常振動情況， 設計一種非線性補償方法，以保證化工制冷壓縮機運行的穩(wěn)定性。

1 化工制冷壓縮機異常振動非線性補償方法設計

1.1 制冷壓縮機異常振動的規(guī)律非線性特征分解

化工制冷壓縮機在運行過程中， 受加工材料、現(xiàn)場復雜程度等因素的影響，會造成壓縮機的質(zhì)量偏心［6］，圖1所示為化工制冷壓縮機質(zhì)量偏心示意圖。

圖1 化工制冷壓縮機質(zhì)量偏心示意圖

由式（4）可知，由于壓縮機的異常振動導致坐標系中的α、β發(fā)生非線性振蕩干擾， 使制冷壓縮機發(fā)生異常振動， 以異常振動頻率為曲線，形成不平衡的異常振動頻率，根據(jù)選取的異常振動頻率， 推算出異常振動規(guī)律分解后的非線性特征。

1.2 計算制冷壓縮機異常振動特征補償偏移值

化工現(xiàn)場的制冷壓縮機異常振動補償裝置由2組補償梁和激光攝像傳感器組成（圖2）［9］。 2#和3#激光攝影傳感器主要用于記錄制冷壓縮機運行過程中壓縮機梁體的振動規(guī)律特征，以制冷壓縮機靜止狀態(tài)為基準，計算動態(tài)過程中化工制冷壓縮機姿態(tài)變化所產(chǎn)生的水平、垂向偏移和偏移角，方便后期及時補償異常振動誤差［10］。

圖2 化工制冷壓縮機異常振動補償裝置

如圖3所示，根據(jù)制冷壓縮機2組補償梁的中心點構(gòu)建坐標系Owxwyw：水平坐標軸為Owxw，垂直坐標軸為Owyw。

圖3 坐標系簡圖

當化工制冷壓縮機發(fā)生異常振動時，檢測到振動頻率為θ， 構(gòu)建化工制冷壓縮機異常振動傳感器坐標系Ow′xw′yw′。 兩個補償梁間的距離值為OwO3。 將補償梁與制冷壓縮機看成一個整體［11］，得到Ow′O3′=OwO3。

測量化工制冷壓縮機靜止狀態(tài)下，補償梁特征點A、B的激光攝影傳感器2#、3#的坐標為（x2，y2）和（x3，y3），根據(jù)上述得到的異常振動頻率，得到補償梁特征點C的坐標為（x1，y1），此時化工制冷壓縮機靜止狀態(tài)下的振動頻率θ′為：

化工制冷壓縮機異常振動補償偏移是指：制冷壓縮機正常運轉(zhuǎn)過程中提取的不平衡的異常振動位移［13］，而補償環(huán)節(jié)就是對補償梁上的異常振動位移的不平衡及時做出修正，使整個制冷壓縮機運行不受異常振動的偏移值影響。

1.3 設計化工制冷壓縮機異常振動非線性補償算法

在進行化工制冷壓縮機異常振動補償時，通過光電探測器采集異常振動信號， 并利用DSP處理器進行快速處理，補償化工制冷壓縮機異常振動引起的非線性誤差變化［14］。 當光電探測器進行高速率波長掃描時，波長隨時間線性增長，導致相位發(fā)生周期性變化，同時環(huán)境噪聲對干涉儀的干擾使得化工制冷壓縮機相位產(chǎn)生隨機性的變化［15］。

因此，在t時刻所獲得的化工制冷壓縮機相位可表示為：

其中，t、t+Δt分別為化工制冷壓縮機異常振動信號的起始和結(jié)束時刻。

筆者根據(jù)以上計算步驟，設計了化工制冷壓縮機異常振動補償算法，實現(xiàn)了化工制冷壓縮機異常振動的非線性補償。

2 實驗驗證

為驗證文中非線性補償方法在化工制冷壓縮機轉(zhuǎn)速變化和磁鏈變化過程中的補償效果，分別在轉(zhuǎn)速2 000、4 000 r/min、磁通量0.85、0.40 Wb的條件下，利用6sigma room進行仿真實驗。 化工制冷壓縮機的仿真參數(shù)設置情況如下：

在上述仿真參數(shù)的支撐下，采集了化工制冷壓縮機在補償之前的異常振動信號（圖4）。

圖4 化工制冷壓縮機異常振動信號在補償之前的波形圖

由圖4所示波形圖可以看出， 當化工制冷壓縮機轉(zhuǎn)速由2 000 r/min變化為4 000 r/min時，異常振動信號的幅值由0.70上升到1.20， 說明在非線性補償之前， 化工制冷壓縮機的轉(zhuǎn)速越大，化工制冷壓縮機異常振動越明顯；當化工制冷壓縮機磁通量由0.85 Wb變化為0.40 Wb時，化工制冷壓縮機異常振動信號的幅值由0.95 下降到了0.60，說明在非線性補償之前，化工制冷壓縮機的磁通量越小，化工制冷壓縮機異常振動越明顯。

采用筆者設計的非線性補償方法對化工制冷壓縮機轉(zhuǎn)速變化和磁鏈變化中的異常振動信號進行補償，得到了化工制冷壓縮機異常振動信號在補償之后的波形圖（圖5）。

從圖5可以看出， 采用筆者設計的非線性補償方法對化工制冷壓縮機轉(zhuǎn)速變化的異常振動信號進行補償之后， 無論是在2 000 r/min轉(zhuǎn)速下還是4 000 r/min轉(zhuǎn)速下， 化工制冷壓縮機異常振動信號的振動幅值都可以控制在0.10以內(nèi)， 說明該非線性補償方法不會受到化工制冷壓縮機轉(zhuǎn)速的影響，對化工制冷壓縮機異常振動信號具有更好的補償效果，可以很好地控制化工制冷壓縮機穩(wěn)定運行；對化工制冷壓縮機磁鏈變化的異常振動信號進行補償之后， 無論是在0.85 Wb磁通量下還是0.40 Wb磁通量下， 化工制冷壓縮機異常振動信號的振動幅值都可以控制在0.15以內(nèi)，雖然比轉(zhuǎn)速對化工制冷壓縮機振動的影響大，但是仍然具有很好的補償效果，保證了化工制冷壓縮機運行的穩(wěn)定性和安全性。

圖5 化工制冷壓縮機異常振動信號在補償之后的波形圖

3 結(jié)束語

筆者提出了新型化工制冷壓縮機異常振動的非線性補償方法研究，并通過實驗驗證了該補償方法的可行性，實現(xiàn)了化工制冷壓縮機異常振動的非線性補償。 但是在高溫的工作環(huán)境下可能會增加化工制冷壓縮機運行負載， 出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動，在轉(zhuǎn)矩脈動加大的情況下還是會降低制冷壓縮機運行穩(wěn)定性，因此，該研究仍然存在一定缺陷。 在今后的研究中，還需要考慮到工作環(huán)境，以排除環(huán)境因素對化工制冷壓縮機振動補償效果的影響。