沖擊傳感器的應(yīng)用研究

陳志軍 王正洪

摘 要:石油化工等企業(yè)大量使用的往復(fù)壓縮機(jī)有較高的故障率,給安全生產(chǎn)帶來(lái)潛在威脅。為了構(gòu)建合理有效的往復(fù)壓縮機(jī)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),除了傳統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)頻譜分析外,在一臺(tái)大型往復(fù)機(jī)上開(kāi)創(chuàng)性地安裝了METRIX公司的IT6812型沖擊傳感器,用于檢測(cè)機(jī)械松動(dòng),以及由此引發(fā)的裂縫、斷裂等嚴(yán)重事故的征兆。初步運(yùn)行表明,沖擊傳感器對(duì)機(jī)械松動(dòng)等不正常運(yùn)行狀況有很高的靈敏度,可以預(yù)防有劇烈沖擊載荷的各類(lèi)機(jī)器運(yùn)行中機(jī)件斷裂等嚴(yán)重事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞:沖擊傳感器;往復(fù)壓縮機(jī);在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng);故障診斷

中圖分類(lèi)號(hào):TH89;TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

0 引 言

往復(fù)壓縮機(jī)的機(jī)械故障診斷是一個(gè)引起廣泛關(guān)注的研究課題。往復(fù)式壓縮機(jī)的工況與旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)有很大差別,用于離心機(jī)的傳統(tǒng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)和分析技術(shù),不能成功地用于往復(fù)機(jī)。美國(guó)南加里佛尼亞洲一家工廠(chǎng)有五臺(tái)大型往復(fù)壓縮機(jī),幾年前,其中一臺(tái)壓縮機(jī)發(fā)生連桿斷裂的嚴(yán)重事故,但傳統(tǒng)的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)卻沒(méi)有發(fā)出預(yù)警信號(hào)。國(guó)內(nèi)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大型往復(fù)壓縮機(jī)的重大事故也發(fā)生過(guò)多起,僅南京某廠(chǎng)從1996年以來(lái),共發(fā)生了12起活塞桿斷裂事故,平均每年發(fā)生一起。往復(fù)壓縮機(jī)沒(méi)有狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及使用不可靠的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的狀況不能再繼續(xù)下去,必須尋找一種更好的檢測(cè)方法來(lái)防止事故重復(fù)發(fā)生。在此提出使用沖擊傳感器來(lái)檢測(cè)機(jī)械松動(dòng),進(jìn)而防止因松動(dòng)進(jìn)一步擴(kuò)展所帶來(lái)的部件裂縫甚至斷裂的嚴(yán)重后果。沖擊傳感器開(kāi)辟了監(jiān)測(cè)往復(fù)機(jī)以及類(lèi)似機(jī)器機(jī)械故障的一種全新思路,具有很好的發(fā)展前景。

1 IT6810系列沖擊傳感器的工作原理

旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的振動(dòng)信號(hào)帶有一種相對(duì)穩(wěn)定的模式,而往復(fù)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)含有大量暫態(tài)的、不穩(wěn)定的、瞬變的沖擊成分,試圖準(zhǔn)確分析每一個(gè)成分對(duì)應(yīng)于什么機(jī)理是一件很困難的工作。沖擊傳感器的思路是,所有這些暫態(tài)的、不穩(wěn)定的、瞬變的成分本身能否用來(lái)構(gòu)成┮恢知新的有效的監(jiān)測(cè)模式,也就是不再沿用旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)檢測(cè)穩(wěn)態(tài)模式的方法,而是檢測(cè)往復(fù)機(jī)所獨(dú)有的換向運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊,通過(guò)沖擊的程度來(lái)預(yù)示可能存在的螺栓松動(dòng)、間隙增大、閥片裂縫,以及很多往復(fù)機(jī)通?？赡馨l(fā)生的失效形式。

這樣一種假設(shè)是合乎邏輯的:在正常情況下,往復(fù)機(jī)應(yīng)當(dāng)具有某種沖擊“模式”。這種沖擊模式是指在┮歡為給定時(shí)間內(nèi)發(fā)生沖擊事件的幅度和次數(shù)。偏離正常狀態(tài)時(shí),例如螺栓或配合處發(fā)生松動(dòng)、運(yùn)動(dòng)部件內(nèi)部出現(xiàn)裂縫等,都將導(dǎo)致沖擊模式的明顯變化。正常模式的確定在一定程度上帶有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的性質(zhì),而不是通過(guò)理論推算而來(lái),但在實(shí)踐中被證明是可行的。在這一點(diǎn)上,很像最初靠富有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員或工人,用一根鐵棒敲敲打打,再用耳朵傾聽(tīng)機(jī)器內(nèi)部的聲音來(lái)確定機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)一樣,方法看起來(lái)很古老,但卻有效。

沖擊傳感器用來(lái)感受高幅度、短時(shí)間的尖脈沖,這個(gè)特點(diǎn)表征了往復(fù)機(jī)中存在的大多數(shù)潛在的問(wèn)題。這些尖脈沖在穩(wěn)定狀態(tài)振動(dòng)信號(hào)的總能量中并不占有明顯的比重,它們?cè)谟糜跈z測(cè)旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的傳統(tǒng)信號(hào)處理的過(guò)程中往往顯現(xiàn)不出來(lái)。而在沖擊傳感器中,專(zhuān)門(mén)的峰值檢測(cè)電路在規(guī)定的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)捕捉和計(jì)算超出閾值的沖擊事件的次數(shù),這種記數(shù)方法在實(shí)踐中被證明是非常可靠的,從而形成了沖擊傳感器的工作原理。

2 沖擊傳感器的安裝與設(shè)置

2.1 沖擊傳感器選型

南京一大型石油化工股份有限公司芳烴廠(chǎng)的GB302D氫氣壓縮機(jī)是一臺(tái)二級(jí)四缸、臥式、H型對(duì)稱(chēng)平衡往復(fù)式活塞壓縮機(jī)。為了檢測(cè)包括機(jī)械松動(dòng)以及由此引發(fā)的連桿斷裂等嚴(yán)重事故在內(nèi)的壓縮機(jī)不正常工作狀態(tài),決定安裝美國(guó)METRIX公司于2005年推出的沖擊傳感器。由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有防爆要求,故選用了帶防爆盒的IT6812型傳感器。

[BT3]2.2 沖擊傳感器安裝

由于沖擊傳感器用來(lái)辨別諸如松動(dòng)、裂縫、斷裂等狀況,故在GB302D往復(fù)壓縮機(jī)4個(gè)缸的十字頭滑道箱外殼上各布置1個(gè),安裝方向垂直于連桿的運(yùn)動(dòng)方向,用以測(cè)量往復(fù)機(jī)因連桿螺母松動(dòng)、連桿斷裂等故障所引發(fā)的沖擊烈度。圖1為可供選擇的安裝位置圖,圖2為現(xiàn)場(chǎng)安裝照片。

2.3 沖擊傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)

沖擊傳感器把新的測(cè)量方法和常規(guī)4~20 mA回路供電傳感器技術(shù)結(jié)合在一起(見(jiàn)圖3)。

它有一個(gè)內(nèi)部壓電晶體敏感元件,并使用一個(gè)定時(shí)功能作為烈度檢測(cè)的一部分。一個(gè)沖擊事件計(jì)數(shù)器和存儲(chǔ)單元用來(lái)記錄達(dá)到預(yù)設(shè)的幅度閾值等級(jí)的事件。4~20 mA信號(hào)對(duì)應(yīng)于在一個(gè)稱(chēng)作復(fù)位時(shí)間的預(yù)設(shè)時(shí)間窗口內(nèi)發(fā)生的超過(guò)閾值等級(jí)的沖擊事件的次數(shù)。電流回路負(fù)載電阻的典型數(shù)值是,在用于PLC、監(jiān)視器或DCS的場(chǎng)合中分別為50 Ω,100 Ω或250 Ω。最大電阻值玆㎜玬ax是供電電壓值的函數(shù):

傳感器規(guī)范的主要內(nèi)容為:輸出電流:4~20 mA,兩線(xiàn);沖擊范圍:在0.8~3.2 s的時(shí)間范圍內(nèi),輸出正比于沖擊次數(shù),16次沖擊對(duì)應(yīng)20 mA;沖擊閾值:50~1 200 mV;回路供電電壓:直流(VDC)15~30 V。

2.4 沖擊傳感器設(shè)置

在傳感器完成安裝,壓縮機(jī)正常工作的情況下,即可進(jìn)行閾值設(shè)定。調(diào)節(jié)傳感器參數(shù)的測(cè)試電路如圖4所示,要注意在測(cè)試模式下沖擊傳感器的電源連接極性和正常運(yùn)行模式正好是相反的。250 Ω電阻用于將電流脈沖轉(zhuǎn)換成電壓脈沖,以便在示波器上顯示。調(diào)節(jié)工作也可以借助于一個(gè)手持的6850沖擊儀進(jìn)行,該沖擊儀通過(guò)專(zhuān)用插座連接到?jīng)_擊傳感器上。6850沖擊儀帶有一個(gè)視窗,可以顯示由沖擊傳感器產(chǎn)生的供閾值設(shè)定用的脈沖和機(jī)器的振動(dòng)峰值,以及供復(fù)位時(shí)間設(shè)定用的脈沖周期(見(jiàn)圖5),同時(shí)也提供電源。旋轉(zhuǎn)傳感器上的兩個(gè)調(diào)節(jié)螺釘,可以改變脈沖周期和脈沖高度。

(1) 設(shè)定復(fù)位時(shí)間。圖5中的脈沖周期,即從第1個(gè)脈沖的上升沿到第2個(gè)脈沖的上升沿的長(zhǎng)度代表復(fù)位時(shí)間。復(fù)位時(shí)間(0.8~3.2 s)的確定取決于壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度,GB302D機(jī)的速度是300 r/min,屬于低速范圍,復(fù)位時(shí)間應(yīng)設(shè)定為3.2 s。時(shí)間值可以通過(guò)視窗上的刻度讀出。

[JP2](2) 設(shè)定沖擊閾值。圖5中兩個(gè)脈沖的高度代表閾值大小,閾值的設(shè)定取決于振動(dòng)峰值的大小。機(jī)器振動(dòng)信號(hào)僅在測(cè)試模式下才顯示出來(lái)。在測(cè)試模式下,6850沖擊儀可以顯示每個(gè)時(shí)間周期內(nèi)以mV為單位的振動(dòng)脈沖的峰值電壓,并計(jì)算和顯示出最大值。在隨后的時(shí)間周期內(nèi),如果最大峰值電壓大于前一周期的值,則顯示值將會(huì)隨之增加;如果最大峰值電壓有所減小,但仍大于前一周期最大峰值電壓的1/2,則顯示值維持不變,只有當(dāng)隨后周期內(nèi)的最大峰值電壓不足前一周期最大峰值電壓的1/2時(shí),顯示值才會(huì)減小。這種顯示方式的好處是盡可能保持峰值電壓的相對(duì)穩(wěn)定,便于設(shè)定沖擊閾值。沖擊閾值一般設(shè)定為振動(dòng)信號(hào)峰值的2~3倍,如果機(jī)器已經(jīng)存在輕微的松動(dòng),則閾值設(shè)置應(yīng)稍低一些。[JP]

(3) 4~20 mA電流的測(cè)量,此時(shí)沖擊傳感器進(jìn)入正常工作模式。6850沖擊儀可以讀出由沖擊傳感器產(chǎn)生的電流值。電流值與沖擊次數(shù)的關(guān)系是:在3.2 s的時(shí)間內(nèi),如果沒(méi)有發(fā)生超過(guò)閾值的沖擊事件,傳感器輸出4 mA,每增加1次超過(guò)閾值的沖擊事件,輸出增加1 mA,一直到發(fā)生16次以上超過(guò)閾值的沖擊事件,傳感器輸出20 mA。電流輸出的改變發(fā)生在每次復(fù)位時(shí)間周期的結(jié)束時(shí)刻,但是如果發(fā)生16次以上超過(guò)閾值的沖擊事件,則電流立即上升至20 mA,而不是等到時(shí)間周期結(jié)束,這是出于往復(fù)機(jī)運(yùn)行安全的考慮。

3 應(yīng)用情況

沖擊事件超出允許范圍的報(bào)警電流值可以按不同應(yīng)用自行設(shè)定,例如早期預(yù)警可以設(shè)定為8 mA(4次超出閾值的沖擊事件),緊急警報(bào)可以設(shè)定為12 mA(8次超出閾值的沖擊事件)。閾值設(shè)定值與報(bào)警電流值存在一定關(guān)系,如果閾值設(shè)置得較低,那么報(bào)警電流值應(yīng)設(shè)置得較高些。為了積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),不要過(guò)早地把報(bào)警信號(hào)和壓縮機(jī)的運(yùn)行直接采用機(jī)械連鎖,而是把報(bào)警形式設(shè)計(jì)為在上位機(jī)主頁(yè)面上用不同顏色顯示越界的撞擊事件次數(shù),以引起工作人員注意。另外,可以在壓縮機(jī)參數(shù)分析頁(yè)面中的趨勢(shì)分析菜單下,展示壓縮機(jī)4個(gè)汽缸包括沖擊次數(shù)在內(nèi)的特征參數(shù)的歷史走向,改變顯示區(qū)下方的滑塊位置,可以檢查不同日期和時(shí)間超出閾值的沖擊次數(shù)。

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行初期,曾發(fā)生兩次報(bào)警信號(hào),一次是由于傳感器防爆盒的蓋子松動(dòng)引發(fā)的,壓縮機(jī)的整機(jī)振動(dòng)帶動(dòng)防爆盒蓋子和盒體發(fā)生斷斷續(xù)續(xù)的沖擊,使得該氣缸的傳感器輸出時(shí)大時(shí)小,把蓋子擰緊后傳感器輸出恢復(fù)正常,這說(shuō)明沖擊傳感器非常靈敏。另一次則真[LL]正與壓縮機(jī)運(yùn)行狀況有關(guān),即GB302D機(jī)3號(hào)缸的沖擊事件指示數(shù)明顯比其他缸高,后經(jīng)工作人員證實(shí),該缸的十字頭確實(shí)略有松動(dòng),這說(shuō)明傳感器工作正常,并正常發(fā)揮了監(jiān)測(cè)作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

從初步使用情況中發(fā)現(xiàn),沖擊傳感器對(duì)沖擊事件很敏感,非常適合于監(jiān)測(cè)機(jī)械松動(dòng)、閥片裂縫、螺栓連桿斷裂前兆等諸如此類(lèi)的機(jī)械故障,由此構(gòu)成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),有望預(yù)防往復(fù)壓縮機(jī)以及同類(lèi)機(jī)器嚴(yán)重事故的發(fā)生,具有明顯的安全和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 陳志軍 男,1966年出生,江蘇常州人,江蘇工業(yè)學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師。研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。