基于做功周期信號采集的往復(fù)壓縮機(jī)故障診斷方法研究

權(quán)春鋒，王江萍，2

（1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，陜西西安710300；2.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710065）

基于做功周期信號采集的往復(fù)壓縮機(jī)故障診斷方法研究

權(quán)春鋒1，王江萍1，2

（1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，陜西西安710300；2.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710065）

根據(jù)DPC800系列往復(fù)壓縮機(jī)基本結(jié)構(gòu)和原理，實時監(jiān)測壓縮機(jī)運行周期的高頻振動信號、超聲波信號和缸體氣體壓力信號，對高頻振動信號和超聲波信號進(jìn)行高頻帶通濾波和包絡(luò)處理，通過波形圖和壓力曲線圖來判斷壓縮機(jī)故障原因。

往復(fù)壓縮機(jī)；高頻振動信號；壓力曲線；超聲波；故障診斷

1　引言

往復(fù)壓縮機(jī)是石油煉化生產(chǎn)流程中的重要設(shè)備，與其他類型壓縮機(jī)相比，具有排氣壓力高、熱效率高和排氣壓力比較穩(wěn)定等優(yōu)點。但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件繁多，發(fā)生故障后，故障診斷工作極其困難，往往很難找到故障源，故往復(fù)壓縮機(jī)故障診斷技術(shù)的研究一直備受相關(guān)專家高度關(guān)注［1］。本文基于美國Cooper公司生產(chǎn)DPC-800系列往復(fù)壓縮機(jī)組為診斷對象，利用壓縮機(jī)每一個做功周期的氣缸壓力曲線、機(jī)器的振動信號和超聲波波形對壓縮機(jī)組進(jìn)行實時診斷監(jiān)控。在機(jī)組運轉(zhuǎn)的情況下，監(jiān)控機(jī)組實時運行參數(shù)，分析故障隱患，能給壓縮機(jī)組維修保養(yǎng)提出建設(shè)性意見，確保天然氣處理工藝流程平穩(wěn)、安全、高效的運行。

2　Cooper整體式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)特點和工作原理

DPC-800系列整體式往復(fù)天然氣壓縮機(jī)組（見圖1）由美國Cooper公司生產(chǎn)，發(fā)動機(jī)與壓縮機(jī)共用一根曲軸且都處在一個底座（撬座）上［2］。活塞動力由四沖程燃?xì)獍l(fā)動機(jī)提供，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)2圈（720°），動力活塞與壓縮活塞在缸內(nèi)各往復(fù)運動2次，分別完成吸氣、壓縮、做功、排氣4個沖程所組成的2個工作循環(huán)。

DPC-800往復(fù)壓縮機(jī)主要由動力端（發(fā)動機(jī)）、曲軸箱和壓縮機(jī)端構(gòu)成，圖2所示為壓縮機(jī)單缸做功簡圖。發(fā)動機(jī)通過燃?xì)馊紵蛎浲苿觿恿Χ嘶钊鶑?fù)運動，活塞通過十字頭與動力連桿相連，從而動力連桿帶動曲軸旋轉(zhuǎn)。壓縮活塞通過壓縮機(jī)端十字頭與壓縮連桿相連，而壓縮連桿與曲軸連接，從而曲軸的旋轉(zhuǎn)將推動壓縮缸活塞做功［3］。

圖1　DPC-800系列整體式往復(fù)天然氣壓縮機(jī)組

3　往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)的故障診斷監(jiān)測參數(shù)

3.1壓力檢測

往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)做功狀況的好壞一個重要表象就是氣缸壓力曲線是否穩(wěn)定。通過監(jiān)測，我們得到發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力的變化曲線。然后參照廠家所給的技術(shù)參數(shù)如：點火提前角、缸徑尺寸、進(jìn)氣門和排氣門的位置等來判斷氣缸壓力曲線是否正常，從而得到發(fā)動機(jī)的做功狀況。例如：氣缸壓力曲線偏低，可能進(jìn)氣門堵塞、燃燒不充分、點火提前角過大等；氣缸壓力曲線偏高，可能排氣門堵塞、發(fā)動機(jī)出現(xiàn)爆燃、點火提前角過小等［4］。

3.2振動信號監(jiān)測

由圖2可見，往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)的主要運動機(jī)構(gòu)是2對曲柄連桿和一根曲軸。在運行過程中，活塞和十字頭做往復(fù)運動，曲軸做旋轉(zhuǎn)運動，連桿既有旋轉(zhuǎn)運動，又有往復(fù)運動。動力活塞承受燃燒膨脹的推力產(chǎn)生的往復(fù)慣性力，壓縮活塞收到壓縮氣體的反作用力產(chǎn)生的慣性力，連桿將收到前者的往復(fù)慣性力和曲軸產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力，這些慣性力的合成將會使壓縮機(jī)組產(chǎn)生振動。當(dāng)然除了這些機(jī)械運動部件產(chǎn)生的振動之外，在壓縮端，進(jìn)氣門和排氣門啟閉將會沖擊氣門座，從而產(chǎn)生振動；發(fā)動機(jī)端燃?xì)獾倪M(jìn)入、廢氣得排出的波動也會產(chǎn)生振動。選擇合適的測試點和頻段，可以得到清晰的振動信號。當(dāng)機(jī)組發(fā)生故障時，如壓縮端進(jìn)、排氣閥的破損、連桿螺栓松動、十字頭滑道磨損、氣缸內(nèi)有雜物時，檢測的振動信號就會存在差異，如相位、振幅、波形改變［5］。

目前，根據(jù)振動信號診斷壓縮機(jī)故障主要是利用振動時域波形、振動頻譜（FFT）和小波分析技術(shù)。時域波形分析是指如果往復(fù)壓縮機(jī)組發(fā)生故障，故障激勵源將會產(chǎn)生沖擊信號，沖擊信號會在檢測波形中顯示出來，但無法確定沖擊信號對應(yīng)的故障位置，故根據(jù)沖擊信號判斷故障類型存在很大困難。振動頻譜分析是將檢測到的振動時域波形通過快速傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻域，提供了一種便捷的、全頻帶分析工具。由于往復(fù)壓縮機(jī)組振動激勵源復(fù)雜，所以將產(chǎn)生非平穩(wěn)的振動時域波形。在快速傅里葉變化中，不能非常具體的表現(xiàn)出頻譜特性。小波分析可以說是頻譜分析的改進(jìn)方法，它可以對時域信號進(jìn)行平移和縮放，并且可以選擇自己所需頻段，添加時頻窗，但是實際中，工程師很難從分析結(jié)果中提取必要的診斷信息或者獲得信息而不能正確判斷故障的嚴(yán)重程度。

本研究在采集振動信號時，通過采集壓縮機(jī)每一個完整做功周期的振動信號，以磁座安裝的加速度傳感器的共振頻率范圍5.6～44 kHz作為監(jiān)測頻帶，即對時域振動信號進(jìn)行帶通濾波（5.6～44 kHz）之后，采用包絡(luò)處理，根據(jù)包絡(luò)信號的頻率成分識別故障。因為檢測信號頻率較高，衰減快，相鄰氣缸干擾減小，并經(jīng)過濾波和包絡(luò)處理，所以測試信號指向性好，故障沖擊信號能很好的解調(diào)出來。

3.3超聲波檢測

圖2　DPC-800往復(fù)天然壓縮機(jī)單缸做功示意圖

超聲波頻率在20 kHz以上，產(chǎn)生條件有摩擦和紊流［6］。DPC-800系列往復(fù)天然氣壓縮機(jī)進(jìn)、排氣閥都是蘑菇閥。蘑菇閥進(jìn)氣或排氣時，氣體快速通過蘑菇孔時，會形成氣體紊流現(xiàn)象，這樣蘑菇閥的開啟或關(guān)閉就會形成超聲波信號。根據(jù)這一特性，我們可以通過測試蘑菇閥附近超聲波信號來判斷氣閥故障，研究波形的振幅、相位、形狀可以判斷氣閥的提前、延遲關(guān)閉與開啟、閥墊和氣缸墊泄漏、氣閥泄漏、閥窩堵塞及氣閥通道堵塞等故障。通過試驗，使用RECIP-TRAP 9240監(jiān)測儀，頻率范圍在36～44 kHz之間，信號穩(wěn)定。

3.4監(jiān)測儀器簡介

RT9240往復(fù)機(jī)械診斷儀是美國Dynalco Controls公司生產(chǎn)的，它由RECIP-TRAP 9240監(jiān)測硬件和RTwin9.1分析軟件2部分組成［7］。RT9240往復(fù)式機(jī)械診斷儀器包括數(shù)據(jù)采集器、振動加速度傳感器、缸壓傳感器、氣閥超聲波傳感器和溫度傳感器等組成。采集器上有4個通道，可以連接傳感器和附屬配件等，Rtwin9.1分析軟件主要對監(jiān)測信號進(jìn)行數(shù)字濾波、包絡(luò)處理、相關(guān)分析等。通過RT9240往復(fù)式診斷儀可以直觀、準(zhǔn)確的、實時的判斷故障類型，從而排除隱患。

4　壓縮機(jī)組工況實時監(jiān)測與故障診斷

4.1測試點的選擇

在發(fā)動機(jī)端：由于缸體上有冷卻水道、注油管線等會對振動信號有干擾，所以振動測試點選擇在缸蓋表面火花塞附近，用磁力吸座連接。在火花塞附近鉆螺紋孔用于安裝壓力傳感器轉(zhuǎn)接頭，在故障監(jiān)測前為絲堵封堵，當(dāng)需要檢測時，連接壓力傳感器接頭和數(shù)據(jù)采集器，通過數(shù)據(jù)采集器可以得到缸內(nèi)壓力信號。

在壓縮機(jī)端：由于活塞往復(fù)運動一次，壓縮活塞前后各做功一次，所以壓力傳感器在靠近缸頭端和靠近曲軸端都分別安裝，安裝的方式和動力端一樣，正常運轉(zhuǎn)時用絲堵封堵。當(dāng)需要檢測時，連接壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集器，可獲得氣缸內(nèi)壓力信號。進(jìn)氣閥和排氣閥的振動，使用超聲波檢測，故測試點選擇在閥蓋上，監(jiān)測點位置選擇見圖3。

為完成壓縮機(jī)每一個做功周期內(nèi)狀態(tài)參數(shù)準(zhǔn)確的測量和性能分析，所有測試均以飛輪標(biāo)記的鍵相傳感器作為觸發(fā)，采集數(shù)據(jù)均處理為相對于曲軸轉(zhuǎn)角的信號。

4.2現(xiàn)場診斷案例分析

本次監(jiān)測針對美國Cooper公司產(chǎn)DPC800系列往復(fù)式壓縮機(jī)組。3個動力缸，每個缸蓋上分別采集振動信號、超聲波信號和缸體壓力曲線。3個壓縮缸、即2個一級壓縮缸和一個2級壓縮缸，每個缸體的分別采集超聲波信號和缸體內(nèi)壓力。

圖3　發(fā)動機(jī)端和壓縮機(jī)端監(jiān)測點

（1）動力缸氣閥故障。圖4所示為2011年5月對2#燃?xì)鈮嚎s機(jī)發(fā)動機(jī)進(jìn)行狀態(tài)檢測的結(jié)果。圖中包含4個動力缸的壓力信號、高頻振動信號和超聲波曲線，標(biāo)出了進(jìn)排氣門、燃?xì)忾y的開啟、關(guān)閉相位角度。

從圖上可以看出4個動力缸燃燒開始角度分別為5°、-2°、2°、0°；峰值燃燒壓力角分別為22°、21°、22°、21°；動力缸的排氣溫度分別為395℃、395℃、403℃、397℃；各缸排氣溫度偏高（正常溫度一般在370℃左右），1#缸燃燒角度為5°（正常為0°），除1#動力缸燃燒開始角度過遲外，其余基本正常，峰值燃燒壓力角度也在范圍之內(nèi)。各缸指示功率分別為116 kW、135 kW、133 kW、130 kW；1#缸指示功率相對偏小，說明注氣閥開度較小、壓力不足，2#、3#缸指示功率相對偏大，說明注氣閥開度大導(dǎo)致壓力偏高。從2#和3#缸壓力曲線可以看出，壓力異常，缸內(nèi)未達(dá)到相應(yīng)的壓力，說明存在軟點火和死缸現(xiàn)象。4#缸在進(jìn)氣閥和排氣閥都出現(xiàn)振幅過高，說明空氣閥或者進(jìn)氣孔存在故障隱患。

考慮生產(chǎn)運行和工藝要求，直至在2011年11月，對2#燃?xì)鈮嚎s機(jī)組進(jìn)行第2次保養(yǎng)。拆卸下缸體，發(fā)現(xiàn)4#動力缸缸體在空氣吸入通道和排氣通道內(nèi)積炭嚴(yán)重，阻礙空氣的吸入，導(dǎo)致空氣和燃?xì)饣旌媳壤Ш?，燃?xì)舛?，空氣少，?dǎo)致爆燃、敲缸和排氣溫度高的主要原因。

（2）壓縮機(jī)端活塞裂紋。2011年5月，對2#燃?xì)鈮嚎s機(jī)壓縮端進(jìn)行狀態(tài)檢測，獲得圖5所示進(jìn)排氣閥處超聲波信號和缸體內(nèi)壓力曲線。

壓縮機(jī)3#缸（二級壓縮缸）曲軸端2個排氣閥開啟時刻振動幅值偏大，缸頭端吸氣閥開啟與關(guān)閉時刻振動幅值偏大，十字頭對應(yīng)活塞桿受力反向位置的沖擊振幅一直偏大，預(yù)示3#缸存在嚴(yán)重故障。

圖4　發(fā)動機(jī)端振動和壓力檢測圖

圖5　壓縮機(jī)端超聲波信號和壓力曲線

在2011年11月對2#燃?xì)鈮嚎s機(jī)進(jìn)行二次保養(yǎng)時，拆卸3個缸體內(nèi)活塞，發(fā)現(xiàn)3#壓縮缸活塞表面出現(xiàn)明顯的裂紋。

（3）動力端燃?xì)忾y開度異常。2011年6月對1#壓縮機(jī)組發(fā)動機(jī)端4個動力缸分別提取高頻振動信號、超聲波信號和缸體壓力曲線，如圖6所示。

檢測結(jié)果：發(fā)動機(jī)各缸平均有效壓力分別為4.11 bar、4.18 bar、4.48 bar、4.19 bar；指示功率分別為117 kW、120 kW、130 kW、120 kW；燃燒開始角度分別為6°、3°、-1°、0°；峰值燃燒壓力角度分別為26°、25°、20°、24°。從1#缸壓力曲線上反映出死缸和軟點火循環(huán)較多，平均有效壓力偏低，燃燒開始角度滯后。主要原因：燃?xì)庹{(diào)整過稀，火焰不能有效傳播。

圖6　發(fā)動機(jī)端振動信號和壓力曲線異常

根據(jù)檢測結(jié)果，現(xiàn)場技術(shù)人員及時調(diào)整燃?xì)忾y開度。將1#缸注氣閥開度調(diào)大，同時減少3#缸注氣閥開度。將4個動力缸注氣閥開度調(diào)平衡后，又進(jìn)行現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)各缸平均有效壓力、指示功率和燃燒開始角度都相互平衡，機(jī)組帶載荷能力加強(qiáng)，無異響等現(xiàn)象。

（4）壓縮機(jī)端氣閥故障。圖7為2011年6月使用超聲波信號、高頻振動信號和缸體壓力信號對壓縮機(jī)端進(jìn)排氣閥進(jìn)行監(jiān)測的結(jié)果。比較圖7中3個缸的對應(yīng)壓力曲線和超聲波曲線，可以看出：2#曲軸端壓力曲線呈現(xiàn)鋸齒狀，而且壓力曲線不平穩(wěn)。從超聲波曲線上可以看出相位在360°左右時，振幅異常較大。打開排氣閥蓋后，發(fā)現(xiàn)排氣閥中有一個蘑菇閥片被氣流打為兩半，而造成排氣閥漏氣嚴(yán)重。

圖7　壓縮機(jī)端超聲波振動信號和壓力曲線圖

5　結(jié)論

首先，研究美國Cooper公司DPC-800系列往復(fù)壓縮機(jī)組的工作原理，分析曲軸轉(zhuǎn)角與點火正時、空氣閥、燃?xì)忾y、排氣閥相位之間的對應(yīng)關(guān)系等。然后，在發(fā)動機(jī)端，結(jié)合缸壓測試曲線、高頻測試振動信號、超聲波信號分析發(fā)動機(jī)點火故障類型，如點火提前角過大，空氣閥堵塞、燃燒室積炭嚴(yán)重等；在壓縮機(jī)端，基于超聲波測試信號和缸壓測試信號，分析壓縮缸故障，如蘑菇閥故障、活塞間隙是否合適、十字頭滑道磨損等；通過現(xiàn)參考文獻(xiàn)：

場實際測試驗證，整周期高頻振動信號可以準(zhǔn)確的診斷往復(fù)壓縮機(jī)組故障源，設(shè)備管理與維修實現(xiàn)了在線檢測和適情維修，做到故障先期發(fā)現(xiàn)，及時消除。根據(jù)設(shè)備檢測狀況，適時調(diào)整設(shè)備二級保養(yǎng)周期，大大降低員工勞動強(qiáng)度和維修成本費用，是往復(fù)壓縮機(jī)故障診斷技術(shù)的重要手段。

［1］王江萍.機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)及應(yīng)用［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

［2］Cooper Energy Services.Operation Maintenance Parts Composite Manual DPC-800 Compressor［M］.Contract No. 9822.Serial No.84489.

［3］Paul C.lon，Compressor Handbook［M］.2001.

［4］朱榮乾，張慶龍.往復(fù)壓縮機(jī)典型故障特征分析與診斷實例［J］.壓縮機(jī)技術(shù)，2010，（1），46-48.

［5］程明.基于振動測試的往復(fù)式壓縮機(jī)的故障診斷［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2010，（6），89-90.

［6］周健成.超聲波檢測技術(shù)在設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用［J］.檢測技術(shù)，2009，48（7），48-49.

［7］Dynalco Corp of America.RT9240往復(fù)壓縮機(jī)分析系統(tǒng)用戶手冊［K］.2001.

Research on Fault Diagnosis Method for Reciprocating Compressors Based on Whole Cycle Acting Signal Collection

QUAN Chun-feng1，WANG Jiang-ping1，2

（1.School of Automobile Engineering，Shanxi Institute of Technology，Xi′an 710300，China；2.School of Mechanical Engineering，Xi′an Shiyou University，Xi′an 710065，China）

On the basis of the basic structure and principle of DPC800 series reciprocating compressors，high frequency vibration signal and cylinder pressure curve with ultrasonic in very whole cycle can be real-time monitored.Then，through filtering and enveloping high frequency vibration signal and ultrasonic vibration signal，the causes of malfunction by waveform and pressure curve could be determined.

reciprocating compressor；high frequency vibration signal；pressure curve；ultrasonic；fault diagnosis

TH457

B

1006-2971（2015）04-0017-05

權(quán)春鋒（1986-），男，碩士研究生，畢業(yè)于西安石油大學(xué)，研究方向為機(jī)械故障診斷。E-mail:chunfeng0505@126.com

2015-01-08