基于活塞桿沉降位移信號的活塞桿斷裂故障診斷方法的研究

李曉博，江志農(nóng)，佟艷賓，劉 帥，張進杰

（1.北京化工大學診斷與自愈工程研究中心，北京 100029；2.中國石化北京燕山分公司，北京 102500）

1 前言

活塞桿斷裂故障是往復壓縮機的一類嚴重故障，斷裂發(fā)生部位均在活塞桿上，具體位置不定［1］。研究表明，活塞桿斷裂故障是由于活塞桿內(nèi)部裂紋集聚、擴展，最終導致活塞桿發(fā)生疲勞斷裂［2～5］。故障發(fā)生突然、持續(xù)時間短暫，并且難以捕捉故障特征，以及處理措施，因此需要研究活塞桿斷裂故障診斷方法，進行該故障的預警和診斷。

由于活塞桿斷裂故障的嚴重性以及頻發(fā)性，國內(nèi)外許多研究人員對其做了深入的研究。邢萬坤等利用電子顯微鏡對活塞桿進行微觀檢查，得出斷口屬于疲勞斷裂的結(jié)論并對裂紋生產(chǎn)過程進行了探討分析［6］。馬波等采用聲發(fā)射技術對斷裂故障做了早期預警研究［7］；劉彤等研制了裂紋深度自動測量系統(tǒng)，可以利用裂紋擴展數(shù)據(jù)分析檢測設備的表面裂紋狀態(tài)，從而對活塞桿斷裂故障進行預警［8］；楊波等在對壓縮機的動力、熱力特性以及機組振動詳細計算的基礎上，對活塞桿斷裂進行了仿真模擬計算［9］；吳冬果等從活塞桿的材料化學成分、金相組織及機械性能等出發(fā)，分析活塞桿斷裂的原因并提出了改進措施［10］。

但是現(xiàn)有的診斷方法在往復壓縮機活塞桿斷裂故障診斷方面受到多種因素的影響，以致應用受阻。本文將在Griffith提出的裂紋擴展的能量平衡準則的基礎上［11］，通過對往復壓縮機活塞桿沉降位移信號進行小波降噪，提取活塞桿斷裂故障報警或診斷的特征參數(shù)。

2 斷裂機理分析、小波降噪及特征提取

2.1 活塞桿斷裂機理分析

Griffith提出的裂紋擴展的能量平衡準則中討論了裂紋尺寸與應變能的關系［12］。圖1為Griffith裂紋。

圖1 Griffith裂紋

如圖1所示，對于帶有長度為2a的切口裂紋的板在與裂紋垂直的方向上受均勻分布的拉應力σ，該板的應變能U為：

式中UO——沒有裂紋情況下，板的應變能

B，E——板的厚度、彈性模量

簡單地說，裂紋的產(chǎn)生及擴展會導致應變能增加；或者說，外力不變的情況下，裂紋的產(chǎn)生及擴展導致應變增加。

另外壓縮機運行過程中，活塞桿橫向振動屬于自激振動［13］。所謂自激振動，是指輸入的能量與消耗的能量達到平衡時，系統(tǒng)可維持等幅振動［14～18］?；钊麠U部件的系統(tǒng)包括活塞桿、活塞、支撐環(huán)和十字頭，該系統(tǒng)輸入的能量主要來自于支撐環(huán)與氣缸內(nèi)壁的摩擦，也主要消耗于該摩擦中，而輸入能量與消耗能量的差量，以活塞桿的橫向振動的形式保存在活塞桿系統(tǒng)之中。如果活塞桿內(nèi)產(chǎn)生裂紋或者裂紋擴展，那么在摩擦力不變的情況下，會使活塞桿的應變能增大，表現(xiàn)為活塞桿橫向振動的幅值增大。

2.2 活塞桿沉降位移信號的處理與特征提取

為了捕捉活塞桿振動幅值，通過安裝在往復壓縮機上的活塞桿沉降位移傳感器采集活塞桿沉降位移信號，圖2是活塞桿沉降位移傳感器的布置示意，圖3是一個周期的活塞桿沉降位移信號。并對該信號作離散傅里葉變換，變換后的頻譜圖如圖4所示。

圖2 活塞桿沉降位移傳感器布置示意

圖3 一個周期的活塞桿沉降位移信號

圖4 變換后的頻譜

在該頻譜圖中，0～200 Hz范圍的低頻部分有較高的幅值，這可能是由于氣缸內(nèi)壁、活塞桿表面形位誤差導致的，從而掩蓋了其他頻率范圍的幅值信息。

小波變換，又稱為小波分析，它是一種新的時域變換分析方法，它具有在時域和頻域可以同時進行局部化的特點，它的多分辨率信號分析使得人們將它譽為“數(shù)學顯微鏡”。現(xiàn)在小波變換理論已經(jīng)被廣泛應用到了各種領域。

本文用小波降噪濾去0～200 Hz范圍的頻率成分。圖5，6分別是小波降噪之后的活塞桿沉降位移信號以及頻譜。從該頻譜圖中可見，0～200 Hz范圍的幅值基本為零。

圖5 小波降噪之后的活塞桿沉降位移信號

圖6 小波降噪后的頻譜

根據(jù)對活塞桿斷裂機理分析，即活塞桿斷裂故障會導致活塞桿振動幅值增大，本文從小波降噪之后的活塞桿沉降位移信號中提取峰峰值，作為活塞桿斷裂故障報警或診斷的特征參數(shù)。峰峰值即為一個周期波形的最大值與最小值的差值。

3 斷裂故障診斷試驗驗證

根據(jù)以上活塞桿斷裂故障的機理分析，說明活塞桿斷裂發(fā)生時活塞桿振動幅值會增大；并且通過小波濾波，以及計算小波濾波后的活塞桿沉降位移信號的峰峰值，作為表征活塞桿振動幅值的特征參數(shù)。以下通過計算某石化公司的3個活塞桿斷裂故障案例的峰峰值，來驗證活塞桿斷裂故障會引起活塞桿振動幅值的增大。

3.1 活塞桿斷裂故障案例1

圖7是陜西省某石化公司的往復式壓縮機活塞桿斷裂故障案例1的峰峰值的趨勢。可見0～123 min活塞桿正常時，峰峰值基本不變，并維持在一個較小的穩(wěn)定值上；而123～130 min時活塞桿發(fā)生明顯異常并最后斷裂期間，峰峰值驟然增大。

圖7 活塞桿斷裂故障案例1的峰峰值的趨勢

3.2 活塞桿斷裂故障案例2

圖8是新疆省某石化公司的往復式壓縮機活塞桿斷裂故障案例2的峰峰值的趨勢?？梢?～38 min活塞桿正常時，峰峰值基本不變，并維持在一個較小的穩(wěn)定值上；38～160 min期間活塞桿已顯異常；而160～171 min時活塞桿發(fā)生明顯異常并最后斷裂期間，峰峰值驟然增大。

圖8 活塞桿斷裂故障案例2的峰峰值的趨勢

3.3 活塞桿斷裂故障案例3

圖9是新疆省某石化公司的往復式壓縮機活塞桿斷裂故障案例3的峰峰值的趨勢?？梢?～25 d活塞桿正常時，峰峰值基本不變，并維持在一個較小的穩(wěn)定值上；25～123 d期間活塞桿已顯異常；而123～151 d時活塞桿發(fā)生明顯異常并最后斷裂期間，峰峰值驟然增大。

圖9 活塞桿斷裂故障案例2的峰峰值的趨勢

4 結(jié)語

本文在Griffith提出的裂紋擴展的能量平衡準則的基礎上，對活塞桿斷裂故障機理進行分析，得出活塞桿斷裂故障發(fā)生時活塞桿振動幅值會增大；并通過計算小波降噪后的活塞桿沉降位移信號的峰峰值表征活塞桿振動幅值。通過3個活塞桿斷裂故障案例的分析，驗證了活塞桿斷裂故障引起活塞桿振動幅值增大。另外也從案例中觀察到活塞桿斷裂故障時的活塞桿振動幅值與活塞桿正常時的活塞桿振動幅值并沒有明確的數(shù)值關系。盡管如此，依然可以考慮將峰峰值作為活塞桿斷裂故障的報警或診斷的特征參數(shù)。

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