離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子早期異常判別準(zhǔn)則?

溫廣瑞，馬再超，2，3，吳廣輝，董書志，劉學(xué)良

（1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 西安，710049）（2.清華大學(xué)軟件學(xué)院 北京，100084）（3.工業(yè)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)與應(yīng)用北京市重點實驗室 北京，100084）（4.西安陜鼓動力股份有限公司 西安，710075）（5.中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院 北京，100070）

引言

離心壓縮機(jī)是電力、石化、船舶等行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，其動力學(xué)設(shè)計和振動評價主要參考美國石油學(xué)會的API617 標(biāo)準(zhǔn)［1］。但該準(zhǔn)則一般應(yīng)用于轉(zhuǎn)子產(chǎn)生故障的高報場合，難以識別因微弱故障導(dǎo)致的早期振動異常。若轉(zhuǎn)子處于輕微異常運(yùn)行且未能及時識別，將導(dǎo)致預(yù)測性維護(hù)滯后，存在突發(fā)事故隱患。因此，及時識別離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子早期振動異常甚至潛在故障，將提高生產(chǎn)過程的安全穩(wěn)定性。

離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動信號中蘊(yùn)含的故障特征一般具有數(shù)量多、高頻譜線相對接近及不同頻率幅值差異大的特點，且往往伴隨非線性、非平穩(wěn)現(xiàn)象及噪聲干擾［2］。張小勤［3］采用頻譜分析了PC‐1A 型離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動異常引發(fā)聯(lián)鎖停車事故的原因是動平衡不良。文定良［4］采用通頻振動趨勢、頻譜和軸心軌跡發(fā)現(xiàn)甲醇合成壓縮機(jī)存在轉(zhuǎn)子熱變形、碰摩和不平衡復(fù)合的振動異常。胡大月［5］指出石化企業(yè)還缺乏離心壓縮機(jī)振動異常的經(jīng)驗和處理方法總結(jié)。Li 等［6］構(gòu)造了壓力脈沖信號識別離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片裂紋微弱異常特征。王兆鑫［7］發(fā)現(xiàn)VK50‐3型離心壓縮機(jī)二級軸振動異常的原因是葉輪表面黏結(jié)物脫落。Sun 等［8］提出采用離心壓縮機(jī)喘振的平均相位提取和識別方法。He 等［9］提出了一種雙穩(wěn)隨機(jī)共振方法以提取離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片裂紋故障特征。馬再超等［10］采用改進(jìn)的總體平均經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸馓崛∞D(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)輕度故障特征并進(jìn)行分類。以上數(shù)據(jù)分析成果有望轉(zhuǎn)化為某設(shè)備專用的監(jiān)測診斷軟件系統(tǒng)，但面臨工業(yè)現(xiàn)場大量相似個體的推廣仍需普適性驗證，實際多采用API617 支持。張小龍等［11］采用API617 分析和指導(dǎo)離心壓縮機(jī)的動力學(xué)特性設(shè)計。Brun 等［12］指出API617 在離心壓縮機(jī)喘振時的振動安全極限規(guī)定。Lei 等［13］采用消渦結(jié)構(gòu)改進(jìn)壓縮機(jī)阻尼特性以符合API617 的穩(wěn)定性規(guī)定。冀沛堯等［14］根據(jù)API617 研究得到孔型阻尼密封性能優(yōu)于迷宮密封。胡永等［15］以API617 新增的磁力軸承標(biāo)準(zhǔn)驗證了電磁軸承支撐下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動幅值低?？梢钥闯?，近年的研究成果仍缺乏API617 針對離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子早期異常振動監(jiān)測的應(yīng)用，一般僅用于報警。

本研究結(jié)合API617 的動力學(xué)指標(biāo)、離心壓縮機(jī)振動數(shù)據(jù)和現(xiàn)場專家經(jīng)驗，以Bently 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為實驗驗證對象，AV90 型軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子為實際驗證對象，對API617 動力學(xué)部分的振幅限值準(zhǔn)則應(yīng)用進(jìn)行了探討，為離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子因各類典型輕度故障誘發(fā)的早期狀態(tài)異常判別提供參考。

1 API 振幅限值準(zhǔn)則

1.1 振動響應(yīng)

API617 的動力學(xué)部分［1］給出了離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動響應(yīng)隨轉(zhuǎn)速變化的示意關(guān)系和轉(zhuǎn)子處于工作轉(zhuǎn)速區(qū)間時的最大振幅示意限制，為簡化表達(dá)，將這兩部分合并為如圖1 所示的轉(zhuǎn)子振動響應(yīng)隨轉(zhuǎn)速變化示意圖。圖中：Nc1為轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速；Ncn為轉(zhuǎn)子第n階臨界轉(zhuǎn)速；Nma為轉(zhuǎn)子最小運(yùn)行轉(zhuǎn)速；Nmc為轉(zhuǎn)子最大連續(xù)轉(zhuǎn)速；Ac1為Nc1處的振幅峰值；N1為0.707 倍Ac1對應(yīng)的臨界區(qū)初始轉(zhuǎn)速；N2為0.707 倍Ac1對應(yīng)的臨界區(qū)終止轉(zhuǎn)速；N2～N1為在“半功率”點峰值的寬度；Av1為轉(zhuǎn)子振幅極限的實驗值，簡稱“振幅限值”；Amax為轉(zhuǎn)子正常運(yùn)行時所有探頭中最大的振幅峰峰值；Sa1為Nc1與Nma間的實際隔離轉(zhuǎn)速；San為Ncn與Nmc間的實際隔離轉(zhuǎn)速。

圖1 轉(zhuǎn)子振動響應(yīng)隨轉(zhuǎn)速變化示意Fig.1 Significance of rotor vibration response changes with rotating speed

圖1 定義了離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子處于啟動、變載、運(yùn)行、降速和臨界各階段的異常振動判定指標(biāo)。

以一階臨界為例，轉(zhuǎn)子啟動和降速階段的振幅限值采用Ac1定義，轉(zhuǎn)子變載和運(yùn)行階段的振幅限值采用Av1定義；轉(zhuǎn)子處于某臨界階段的振幅限值采用隔離裕度（separation margins，簡稱SM）定義。

1.2 轉(zhuǎn)子變載和運(yùn)行的振幅限值

以一階臨界為例，各振動探頭處的未濾波峰峰振幅不應(yīng)超過振幅極限值A(chǔ)v1與25.4 μm 的較小值［1］，Av1按式（1）計算

1.3 轉(zhuǎn)子臨界時的隔離裕度準(zhǔn)則

隔離裕度準(zhǔn)則分為計算值Ma和標(biāo)準(zhǔn)值Mr，以一階和某階臨界為例，根據(jù)文獻(xiàn)［1］，其對應(yīng)的Ma1和Man按式（2）計算

Mr需要引入放大系數(shù)An來定義，An的計算方法如式（3）所示

根據(jù)An取值規(guī)定，Mr的計算方法分為3 種：

1）當(dāng)An<2.5 時，轉(zhuǎn)子振動響應(yīng)處于臨界阻尼狀態(tài)，此時沒有隔離裕度要求，Mr=0；

2）當(dāng)An≥2.5 時，且該臨界轉(zhuǎn)速小于最低運(yùn)行轉(zhuǎn)速，則Mr按式（4）計算

3）當(dāng)An≥2.5，且該臨界轉(zhuǎn)速大于最高連續(xù)轉(zhuǎn)速，則Mr按式（5）計算

1.4 轉(zhuǎn)子振動異常判定規(guī)則

根據(jù)API617 的規(guī)定，設(shè)App為數(shù)據(jù)樣本未濾波的峰峰振幅，可得到如式（6）～（10）所示的轉(zhuǎn)子處于啟動、變載、運(yùn)行、降速和臨界各階段的異常振動判定規(guī)則［1］。

1）啟動異常

2）變載異常

3）運(yùn)行異常

4）降速異常

5）臨界區(qū)異常

2 離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動數(shù)據(jù)樣本的異常判定方法

2.1 轉(zhuǎn)子啟停過程監(jiān)測節(jié)點

離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子啟停全過程涉及加減速、通過臨界轉(zhuǎn)速和加減負(fù)荷環(huán)節(jié)。在不同的轉(zhuǎn)速階段，離心壓縮機(jī)振動狀態(tài)完全不同，各轉(zhuǎn)速階段對應(yīng)的振動數(shù)據(jù)也往往具有較大差異。因此，以API617 轉(zhuǎn)子啟停過程定性監(jiān)測區(qū)間為基礎(chǔ)，根據(jù)離心壓縮機(jī)現(xiàn)場運(yùn)行的長期經(jīng)驗積累，進(jìn)一步設(shè)置轉(zhuǎn)速監(jiān)測節(jié)點如下。

2.1.1 剛性轉(zhuǎn)子

啟動：50%預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速，100%預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速；

加載：20%負(fù)荷，50%負(fù)荷；

運(yùn)行：100%負(fù)荷；

減載：0 負(fù)荷；

降速：95%預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速，50%預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速。

2.1.2 柔性轉(zhuǎn)子

啟動：90% 一階臨界轉(zhuǎn)速，一階臨界轉(zhuǎn)速，110%一階臨界轉(zhuǎn)速，100%工作轉(zhuǎn)速；

加載：20%負(fù)荷，50%負(fù)荷；

運(yùn)行：100%負(fù)荷；

減載：0 負(fù)荷；

降速：95%工作轉(zhuǎn)速，110%一階臨界轉(zhuǎn)速，一階臨界轉(zhuǎn)速，90%一階臨界轉(zhuǎn)速。

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過二階臨界轉(zhuǎn)速時，需要增加的轉(zhuǎn)子振動監(jiān)測節(jié)點包括90%二階臨界轉(zhuǎn)速、二階臨界轉(zhuǎn)速和110%二階臨界轉(zhuǎn)速。

2.2 振幅限值系數(shù)選定原則

西安陜鼓動力股份有限公司根據(jù)離心壓縮機(jī)多年研制、應(yīng)用和監(jiān)測經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，在采用轉(zhuǎn)子故障判定規(guī)則時，國內(nèi)不同機(jī)型的振幅限值不同，同一機(jī)型之間的振幅限值不同，同一機(jī)型處于不同運(yùn)行過程的振幅限值也不同，但這些振幅限值的差異固定于某一范圍內(nèi)。因此，需要一個系數(shù)指標(biāo)乘以待測試機(jī)組的測量振值，將不同振幅限值的差異固定于該系數(shù)指標(biāo)的控制范圍內(nèi)，從而形成離心壓縮機(jī)振動數(shù)據(jù)的通用判定規(guī)則。

取現(xiàn)役某離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子啟停過程任意節(jié)點數(shù)據(jù)樣本計算振動有效值的算術(shù)平均值，記為異常數(shù)據(jù)參考指標(biāo)，記為R；該離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子啟停過程任意節(jié)點振幅限值，記為A；稱系數(shù)指標(biāo)為振幅限值系數(shù)，記為ε，其計算公式為

N臺現(xiàn)役離心壓縮機(jī)的振幅限值系數(shù)ε的平均值，記為計算公式為

2.3 數(shù)據(jù)樣本異常一次判定規(guī)則

在轉(zhuǎn)子振動異常判定規(guī)則的基礎(chǔ)上，引入振幅限值系數(shù)的平均值εˉ，得到如式（13）～（17）所示的轉(zhuǎn)子處于啟動、變載、運(yùn)行、降速和臨界各階段的異常振動一次判定規(guī)則。

啟動異常

變載異常

運(yùn)行異常

降速異常

臨界區(qū)異常

2.4 數(shù)據(jù)樣本異常二次判定規(guī)則

由于一次判定規(guī)則適用于轉(zhuǎn)子故障報警場合，缺乏了早期微弱異常的識別能力，因此結(jié)合轉(zhuǎn)子振動有效值來二次判定數(shù)據(jù)的正異常狀態(tài)。取現(xiàn)役離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子啟停過程任意節(jié)點數(shù)據(jù)樣本R值的算數(shù)平均值為，異常數(shù)據(jù)準(zhǔn)則指標(biāo)記為D，計算公式為

某離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子啟停過程任意節(jié)點數(shù)據(jù)樣本的D指標(biāo)計算結(jié)果，記為d；某待測離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子啟停過程任意節(jié)點數(shù)據(jù)樣本有效值的算術(shù)平均值，記為r，計算公式為

當(dāng)d>D時，判定異常；當(dāng)d≤D時，判定正常。

2.5 離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)異常判定流程

根據(jù)離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動異常判定方法，歸納總體流程框架如圖2 所示。

由圖2 所示流程可歸納出離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動異常判定的具體步驟如下：

圖2 離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動數(shù)據(jù)樣本的異常判定流程Fig.2 Decision procedure of abnormal data sample from the rotor of centrifugal compressor

1）抽樣離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動信號，得到數(shù)據(jù)樣本；

2）根據(jù)數(shù)據(jù)樣本對應(yīng)的轉(zhuǎn)速條件判斷轉(zhuǎn)子當(dāng)時處于剛性或柔性運(yùn)行狀態(tài)；

3）采用一次判定規(guī)則判定轉(zhuǎn)子處于啟動、變載、運(yùn)行、降速和臨界運(yùn)行條件時的正異常情況，顯示異常則判定結(jié)束，正常則繼續(xù)執(zhí)行步驟4；

4）采用二次判定規(guī)則計算轉(zhuǎn)子正常運(yùn)行條件下的所有判定指標(biāo)D值；

5）采用二次判定規(guī)則計算轉(zhuǎn)子當(dāng)前運(yùn)行條件下的判定指標(biāo)d值；

6）比較d和D大小，確定轉(zhuǎn)子當(dāng)前運(yùn)行的正異常情況，判定結(jié)束。

需要說明的是：剛性條件時的一次判定規(guī)則僅在盤車和測試時使用，實際運(yùn)行時一般按照柔性條件處理；實際操作時D值已經(jīng)儲備并階段性更新。

3 實驗驗證

離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子正常運(yùn)行時，其理想的振動信號頻譜特征通常表現(xiàn)為轉(zhuǎn)頻幅值較大且伴隨通頻噪聲的特點。在轉(zhuǎn)子各類典型故障中，轉(zhuǎn)子不平衡振動的頻譜特征近似轉(zhuǎn)子正常振動特征，差別在于轉(zhuǎn)頻幅值更大。因此，若能盡可能設(shè)置較低的轉(zhuǎn)子不平衡程度，使其轉(zhuǎn)頻幅值略大于轉(zhuǎn)子正常振動的轉(zhuǎn)頻幅值，又便于觀察兩者之間存在的差異，則該轉(zhuǎn)子輕度不平衡故障能驗證離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動數(shù)據(jù)樣本的異常判定方法。首先，采用平衡校正過的Bent‐ly‐RK4 轉(zhuǎn)子實驗臺模擬轉(zhuǎn)子輕度不平衡故障，實驗臺由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和振動測試系統(tǒng)組成，如圖3 所示。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子、質(zhì)量盤、電機(jī)、軸承座和基座；振動測試系統(tǒng)包括6 組位移傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊和上位機(jī)。其中：1～4 號傳感器以45°和135°方向放置并分為2 組用于采集轉(zhuǎn)子振動信號；5 和6 號傳感器分別用于測量相位和獲取轉(zhuǎn)速。

圖3 Bently-RK4 轉(zhuǎn)子實驗臺Fig.3 Bently-RK4 rotor test bench

使用上述轉(zhuǎn)子實驗臺模擬故障并采集轉(zhuǎn)子正常振動和輕度不平衡故障信號。其中，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)質(zhì)量盤部件加工了以22.5°為間隔、均勻分布的螺紋孔，如圖4 所示。在0°位置螺紋孔中加入0.4 g 的配重實現(xiàn)轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏離軸心線的輕度不平衡現(xiàn)象。

圖4 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)質(zhì)量盤Fig.4 Mass disk of rotor system

實驗中，采樣頻率設(shè)為1 024 Hz，采樣長度設(shè)為1 024 點，工作轉(zhuǎn)速設(shè)為4 000 r/min。

3.1 轉(zhuǎn)子不平衡故障驗證

列舉柔性轉(zhuǎn)子處于100%工作轉(zhuǎn)速和負(fù)荷時，正常和輕度不平衡振動時域信號及頻譜（time and frequency domain，簡稱T&F），如圖5、圖6 所示。

圖5 轉(zhuǎn)子正常振動信號的時域波形和頻譜Fig.5 Normal rotor vibration signal in T&F

圖6 轉(zhuǎn)子輕度不平衡故障信號的時域波形和頻譜Fig.6 Slight unbalance rotor vibration signal in T&F

圖5、圖6 分別給出了轉(zhuǎn)子正常振動和輕度不平衡故障信號的時域波形及頻譜。由時域波形看出，轉(zhuǎn)子正常振動信號的坐標(biāo)幅值范圍顯示為-4～4 μm，轉(zhuǎn)子輕度不平衡故障信號的坐標(biāo)幅值范圍顯示為-10～10 μm。因此，兩信號雖然具有近似的振蕩周期，但振蕩幅值差異大，且轉(zhuǎn)子正常振動信號主要表現(xiàn)為多分量疊加的形式，而轉(zhuǎn)子輕度不平衡故障信號的單一性相對較強(qiáng)。在頻譜中，轉(zhuǎn)子正常振動信號的坐標(biāo)幅值范圍為0～1 μm，轉(zhuǎn)子輕度不平衡故障信號的坐標(biāo)幅值范圍為0～8 μm。進(jìn)一步給出轉(zhuǎn)頻67 Hz 及其倍頻位置的成分幅值情況，對比可見，兩信號除轉(zhuǎn)頻幅值差異較大，其他成分幅值都對應(yīng)近似相等。因此，轉(zhuǎn)子正常振動信號和輕度不平衡故障信號特征僅在轉(zhuǎn)頻處存在差異。根據(jù)離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動異常判定的步驟3，進(jìn)行轉(zhuǎn)子輕度不平衡狀態(tài)的一次判定。實驗研究中設(shè)置振幅限值系數(shù)為1.0，列出20 個監(jiān)測節(jié)點的標(biāo)準(zhǔn)值、測量值和判定結(jié)果如表1 所示。其中，由于節(jié)點10 和19 是轉(zhuǎn)子臨界區(qū)運(yùn)行過程的監(jiān)測節(jié)點，故采用無量綱的隔離裕度準(zhǔn)則進(jìn)行判定：節(jié)點10 的標(biāo)準(zhǔn)值是16.36%，測量值是57.50%，判定正常；節(jié)點19 的標(biāo)準(zhǔn)值是16.36%，測量值是57.50%，判定正常。

由表1 可知，節(jié)點1～8 對應(yīng)轉(zhuǎn)子剛性振動條件：1，2，7，8 為轉(zhuǎn)子啟動和降速過程的監(jiān)測節(jié)點；3，4，5，6 為轉(zhuǎn)子變載和運(yùn)行過程的監(jiān)測節(jié)點。節(jié)點9～20 對應(yīng)轉(zhuǎn)子柔性振動條件：9，11，12，17，18，20 為轉(zhuǎn)子啟動和降速過程的監(jiān)測節(jié)點；13，14，15，16 為轉(zhuǎn)子變載和運(yùn)行過程的監(jiān)測節(jié)點；10，19 為轉(zhuǎn)子臨界區(qū)運(yùn)行過程的監(jiān)測節(jié)點?？梢钥闯?，所有監(jiān)測節(jié)點的監(jiān)測結(jié)果都顯示正常。需要注意的是：所有啟動和降速過程的測量值遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)值，平均測量值約為平均標(biāo)準(zhǔn)值的26.20%；所有變載和運(yùn)行過程的測量值小于標(biāo)準(zhǔn)值，平均測量值約為平均標(biāo)準(zhǔn)值的70.32%；臨界區(qū)測量值為標(biāo)準(zhǔn)值的3.51 倍。這些結(jié)果驗證了現(xiàn)行API 振幅限值準(zhǔn)則適用于故障報警場合，而難以識別因微弱故障導(dǎo)致的早期振動異常。因此，繼續(xù)根據(jù)離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動異常判定的步驟4～6 進(jìn)行轉(zhuǎn)子輕度不平衡狀態(tài)的二次判定，實驗研究中設(shè)置振幅限值系數(shù)為1.0，列出20個監(jiān)測節(jié)點的標(biāo)準(zhǔn)值、測量值和判定結(jié)果，如表2所示。

表1 轉(zhuǎn)子輕度不平衡20 個監(jiān)測節(jié)點的一次判定Tab.1 The first decision of 20 monitoring nodes for slight unbalance rotor

表2 給出了轉(zhuǎn)子處于輕度不平衡振動狀態(tài)時，所設(shè)20 個監(jiān)測節(jié)點對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值、測量值和二次判定結(jié)果。可以看出：節(jié)點10，19 和20 顯示為標(biāo)準(zhǔn)值大于測量值，判定結(jié)果為正常；大部分節(jié)點的振動狀態(tài)都判定異常。進(jìn)一步觀察判定結(jié)果異常的節(jié)點可以發(fā)現(xiàn)：節(jié)點1，2，4～9，11，18 的振動測量值和標(biāo)準(zhǔn)值平均相差11.23%；節(jié)點3 的振動測量值和標(biāo)準(zhǔn)值相差40.41%；節(jié)點12～17 的振動測量平均值是標(biāo)準(zhǔn)平均值的4.81 倍。值得注意的是：節(jié)點12～17 監(jiān)測了柔性轉(zhuǎn)子處于運(yùn)行和變載時刻的振動狀態(tài)，判定結(jié)果與圖5、圖6 顯示的波形差異相對應(yīng)；其他節(jié)點雖然不是運(yùn)行和變載區(qū)域節(jié)點，但同樣能檢測出異常，其微弱的差異表明這些對應(yīng)的轉(zhuǎn)子不平衡故障特征屬微弱特征。這些結(jié)果驗證了二次判定規(guī)則可輔助API 準(zhǔn)則識別因微弱故障而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子早期振動異常。

表2 轉(zhuǎn)子輕度不平衡20 個監(jiān)測節(jié)點的二次判定Tab.2 The second decision of 20 monitoring nodes for slight unbalance rotor

3.2 其他典型故障實驗驗證結(jié)果

筆者直接給出轉(zhuǎn)子輕度不對中、輕度偏心、輕度彎曲、輕度裂紋、輕度松動和輕度碰摩的20 個監(jiān)測節(jié)點判定個數(shù)，統(tǒng)計結(jié)果如表3 所示。

表3 其他典型輕度故障驗證統(tǒng)計Tab.3 Verification statistics of other typical slight faults

6 類典型輕度故障的驗證統(tǒng)計結(jié)果表明，二次判定規(guī)則輔助一次判定規(guī)則能識別轉(zhuǎn)子早期異常。

4 實際應(yīng)用驗證

筆者采用軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子故障數(shù)據(jù)驗證離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動數(shù)據(jù)樣本的異常判定方法的有效性，數(shù)據(jù)來源于西安陜鼔動力股份有限公司的AV90 型軸流壓縮機(jī)。軸流壓縮機(jī)的空氣壓縮增壓主要依賴于轉(zhuǎn)子上安裝的多級動葉片、各級工作葉片和導(dǎo)流葉片來實現(xiàn)。氣體連續(xù)流經(jīng)由工作葉片和導(dǎo)流葉片構(gòu)成的軸流壓縮機(jī)各級，逐級壓縮和升壓。由于載荷較大，加壓過程易使得各級流道擾動轉(zhuǎn)子，從而加劇轉(zhuǎn)子彎曲故障特征。當(dāng)經(jīng)過若干次加壓后，若轉(zhuǎn)子彎曲振動過大將導(dǎo)致工作葉片接觸導(dǎo)流葉片，從而形成周期性碰摩故障。軸流壓縮機(jī)開蓋后的故障轉(zhuǎn)子如圖7 所示。測試方法如圖8 所示的閉蓋狀態(tài)，采用一對Bently 電渦流傳感器互成90°安裝于轉(zhuǎn)子軸頸處，測量轉(zhuǎn)子的徑向振動位移。

圖7 軸流壓縮機(jī)開蓋狀態(tài)Fig.7 Opening state of axial flow compressor

圖8 軸流壓縮機(jī)閉蓋狀態(tài)Fig.8 Closing state of axial flow compressor

軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作轉(zhuǎn)速測量值為4 569 r/min，測試系統(tǒng)的采樣頻率設(shè)為2 048 Hz，采樣長度為1 024，獲取轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一個加壓周期的3 個節(jié)點（180，300 和550 kPa）振動位移信號，其時域波形和頻譜分別如圖9～11 所示。

圖9 壓力180 kPa 的轉(zhuǎn)子振動信號時域波形和頻譜Fig.9 Rotor vibration signal with 180 kPa in T&F

圖10 壓力300 kPa 的轉(zhuǎn)子振動信號時域波形和頻譜Fig.10 Rotor vibration signal with 300 kPa in T&F

圖11 壓力550 kPa 的轉(zhuǎn)子振動信號時域波形和頻譜Fig.11 Rotor vibration signal with 550 kPa in T&F

轉(zhuǎn)子壓力為180 kPa 時，信號在時域表現(xiàn)為單一的正弦波形，振動峰值在10～20 μm 之間變化。頻譜中，轉(zhuǎn)速4 569 r/min 對應(yīng)的轉(zhuǎn)頻76 Hz 幅值為12.499 μm，遠(yuǎn)大于其他成分幅值。進(jìn)一步放大觀察大于轉(zhuǎn)頻的成分，可以看到存在很多幅值微弱的諧波，二倍頻152 Hz 成分的幅值為1.345 μm，其右側(cè)諧波幅值相對微弱的多，僅略大于噪聲幅值。該節(jié)點為轉(zhuǎn)子處于工作轉(zhuǎn)速時的正常振動情況。

轉(zhuǎn)子增壓至300 kPa 時，信號仍然表現(xiàn)為單一的正弦波形，振動幅值大于20 μm。頻譜中，轉(zhuǎn)頻76 Hz 成分幅值升高至25.360 μm，近似于原始幅值的2 倍，仍然遠(yuǎn)大于其他成分幅值。在大于76 Hz 的放大圖中，152 Hz 成分幅值降至0.925 μm，其右側(cè)的成分幅值都小于152 Hz 成分幅值，且基本處于同一數(shù)量級。相對180 kPa 節(jié)點，轉(zhuǎn)頻幅值顯著增大的情況代表轉(zhuǎn)子由正常運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢\(yùn)行。

轉(zhuǎn)子增壓至550 kPa 時，信號不再是簡單的正弦波形，而是多振動疊加形式，振動幅值處于-200～100 μm 之間，峰值波動劇烈程度遠(yuǎn)大于180 和300 kPa 的對應(yīng)結(jié)果，且此時波形已經(jīng)嚴(yán)重不對稱。頻譜中，轉(zhuǎn)頻76 Hz 幅值為47.582 μm，大于其他成分幅值，且其他小幅值成分已經(jīng)不需要放大觀察，與幅值為9.626 μm 的二倍頻152 Hz 成分水平相同，共計有11 個三倍頻以上的高次諧波。相對180 和300 kPa節(jié)點，各成分幅值明顯升高，代表工作葉片和導(dǎo)流葉片碰摩。令轉(zhuǎn)子壓力180 kPa時的振動狀態(tài)相關(guān)計算值為標(biāo)準(zhǔn)值，進(jìn)行離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲和碰摩狀態(tài)的一次判定，應(yīng)用研究中設(shè)置振幅限值系數(shù)為1.2，列出3種狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)值、測量值和判定結(jié)果，如表4所示。

表4 軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子3 種加壓狀態(tài)的一次判定Tab.4 The first decision of three pressure states of the rotor of axial flow compressor

由表4 可以看出：180 kPa 對應(yīng)的正常振動節(jié)點顯示正常，測量值相對標(biāo)準(zhǔn)值小25.8%；300 kPa 對應(yīng)為轉(zhuǎn)子彎曲振動，測量值大于標(biāo)準(zhǔn)值的35.2%，表明轉(zhuǎn)子在該監(jiān)測節(jié)點的振動情況出現(xiàn)異常；550 kPa對應(yīng)為轉(zhuǎn)子碰摩振動，測量值為標(biāo)準(zhǔn)值的4.83 倍，表明轉(zhuǎn)子在該監(jiān)測節(jié)點的振動遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)值。軸流壓縮機(jī)工作條件下的3 個加壓時刻振動狀態(tài)判定表明，由API 振幅限值準(zhǔn)則得出的振動標(biāo)準(zhǔn)值適用于高振動報警場合，但可以正確判別3 種工作狀態(tài)的正、異常情況。筆者繼續(xù)進(jìn)行軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子3 種加壓狀態(tài)的二次判定，驗證二次判定規(guī)則。應(yīng)用研究中設(shè)置振幅限值系數(shù)為1.2，列出3 種狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)值、測量值和判定結(jié)果，如表5 所示。

表5 軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子3 種加壓狀態(tài)的二次判定Tab.5 The second decision of three pressure states of the rotor of axial flow compressor

由表5可知，以轉(zhuǎn)子壓力為180 kPa時刻的振動數(shù)據(jù)計算正常標(biāo)準(zhǔn)值為11.022?？梢缘贸?，轉(zhuǎn)子壓力為300 kPa 時的測量值是標(biāo)準(zhǔn)值的2.01 倍，轉(zhuǎn)子壓力為550 kPa時的測量值是標(biāo)準(zhǔn)值的4.84倍。該計算結(jié)果與API準(zhǔn)則對應(yīng)的計算結(jié)果類似，可以檢測出轉(zhuǎn)子異常振動狀態(tài)。值得注意的是，二次判定規(guī)則在轉(zhuǎn)子彎曲異常檢測時，測量效果更明顯，表明二次判定規(guī)則更適用于轉(zhuǎn)子因微弱故障而導(dǎo)致的早期振動異常檢測。

5 結(jié)論

1）API617 的振幅限值準(zhǔn)則適用于離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的故障報警場合，而難以實現(xiàn)因早期微弱故障導(dǎo)致的振動異常檢測。

2）在API617 啟停過程監(jiān)測區(qū)間的基礎(chǔ)上，詳細(xì)設(shè)計了離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速監(jiān)測節(jié)點。

3）以振幅限值系數(shù)修正振幅限值準(zhǔn)則而構(gòu)造的一次判定規(guī)則仍然適用于離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子故障報警。

4）以振幅限值系數(shù)修正有效振幅而構(gòu)造的二次判定規(guī)則適用于轉(zhuǎn)子因早期微弱故障導(dǎo)致的狀態(tài)異常識別。