往复式压缩机气缸压力模拟曲线提取�赵俊龙张志新郭正刚李宏坤王奉涛(大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室大连,116023)摘要提出了一种基于振动信号分析的往复式压缩机故障诊断方法。应用频域能量准则判定汽缸压力变化引起的振动响应信号所处频带,构造梳状滤波器提取出响应信号,对得到的相应信号进行包络分析,得到的包络曲线体现了气缸压力的变化趋势,可应用该曲线绘制模拟示功图对往复式压缩机故障进行诊断。对工程信号的分析表明,该方法不仅可以区分出压缩机正常与故障状态,还可以区分出不同的故障类型,具有较好的工程应用价值。关键词往复式压缩机故障诊断包络频带能量准则梳状滤波中图分类号TP206.3TH458引言往复式压缩机是石油化工生产的关键设备,由于结构复杂、运动部件多、工作条件恶劣等原因,所以故障率较高。气缸压力是反映往复式压缩机工作状况的一个重要参数,压缩机气阀、活塞、气缸等故障常会引起气缸压力的变化。缸压信号的获取一般是通过在气缸安装压力传感器的方法来实现[1-2]。但是对于在出厂时没有预装传感器的压缩机,很难在不破坏压缩机气密性的条件下实现该方法。气缸压力作为压缩机的主要激励源之一,它的变化趋势必然可以通过振动信号的变化得到反映,而振动信号的测量相对简单,仪器设备丰富,可实现工业设备现场不解体检测。因此,通过振动信号识别气缸压力的变化趋势,对于往复式压缩机的故障诊断具有积极的意义。目前,国内外对这一方向的研究还比较少。本文通过频域能量准则判定气缸压力变化所引起的响应信号所处的频带,然后通过梳状滤波器提取出该频带信号,最后对该频带信号进行包络分析来提取气缸压力的变化趋势。1往复式压缩机信号分析文中所有信号均采集自某石化企业超高压聚乙烯压缩机的组合阀。图1为组合阀时域信号波形。文图1典型的往复式压缩机组合阀信号中纵坐标gn=9.80665m/s2。通过分析可以发现,该信号存在以下特点:a.组合阀信号属于比较典型的冲击响应信号,一个周期内存在多次冲击;b.组合阀信号是典型的周期性信号,随曲轴回转呈周期性变化。引起组合阀振动的主要激励源有3类:(1)气阀开闭引起的机械冲击:每周期有4次,分别对应进气阀打开、关闭,排气阀打开、关闭;(2)惯性力的变化[3]:包括曲柄旋转时产生的旋转惯性力和活塞、十字头组件往复运动时产生的往复惯性力;(3)气缸压力脉动:往复式压缩机的压力随曲轴旋转呈周期性变化,也会引起压缩机的振动。这3类激励中,气阀开闭引起的机械冲击幅值最大,引起的振动也最大;其他两类信号引起的振动的幅值较小,一般都淹没在机械冲击的振动响应中。气阀开闭引起的机械冲击幅值大、冲击时间短,所以第29卷第1期2009年3月振动、测试与诊断JournalofVibration,Measurement&DiagnosisVol.29No.1Mar.2009�国家自然科学基金资助项目(编号:50805014)。收稿日期:2007-12-26;修改稿收到日期:2008-03-13。信号频带较宽,引起的压缩机振动响应信号一般都处于中高频段;研究指出[3],惯性力变化引起的振动频率一般为曲轴转频或倍频,处于最低频带;气缸压力脉动属于低频缓变激励力,引起的振动响应信号应处于较低频带内,曲线变化平缓。可以看出,这3种激励源引起的振动分别处于不同的频带内,如果采用适当的方法就可以将气缸压力脉动所引起的振动响应信号提取出来。2频带能量判定准则文献[4]中通过频带能量的变化来研究发动机爆发压力对各频带的影响。为了判别气缸压力脉动响应信号所处的频带范围,结合文献[4],本文提出一种基于AR谱频带能量的判定准则:如果某频带信号与气阀机械冲击的相关性较大,那么随着气阀故障的发生,该频带能量将会发生显著的变化。反之,则频带能量变化较小。气缸压力响应信号处于能量变化较小的频带内。AR谱表征了信号在频域的能量分布,并且谱图清晰、平滑,分辨率较高,这里选用往复式压缩机信号的AR谱来进行能量计算。定义信号第i个频段的能量为Wi=∑mk=l�S(fk)�2(1≤l
