往复压缩机气阀故障在线测试系统设计与频谱分析

钟震宇

(辽宁省国家新型原材料建设工程中心，沈阳 110032)

往复压缩机是一类广泛应用于石化领域的通用机械，由于机构运动形式复杂，激励源较多，工作环境恶劣等因素的影响，使整机运行的故障率居高不下；其中气阀是控制气缸进气和排气的重要部件，根据相关统计数据，气阀是压缩机在运行过程中故障率最高的部件之一[1]。气阀常见的故障有阀片断裂、弹簧失效、阀片密封失效(由于紧固螺母松动或装配不当引起)等。气阀故障将导致压缩机组排气温度升高，排气量降低，严重影响压缩机的工作效率，因此对气阀故障进行快速识别和诊断是往复压缩机技术研究的重要课题。

目前信号分析、神经网络、SVM等新兴算法的不断创新与发展，往复压缩机故障诊断技术的研究在国内外取得了巨大研究进展。如以现代控制理论为基础，建立系统的数学模型，再应用Kalman滤波器、参数估计等方法计算模型的残差，通过对残差的分析与估计进行故障诊断[2-5]；该方法适用于系统变量较少，易于建立数学模型的研究对象。对于一些不易得到准确模型的系统，可基于信号处理理论对检测到的信号进行频谱变换，采用小波及小波包分析[6]、神经网络[7]、谱分析法[8]对表征故障的特征进行提取，从而实现对系统的诊断。对于多信息融合的复杂系统，应用数据挖掘技术、专家系统等方法进行智能故障诊断是目前研究的热点之一[9-10]。

上述文献资料显示，大部分的学者致力于对故障信号的分析与预测，所采用的数据大多采用计算机生成的模拟信号，甚少关注压缩机故障信号的获得方法。而在往复压缩机的实际运行中，气阀受进气或排气的冲击力作用，产生冲击性振动，且气阀的工作表面位于气缸内部，而在实际工业生产中，气阀通常处于正常工作状态，因此准确检测到气阀发生故障的振动信号是实现气阀故障诊断方法的难题之一。因此本文针对这一问题，基于气阀的各种故障类型特征，提出一种用于气阀故障信号在线采集的实用检测方法，并对检测后的气阀故障信号进行频谱分析，验证故障信号与实际故障类型基本一致，具有较高的应用价值。

1 气阀工作原理与故障类型

往复压缩机常用的气阀为环状气阀，其结构如图1所示。气阀工作时主要运动部件是阀片和弹簧，借助于两者使气阀开合达到正常进气和排气的功能，是压缩机能够平稳运行的可靠保证。

1.1 气阀工作原理

一个完整的往复压缩机工作循环包括膨胀、进气、压缩、排气4个阶段，在这一过程中气阀借助于气缸与阀腔间的气体压力差而开闭，其运动规律与阀腔压力之间的关系如图2所示。

图1 气阀结构组成

图2 气阀阀片运动规律关系图

图2中上部的坐标系表示一个完整的压缩机工作过程的4个阶段，与之对应的下部坐标系给出了气阀阀片的开合过程。其中第一阶段(图2中 0-a阶段)为余隙容积膨胀过程，当气缸腔与阀腔间的压力差大于弹簧惯性力时，阀片开启，气体进入气缸，至b点阀片达到升程限制器(图2中a-b阶段)；这时阀片撞击升程限制器反弹(图2中b-c阶段)；在气体推力的作用下再次升至限制器(图2中c-d阶段)；此时气体推力大于弹簧力，阀片开启至最大(图2中d-e阶段)；直到活塞接近止点位置时，气体推力逐渐减小，当小于弹簧力时，阀片回落至阀座(图2中e-f阶段)。

往复式压缩机阀的动力学关系可表达为

(1)

式中：m为阀片及弹簧质量，kg；FS为气阀的弹簧力，N；FQ为被压缩气体介质的气体推力，N；h为气阀的升程，m；t为气阀阀片上升时间，s。

1.2 故障类型

为设计气阀故障的检测方法，需要对气阀可能出现的故障进行分析，实际生产中气阀常见故障有3种：阀片断裂、阀片密封面失效、弹簧失效。由气阀工作原理可知，在一个完整的吸气(或排气)过程中，阀片与升程限制器间发生的碰撞，阀片在气缸内受交变载荷、气体推力及高温腐蚀的影响都是气阀故障和失效的主要因素，气阀故障类型与影响因素及特征总结如表1所示。

表1 气阀故障类型及特点

根据表1中的故障类型与表现形式，将用于故障信号采集的气阀进行处理，使之接近于实际故障情况，如图3所示。其中图3a模拟实际阀片断裂故障；图3b通过降低部分弹簧刚度来模拟弹簧失效故障；图3c对阀片的密封面进行局部破坏模拟因气体腐蚀造成的密封失效故障。这些气阀和正常气阀一起用于接下来的实验。

图3 2D-90往复压缩机气阀故障处理效果

2 气阀故障测试系统设计

实验平台采用2D-90型双一级往复压缩机，活塞环密封和迷宫密封联合密封方式，其技术参数见表2。

结合实验用压缩机的技术参数和测量对象，选用CT1010L ICP压电式加速度计作为振动信号传感器，具体的安装方式如图4所示。由于阀腔密封性要求，所以采用磁吸方式将加速度计安装在压缩机吸气阀的阀座上，见图4a，阀盖中心开螺纹孔，放置引线器并进行密封处理，见图4b。将气阀重新装入压缩机阀口。

表2 2D-90往复式压缩机技术参数

图4 气阀传感器安装方式

振动信号采集系统设计如图5所示，基于2D-90往复压缩机试验平台和气阀振动测试系统。开启设备并调节压缩机至平稳转速750r/min，设定采样速率为25.6kHz，采样点数设定为4096点，则采集时间为0.16s(2个气阀工作周期)，恰好对应气阀工作2个周期。得到4种工作状态(气阀正常、阀片密封面失效、阀片断裂、弹簧失效)的气阀振动信号。

图5 数据采集系统和测点简图

3 气阀故障频谱分析

由气阀故障原因可知，由气体冲击力引起的振动信号为低频信号，而阀片与升程限制器碰撞为高频信号，通过时域特征参数对比阀片正常与异常状态的振动信号很难对气阀故障类型进行判断[11]，因此需要进一步采用频谱分析判断四种工况下气阀的振动信号的能量分布变化，如图6～图9所示。

图6 气阀正常工作时振动频谱图

图6表明，气阀正常时能量分布主要集中在2000Hz到11000Hz之间，振动信号能量主要由气体循环载荷引起的低频振动和因阀片与升程限制器碰撞的高频振动组成。

图7 阀片断裂时振动频谱图

图7表明，气阀阀片断裂的频谱能量与幅值明显变化，振动能量分布主要在0Hz到8000Hz之间。由于阀片断裂，低频能量与正常气阀相比有所增加，但阀片刚度变小，高频能量减弱，振动能量向低频端偏移，这是气阀阀片断裂的主要频谱特征。

图8 弹簧失效时振动频谱图

图8表明，由于弹簧失效，一方面弹簧减振作用减弱或失去，阀片受冲击力变大，振动能量分布集中在3000Hz到5000Hz之间，另一方面弹簧对阀片的推动力减小，气缸内气体压力变小，导致中低频振动级数减小。

图9 阀片密封面失效振动频谱图

图9表明，阀片密封面失效的振动频谱与弹簧失效时类似，由于阀片刚度和弹簧弹性引起的高频振动基本不变，但由于这个阀片磨损导致气缸内压力减小，中低频振动增加，能量分布主要集中在4000Hz到6000Hz之间。

通过上述分析可以判断不同气阀故障类型在频谱图的中低频和高频的能量分布不同，通过提取气阀信号的能量分布可以准确有效的对故障做出判断。

4 结论

根据气阀工作原理，结合实际生产中气阀常见故障类型，设计一种用于在线测量的气阀故障检测系统，应用该系统采集四种模拟工况的气阀振动信号，并对振动信号进行频谱分析，得到不同故障类型的振动分布特征。实验结果表明：

(1)设计的气阀故障测试系统可在不影响压缩机运行的情况下在线测量不同工况的气阀振动信号，经分析检测数据符合实际故障情况；

(2)通过测试系统采集的数据经频谱分析其各频段的能量分布可初步判定气阀的故障类型。

(3)经测试系统采集的原始振动数据可用于进一步的故障诊断的基础数据。