往复式压缩机气缸压力模拟曲线提取.pdf

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TP206.3T H458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=9.806 65 m/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Journal of Vibration,Measurement&DiagnosisVol.29 No.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?0,?-?0)(3)图 4 为 Fourier 核函数的时域、频域特性曲线(?0=42?弧度)。图4Fourier核函数时、频域特性可以看出,Fourier 核函数相当于频域中一个幅值为1 的平顶带通滤波器,频谱中心在坐标零点。根据Fourier 变换的性质,f(t)exp(j2?f0t)的中心频率为f0。通过选择适当的?0,f0,就可以得到带宽为2?0,中心频率为f0的理想带通滤波器。4气缸压力模拟曲线提取往复式压缩机的压力脉动可以看作周期性变化的宽幅缓变脉冲信号,它的响应信号的幅值的变化在一定程度上反映了压力信号的变化状况。文献 6 中采用包络分析的方法提取气阀冲击响应的包络作为判断气阀工作状况的依据。本文采用高通绝对值法对滤波后的信号进行包络分析,提取信号的低频缓变趋势来模拟压力曲线。图 5 为图1 中信号滤波后的包络曲线(一个周期)。为了更加清楚地说明气缸压力的变化趋势,将滤波前信号的时域包络缩小了一定比例后(原始信号的包络幅值要远远大于滤波后信号的包络幅值)也绘制在同一张图中,以便进行比较。其中:A 点对图5模拟压力曲线应前一周期排气阀关闭冲击;B,C,D,E 点分别对应当前周期内进气阀打开、关闭,排气阀打开、关闭的机械冲击。由往复式压缩机的工作机理可知:AB 段为膨胀过程,气缸压力迅速降低;BC 段为吸气阶段,气缸压力基本维持在较低值,变化较小;CD 段为压缩阶段,气缸压力快速上升,达到较高压力;DE 段为排气阶段,气缸压力维持在较高值,变化较小,接着进入下一个压力循环。从图 5 中可以看出,虽然模拟压力曲线并不能准确的从数值上反映气缸压力的变化,但在一定程度上可以反映出气缸压力的变化趋势。这证明用压力响应信号的包络曲线来模拟压力的变化趋势是可行的。5工程应用采用图3 中2 个正常信号,1 个气阀失效信号和1 个气阀弹簧失效信号进行压力模拟曲线提取。从上文的分析已经知道,压缩机气缸压力脉动引起的振动响应信号所处的频段为4011 200 Hz,构造梳状滤波器如图6 所示。图 6梳状滤波器图7 为经梳状滤波、包络分析后得到的4 条压力模拟曲线。上方实线绘制的为气阀失效信号压力曲线,虚线绘制的为气阀弹簧失效信号压力曲线,下方的两条曲线为正常信号压力曲线。81第1 期赵俊龙等:往复式压缩机气缸压力模拟曲线提取图7正常、故障信号压力模拟曲线对比从图7 可以看出,气阀故障信号模拟压力曲线的最大幅值要明显高于正常信号,表明在故障状态下的气缸内压力要大于正常状态下的压力,这与气阀发生故障时,一般情况下会造成气缸压力变大的结论相一致。以上分析说明,模拟压力曲线可以分辨出压缩机的故障与正常工作状态。往复式压缩机示功图能够反映出气阀、活塞等部件的工作状态,示功图的面积表征了压缩机的功耗。通过原始信号的包络识别出进、排气阀开启、关闭时的几个冲击时间(图5 中的A,B,C,D,E 点),将它们对应到模拟压力曲线上,可以绘制出模拟示功图,通过模拟示功图的面积及形状的变化能够进一步识别故障。图8为上述4 个信号的模拟示功图,曲线所代表的信号与图7 相同。从图8 可以看出,故障信号的模拟示功图处于正常信号模拟示功图的上方,并且所围面积较大,这说明在故障状况下气缸压力做功更多。气阀失效与气阀弹簧失效故障信号的模拟示功图相比,弹簧失效故障的模拟示功图所围的范围更广,面积也相对较大,这说明不同的故障模拟示功图其形状也有较图8正常、故障信号模拟示功图对比大差别。以上分析说明,采用模拟示功图不仅可以区分出往复式压缩机的故障与正常状态,还可以区分不同的故障类型。6结论(1)频带能量准则与梳状滤波器相结合可以有效地提取出气缸压力响应信号。(2)气缸压力响应信号的低频包络曲线反映了气缸压力的变化趋势,可以用来区分压缩机的正常与故障工作状态。(3)基于气缸压力模拟曲线的模拟示功图法不仅可以区分出故障与正常状态,还可以区分不同的故障类型,具有良好的工程应用前景。参考文献1 王金东,张嘉钟,刘树林.应用神经网络识别往复式压缩机指示图 J.振动、测试与诊断,2003,23(4):217-219.2Elhaj M,Gu F,Ball A D,et al.Numerical simulationand experimental study of a two-stage reciprocatingcompressor for condition monitoring J.M echanicalSystems and Signal Processing,2008,22:374-389.3 沈庆根,郑水英.设备故障诊断M.北京:化学工业出版社,2006.4 石玉祥,韩军,张梅军.缸压振动信号的研究 J.振动、测试与诊断,1995,15(4):20-25.5李志勇,危韧勇,张涛.基于Morlet组合小波的梳状滤波与包络检波方法J.中南大学学报:自然科学版,2006,37(2):336-339.6 林京,刘红星,屈梁生.信号包络特征识别在故障诊断中的应用J.振动、测试与诊断,1998,18(1):34-38.第一作者简介:赵俊龙男,1977年8 月生,博士生。主要研究方向为机械设备故障诊断及模态分析。E-mail:szlaola 82振动、测试与诊断第29 卷Fault Diagnosis of Reciprocating Compressor by Using SimulatedCylinder Pressure CurveZhao JunlongZhang ZhixinGuo ZhenggangLi H ongkunWang Fengtao(Key Laboratory for Precision and Non-Traditional M achining T echnology of Ministry ofEducation,Dalian University of T echnologyDalian,116023,China)AbstractA method of reciprocating compressor fault diagnosis based on vibration signal analysis waspresented.Firstly,frequency band energy criterion was used to determine the response signal frequencyband,which was caused by the varying cylinder pressure.Secondly,comb filter was adopted to acquire thesignal from the corresponding band.T hirdly,the envelop of the filtered signal was extracted.Finally,theenvelope curve was used to construct a simulation indicator diagram to make further diagnosis ofreciprocating compressor faults.T he application result shows that it not only can be used to distinguishthe fault state from the normal of the compressor,but also can be used to divide the fault into differenttypes,which make it valuable in practice.Keywordsreciprocating compressorfault diagnosisenvelopefrequency band energy criterioncombfilterMulti-Fault Classification Algorithm Based on Inter-Class Separabilityand Support Vecton MachineLi Min1,2Yang Jieming1Zhang Xiaoping1(1Research Institute of Mechano-Electronic Engineering,Taiyuan U niversity of TechnologyT aiyuan,030021,China)(2Shanxi Science and T echnology DepartmentT aiyuan,030024,China)AbstractThe multi-classification algorithm structure of the support vector machine(SVM)has a decisiveeffect on the classification ability.Based on Kernel function mapping,this paper presents an inter-classseparability method in high dimensional feature space called J*b/J*w.T hen the classifier structure of SVM isdesigned with the min-max rule.Finally,classifying experiment of 4 types of rolling bearing faults isdone,and the results show that the multi-fault classifier based on the J*b/J*wmethod and the min-max rulecan identify the fault pattern more accurately and effectively.Keywordssupport vector machineinter-class separabilityfault classifierrolling bearingApplication of Magneto-Elastic Method to Tension Measurement ofPrestressed Cables in Suspended StructureSong Jie1Chen Lu1Zhang Qilin1Chen Guodong2(1Department of Building Engineering,T ongji UniversityShanghai,200092,China)(2Changjiang Jinggong Steel Structure Group Co.LtdGuangzhou,510635,China)AbstractIn order to control the prestressed cable tensile forces and ensure the construction quality,themagneto-elastic method was introduced to inspect the cable tension in trusses of the new GuangdongMuseum.Through the comparison between the testing and the design data during different construction120Journal of Vibration,Measurement&DiagnosisVol.29