沖擊傳感器的應用研究

陳志軍 王正洪

摘 要:石油化工等企業大量使用的往復壓縮機有較高的故障率,給安全生產帶來潛在威脅。為了構建合理有效的往復壓縮機在線監測系統,除了傳統的振動信號頻譜分析外,在一臺大型往復機上開創性地安裝了METRIX公司的IT6812型沖擊傳感器,用于檢測機械松動,以及由此引發的裂縫、斷裂等嚴重事故的征兆。初步運行表明,沖擊傳感器對機械松動等不正常運行狀況有很高的靈敏度,可以預防有劇烈沖擊載荷的各類機器運行中機件斷裂等嚴重事故的發生。

關鍵詞:沖擊傳感器;往復壓縮機;在線監測系統;故障診斷

中圖分類號:TH89;TP212

文獻標識碼:A

0 引 言

往復壓縮機的機械故障診斷是一個引起廣泛關注的研究課題。往復式壓縮機的工況與旋轉式壓縮機有很大差別,用于離心機的傳統振動監測和分析技術,不能成功地用于往復機。美國南加里佛尼亞洲一家工廠有五臺大型往復壓縮機,幾年前,其中一臺壓縮機發生連桿斷裂的嚴重事故,但傳統的振動檢測系統卻沒有發出預警信號。國內工業現場大型往復壓縮機的重大事故也發生過多起,僅南京某廠從1996年以來,共發生了12起活塞桿斷裂事故,平均每年發生一起。往復壓縮機沒有狀態監測系統以及使用不可靠的監測系統的狀況不能再繼續下去,必須尋找一種更好的檢測方法來防止事故重復發生。在此提出使用沖擊傳感器來檢測機械松動,進而防止因松動進一步擴展所帶來的部件裂縫甚至斷裂的嚴重后果。沖擊傳感器開辟了監測往復機以及類似機器機械故障的一種全新思路,具有很好的發展前景。

1 IT6810系列沖擊傳感器的工作原理

旋轉式壓縮機的振動信號帶有一種相對穩定的模式,而往復機的振動信號含有大量暫態的、不穩定的、瞬變的沖擊成分,試圖準確分析每一個成分對應于什么機理是一件很困難的工作。沖擊傳感器的思路是,所有這些暫態的、不穩定的、瞬變的成分本身能否用來構成┮恢知新的有效的監測模式,也就是不再沿用旋轉式壓縮機檢測穩態模式的方法,而是檢測往復機所獨有的換向運動所產生的沖擊,通過沖擊的程度來預示可能存在的螺栓松動、間隙增大、閥片裂縫,以及很多往復機通常可能發生的失效形式。

這樣一種假設是合乎邏輯的:在正常情況下,往復機應當具有某種沖擊“模式”。這種沖擊模式是指在┮歡為給定時間內發生沖擊事件的幅度和次數。偏離正常狀態時,例如螺栓或配合處發生松動、運動部件內部出現裂縫等,都將導致沖擊模式的明顯變化。正常模式的確定在一定程度上帶有經驗數據的性質,而不是通過理論推算而來,但在實踐中被證明是可行的。在這一點上,很像最初靠富有經驗的技術人員或工人,用一根鐵棒敲敲打打,再用耳朵傾聽機器內部的聲音來確定機器的運行狀態一樣,方法看起來很古老,但卻有效。

沖擊傳感器用來感受高幅度、短時間的尖脈沖,這個特點表征了往復機中存在的大多數潛在的問題。這些尖脈沖在穩定狀態振動信號的總能量中并不占有明顯的比重,它們在用于檢測旋轉式壓縮機的傳統信號處理的過程中往往顯現不出來。而在沖擊傳感器中,專門的峰值檢測電路在規定的時間長度內捕捉和計算超出閾值的沖擊事件的次數,這種記數方法在實踐中被證明是非常可靠的,從而形成了沖擊傳感器的工作原理。

2 沖擊傳感器的安裝與設置

2.1 沖擊傳感器選型

南京一大型石油化工股份有限公司芳烴廠的GB302D氫氣壓縮機是一臺二級四缸、臥式、H型對稱平衡往復式活塞壓縮機。為了檢測包括機械松動以及由此引發的連桿斷裂等嚴重事故在內的壓縮機不正常工作狀態,決定安裝美國METRIX公司于2005年推出的沖擊傳感器。由于生產現場有防爆要求,故選用了帶防爆盒的IT6812型傳感器。

[BT3]2.2 沖擊傳感器安裝

由于沖擊傳感器用來辨別諸如松動、裂縫、斷裂等狀況,故在GB302D往復壓縮機4個缸的十字頭滑道箱外殼上各布置1個,安裝方向垂直于連桿的運動方向,用以測量往復機因連桿螺母松動、連桿斷裂等故障所引發的沖擊烈度。圖1為可供選擇的安裝位置圖,圖2為現場安裝照片。

2.3 沖擊傳感器內部結構和主要參數

沖擊傳感器把新的測量方法和常規4~20 mA回路供電傳感器技術結合在一起(見圖3)。

它有一個內部壓電晶體敏感元件,并使用一個定時功能作為烈度檢測的一部分。一個沖擊事件計數器和存儲單元用來記錄達到預設的幅度閾值等級的事件。4~20 mA信號對應于在一個稱作復位時間的預設時間窗口內發生的超過閾值等級的沖擊事件的次數。電流回路負載電阻的典型數值是,在用于PLC、監視器或DCS的場合中分別為50 Ω,100 Ω或250 Ω。最大電阻值玆㎜玬ax是供電電壓值的函數:

傳感器規范的主要內容為:輸出電流:4~20 mA,兩線;沖擊范圍:在0.8~3.2 s的時間范圍內,輸出正比于沖擊次數,16次沖擊對應20 mA;沖擊閾值:50~1 200 mV;回路供電電壓:直流(VDC)15~30 V。

2.4 沖擊傳感器設置

在傳感器完成安裝,壓縮機正常工作的情況下,即可進行閾值設定。調節傳感器參數的測試電路如圖4所示,要注意在測試模式下沖擊傳感器的電源連接極性和正常運行模式正好是相反的。250 Ω電阻用于將電流脈沖轉換成電壓脈沖,以便在示波器上顯示。調節工作也可以借助于一個手持的6850沖擊儀進行,該沖擊儀通過專用插座連接到沖擊傳感器上。6850沖擊儀帶有一個視窗,可以顯示由沖擊傳感器產生的供閾值設定用的脈沖和機器的振動峰值,以及供復位時間設定用的脈沖周期(見圖5),同時也提供電源。旋轉傳感器上的兩個調節螺釘,可以改變脈沖周期和脈沖高度。

(1) 設定復位時間。圖5中的脈沖周期,即從第1個脈沖的上升沿到第2個脈沖的上升沿的長度代表復位時間。復位時間(0.8~3.2 s)的確定取決于壓縮機的旋轉速度,GB302D機的速度是300 r/min,屬于低速范圍,復位時間應設定為3.2 s。時間值可以通過視窗上的刻度讀出。

[JP2](2) 設定沖擊閾值。圖5中兩個脈沖的高度代表閾值大小,閾值的設定取決于振動峰值的大小。機器振動信號僅在測試模式下才顯示出來。在測試模式下,6850沖擊儀可以顯示每個時間周期內以mV為單位的振動脈沖的峰值電壓,并計算和顯示出最大值。在隨后的時間周期內,如果最大峰值電壓大于前一周期的值,則顯示值將會隨之增加;如果最大峰值電壓有所減小,但仍大于前一周期最大峰值電壓的1/2,則顯示值維持不變,只有當隨后周期內的最大峰值電壓不足前一周期最大峰值電壓的1/2時,顯示值才會減小。這種顯示方式的好處是盡可能保持峰值電壓的相對穩定,便于設定沖擊閾值。沖擊閾值一般設定為振動信號峰值的2~3倍,如果機器已經存在輕微的松動,則閾值設置應稍低一些。[JP]

(3) 4~20 mA電流的測量,此時沖擊傳感器進入正常工作模式。6850沖擊儀可以讀出由沖擊傳感器產生的電流值。電流值與沖擊次數的關系是:在3.2 s的時間內,如果沒有發生超過閾值的沖擊事件,傳感器輸出4 mA,每增加1次超過閾值的沖擊事件,輸出增加1 mA,一直到發生16次以上超過閾值的沖擊事件,傳感器輸出20 mA。電流輸出的改變發生在每次復位時間周期的結束時刻,但是如果發生16次以上超過閾值的沖擊事件,則電流立即上升至20 mA,而不是等到時間周期結束,這是出于往復機運行安全的考慮。

3 應用情況

沖擊事件超出允許范圍的報警電流值可以按不同應用自行設定,例如早期預警可以設定為8 mA(4次超出閾值的沖擊事件),緊急警報可以設定為12 mA(8次超出閾值的沖擊事件)。閾值設定值與報警電流值存在一定關系,如果閾值設置得較低,那么報警電流值應設置得較高些。為了積累運行經驗,不要過早地把報警信號和壓縮機的運行直接采用機械連鎖,而是把報警形式設計為在上位機主頁面上用不同顏色顯示越界的撞擊事件次數,以引起工作人員注意。另外,可以在壓縮機參數分析頁面中的趨勢分析菜單下,展示壓縮機4個汽缸包括沖擊次數在內的特征參數的歷史走向,改變顯示區下方的滑塊位置,可以檢查不同日期和時間超出閾值的沖擊次數。

在監測系統運行初期,曾發生兩次報警信號,一次是由于傳感器防爆盒的蓋子松動引發的,壓縮機的整機振動帶動防爆盒蓋子和盒體發生斷斷續續的沖擊,使得該氣缸的傳感器輸出時大時小,把蓋子擰緊后傳感器輸出恢復正常,這說明沖擊傳感器非常靈敏。另一次則真[LL]正與壓縮機運行狀況有關,即GB302D機3號缸的沖擊事件指示數明顯比其他缸高,后經工作人員證實,該缸的十字頭確實略有松動,這說明傳感器工作正常,并正常發揮了監測作用。

4 結 語

從初步使用情況中發現,沖擊傳感器對沖擊事件很敏感,非常適合于監測機械松動、閥片裂縫、螺栓連桿斷裂前兆等諸如此類的機械故障,由此構成的監測系統,有望預防往復壓縮機以及同類機器嚴重事故的發生,具有明顯的安全和經濟效應。

參 考 文 獻

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作者簡介 陳志軍 男,1966年出生,江蘇常州人,江蘇工業學院信息科學與工程學院實驗師。研究方向為信號與信息處理。