艦船空氣壓縮機氣閥故障診斷裝置設計與實現(xiàn)

孫團，姜應戰(zhàn)，劉中冬，姜海龍

（1. 海軍潛艇學院，山東青島266044；2. 青島科技大學，山東青島266061）

0 引言

艦船高壓空氣負責保障艦船主輔機的啟動、控制，并為其它系統(tǒng)提供氣源，而空氣壓縮機作為制造高壓空氣的輔助機械能否正常工作，關系重大[1]?？諌簷C在運行過程中，氣閥故障是引起空壓機計劃外停機的最主要原因。與空壓機其他組件相比，氣閥最為敏感，其好壞直接影響到空壓機運轉的經濟性和可靠性，據統(tǒng)計，由于氣閥故障造成壓縮機停機的次數(shù)占其全部停機次數(shù)的50%以上[2]。

以艦船常用的某型空氣壓縮機為例，當氣閥故障發(fā)生以后，就要判斷故障氣閥是六十多個氣閥當中的哪一個或者哪幾個。目前，艦船上普遍采用的辦法是，利用人的聽覺和觸覺對空氣壓縮機故障氣閥進行判斷，這一方面對維修人員的維修技能和經驗要求非常高，另一方面，即使具有優(yōu)秀維修技能的人員，在六十多個氣閥當中查找到故障氣閥平均工時約為2～3小時。因此研制一套氣閥故障診斷裝置，對空氣壓縮機氣閥檢測與維修具有重要意義。對于空氣壓縮機氣閥故障診斷方法研究[3]，本文給出了一種基于頻域分析的空氣壓縮機氣閥故障診斷裝置的設計方法，并進行了實際測試，測試結果表明頻域分析對與氣閥的故障診斷是有效的，這對于空壓機氣閥的故障診斷具有重要意義。

1 故障診斷裝置硬件組成

故障診斷裝置硬件組成如圖1所示，ICP加速度傳感器采集振動信號，經放大、濾波后，送至USB數(shù)據采集器，采集的時域信號送PC機，經應用軟件分析，給出氣閥的狀態(tài)，從而達到氣閥故障診斷的目的。

1.1 ICP加速度傳感器

壓電加速度傳感器在振動與沖擊測試中應用最為廣泛，但由于壓電傳感器壓敏元件具有很高的輸出阻抗，需前置放大器放大成低輸入阻抗的信號才能進行AD變換，若采用外置前置電壓放大器，則由于其靈敏度受電纜分布電容的影響，輸出信號將不能真實反映氣閥的振動信息；若采用外置前置電荷放大器，其靈敏度受電纜分布電容的影響較小，但電纜受到振動和彎曲時，電纜芯線和絕緣體之間、絕緣體和金屬屏蔽層之間由于相對移動摩擦產生靜電荷，會造成電纜噪聲，同樣會導致輸出信號將不能真實反映氣閥的振動信息，最終給分析結果帶來偏差。

ICP傳感器是指內置集成電路的壓電傳感器，與外置前置放大器相比，可克服以上缺點。

1.2 ICP加速度傳感器驅動電路

如圖2所示，ICP傳感器采用恒流源驅動，恒流源電路由電壓基準LT1019通過運算放大器與三極管組成的V/I變換電路實現(xiàn)，設基準電壓為Vref，則IE=Vref/Rs，適當選取Rs，可得到ICP傳感器所需的驅動電流。

1.3 ICP加速度傳感器信號調理電路

如圖3所示，ICP傳感器供電電纜同時作為振動信號輸出線，由于振動信號為交變信號，因此通過交流耦合至AD817高速運算放大器組成的高阻抗儀表放大器進行電壓放大。

為真實檢測信號頻譜，儀表放大器輸出經抗混疊低通濾波器后輸出至數(shù)據采集模塊。

1.4 USB數(shù)據采集模塊

為方便利用PC機MATLAB軟件分析氣閥狀態(tài)，采用USB數(shù)據采集模塊，本檢測裝置采用MPS系列USB數(shù)據采集模塊，內置16位AD，采樣頻率高達400 K，采集到的數(shù)據可連續(xù)送到計算機，供MATLAB應用軟件分析。

1.5 便攜式計算機

便攜式計算機用于開發(fā)和運行MATLAB應用軟件，對氣閥振動信號進行頻譜分析，并建立氣閥狀態(tài)頻譜數(shù)據庫，對氣閥狀態(tài)進行分析和故障診斷。

2 故障診斷裝置軟件設計

軟件流程如圖4所示，軟件運行分為兩個狀態(tài)。一是特征提取狀態(tài)，以大量的采集數(shù)據為依據，利用MATLAB信號處理模塊為分析工具進行頻譜分析，從而得到氣閥的故障特征，建立故障數(shù)據庫。二是故障診斷狀態(tài)，在已建立故障數(shù)據庫的基礎上，通過計算機連續(xù)采集空壓機氣閥的振動信號，并進行頻譜分析，再與故障數(shù)據庫的故障特征進行相關分析，進行氣閥的故障診斷。

3 測試結果與分析

圖5給出了空氣壓縮機氣閥工作過程中的振動的時域及頻域信號，其中圖5a為時域振動信號，圖5b為經過頻域分析后的信號。由圖5a與圖5b對比可以看出：（1）氣閥振動的時域信號在正常狀態(tài)與故障狀態(tài)下無明顯特征；（2）經頻域分析的氣閥振動信號正常狀態(tài)與故障狀態(tài)下差異明顯，其中正常狀態(tài)下振動信號的頻域分量較豐富，而故障狀態(tài)下振動信號的頻域分量單調，與正常狀態(tài)下振動信號的頻域分量相比差異明顯。

4 結論

設計的基于頻域分析的空氣壓縮機氣閥故障診斷裝置，通過樣機的測試，結果表明該裝置可實現(xiàn)艦船用空氣壓縮機氣閥工作狀態(tài)的監(jiān)測和故障的快速診斷，提高了空氣壓縮機氣閥檢修工作的快速性。

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