往復式壓縮機振動信號特征分析及故障診斷方法探究

高亮（中國石油化工股份有限公司華北分公司第一采氣廠，陜西 榆林 719000）

往復式壓縮機作為石油化工生產過程的關鍵性設備，它的運行效果影響著石油業的健康發展。往復式壓縮機具有結構型式各異、運動部件多、故障發生率高的特點，且工作環境相當惡劣。考慮到往復式壓縮機的結構特征及運行工況均十分復雜，因此壓縮機工作過程必定產生振動，即壓縮機內部構件的性能狀態經某種傳統途徑由殼體表面的振動信號反映出來。可見，借助振動信號來診斷壓縮機的故障具有可行性。本文筆者結合實踐經驗，就往復式壓縮機振動信號的特征及故障診斷方法進行研究，以便準確確定出壓縮機的故障，進而實現往復式壓縮機的安全穩定運行。

1 往復式壓縮機振動信號的特征

據相關研究結果表明，往復式壓縮機的振動信號具有周期性、沖擊響應兩大特征，即壓縮機振動信號的核心成份均表現出顯著的周期性特征，且此周期均屬曲軸旋轉周期（倍頻），同時壓縮機振動信號的成份為沖擊響應信號，因此表現出顯著的沖擊響應特征。本章節試圖從此兩方面探究往復式壓縮機振動信號的特征，以便為往復式壓縮機的故障診斷提供參考依據。

往復式壓縮機振動信號的核心成份均屬周期性函數，且此周期函數的基本周期為曲軸旋轉周期，因此壓縮機振動信號的任意整周期信號反映出的壓縮機工況信息均相同，則僅需獲取到任意整周期的振動信號，便可確定壓縮機的運行故障，如此實現工作量的降低。考慮到往復式機械振動信號的循環平穩性由該機械運動部件的周期性決定，因此可采用循環平穩法來分析壓縮機振動信號的特征。研究表明，往復式壓縮機振動信號屬來自若干激勵源的響應信號的疊加，且頻域內此響應信號的分布位置各不相同，因此可借助振動信號的頻域能量特征來確定來自任意激勵源的響應信號所對應的特征頻帶，然后再對該頻帶信號的特征進行提取，以監測往復式壓縮機的運行工況。就往復式壓縮機的運行故障而言，故障的類型定會改變振動信號的整體時域波形，因此此波形變化的信息可從整體振動信號內提取出來，由此確定壓縮機的工況特征。總之，往復式壓縮機具有復雜的結構、較多的振動激勵源及多樣化的故障類型，因此對往復式壓縮機振動信號特征的研究能為壓縮機的故障診斷提供參考依據。

2 往復式壓縮機的故障診斷方法

從機理角度而言，往復式壓縮機故障可分成流體性質的故障及機械性質的故障兩種類型，其中前者屬機器熱力性能故障，后者屬機械功能故障。考慮到往復式壓縮機故障的成因各不相同，因此壓縮機振動信號及診斷方法亦有所不同。結合多年實踐經驗可知，往復式壓縮機熱力性能故障多由易損件（比如填料函等）損壞所致，而往復式壓縮機機械功能故障多由壓縮機內部運動部件損壞所致，比如閥門碎裂、活塞桿斷裂等。考慮到往復式壓縮機的運動部件多，因此壓縮機故障多屬機械性能故障。結合前文可知，振動信號能為往復式壓縮機故障診斷提供參考依據。為此，本章節結合振動信號特征，探究往復式壓縮機的故障診斷方法。

2.1 對熱力性能參數進行測量，以此掌握往復式壓縮機的運行狀態信息，然后再對壓縮機的運行故障進行診斷研究，即運用儀表來測量出往復式壓縮機的水溫、油溫、排氣壓力、排氣量及冷卻水量等，以此為壓縮機相關運動部件的故障診斷提供依據。考慮到此診斷方法尚不能準確預測出壓縮機的故障點，因此僅用來檢測往復式壓縮機的運行狀態及工藝參數。

2.2 對振動噪聲進行測量，即借助往復式壓縮機的振動信號來診斷氣缸及活塞的磨損程度、主軸承的狀態及氣閥的漏氣情況；汽缸頭裝設振動傳感器，如此對振動信號進行分析后，再依據分析結果對缸內故障進行診斷；借助振動信號對壓縮機主軸承故障進行診斷；借助潤滑油管路內壓力波信號來診斷壓縮機軸承故障等。

2.3 往復式壓縮機的工況變化多，由此導致振動信號的平穩性較差，因此該診斷方法的應用面尚待商榷。

2.4 目前，往復式壓縮機故障診斷領域開始應用到人工智能領域的神經網絡技術及專家系統。所謂故障診斷專家系統，是指智能化計算機程序系統，該系統囊括大量的領域專家知識及實踐經驗，且多用來對高難度且復雜的系統故障進行診斷。實踐表明，此診斷方法具有使用方便、解釋機制強、推理預測簡單及易建造等優點，同時也具有推理機制過度簡單、專家知識準確性無保證、知識獲取難度大等缺點，因此應用過程需揚長避短，以增強實際應用效果。

3 結語

結合前文內容，本文筆者認為往復式壓縮機故障診斷過程應特別注意下列事項：1.考慮到往復式壓縮機具有復雜的結構、較多的振動激勵源及干擾源，因此必須突出對非定常信號及非線性信號的處理。2.往復式壓縮機采用在線監測手段收集到的故障信息多屬間接采集，則存在某種不確定性因素，因此必須重視某些識別技術的研究及應用。3.往復式壓縮機故障診斷的成功經驗均難以歸納成通用的診斷規則，因此專家系統知識庫尚待充實，比如突出對典型故障特征的實驗研究等。

[1]田智,朱琴,練興元等.基于多尺度樣本熵的往復式壓縮機故障診斷方法研究[J].機械設計與制造工程,2014.

[2]秦強.基于基追蹤、波形匹配和支持向量機的往復式壓縮機氣閥故障診斷研究[D].北京化工大學,2011.