離心壓縮機振動狀態評價方法研究

王靜

摘要：離心壓縮機是化工行業的重要設備之一，在運轉過程中會產生振動情況，容易導致機組結構損壞。離心壓縮機振動狀態復雜，振動程度沒有直觀有效評價方法。主成分分析法是一種多元統計分析方法，通過對壓縮機振動特征參數進行處理，提取能夠反映振動狀態的主要信息。根據主要信息及相應貢獻率構建評價函數，求取能夠反映壓縮機組振動狀態的綜合評價指標，使振動實現定量化。本文通過對廠區現用壓縮機進行實例分析，所求振動綜合評價指數能夠反映機組各種振動狀態，驗證了該函數在振動狀態評價上的有效性。

關鍵詞：主成分分析法;振動評價

1 主成分分析法介紹

主成分分析法通過降維方式的統計方法，它通過一個線性變換，將原隨機向量轉化為正交的新隨機向量。通過分析主成分貢獻率將多維變量系統進行降維處理，使之能以一個較高的精度轉換成低維變量系統[1]。最后，以主成分方差貢獻率作為權值以及主成分作為變量，構造綜合函數，以將低維系統轉化成一維系統[2]。

1.1 指標標準化

假設有n個樣本，每個樣本有p個特征指標，記為X1，X2，...XP。對原始數據作標準化處理，使得每個指標的平均值為0，方差為1。首先需要采用標準化公式：

1.2 求樣本相關矩陣

對標準化后數據作分析，得到Xi與Xj的相關系數

1.3 計算相關矩陣R的特征值和單位特征向量

1.4 根據貢獻率選擇主成分

各主成分對模型的貢獻率對應于方差在所有方差之和的比例。第k個主成分yk的方差貢獻率為：

1.5 構造綜合評價函數，獲得綜合評價指數

以降維后主成分及對應貢獻率得出綜合評價函數：

將每個樣本的主成分得分代入評價函數，得到每個樣本的綜合指數，作為樣本的評價指標。

2 主成分分析法應用于離心壓縮機振動狀態評價

壓縮機出現不平衡、不對中、松動等故障往往在振動方面會有相應的反映，振動參數能反映壓縮機機械健康狀態。反映振動信息的參數較多，將主成分分析法的數據壓縮能力應用于壓縮機振動評價，可以有效將眾多的振動參數轉變為較少數據，以進行壓縮機振動的評價分析。

以某型號壓縮機為例，應用主成分分析法建立壓縮機前端水平方向測點振動特征參數的數學模型，評價振動情況的分級。所取振動參數包括：通頻值、有效值、0.5倍頻值、1倍頻值、2倍頻值、3倍頻值、4倍頻值[3]。

對某壓縮機進行一次大修，在此認為機組在檢修后振動狀態處于較好狀態。取機組前端水平方向測點振動參數5組作為較好狀態樣本。其后，機組運行中發現振動較大，存在不平衡故障。取這一時段振動參數5組作為不平衡故障嚴重的樣本。另取5組振動參數作為比對，此時機組出現不明顯的不平衡故障特征。

對矩陣X根據公式1進行標準化，并計算相關矩陣R。計算R的特征值和單位特征向量。計算結果如表2所示。

前兩項特征值的貢獻率達到了90.9%，超過了85%的要求，所以采用第一和第二主成分。

所得故障綜合值如表3所示。

將求得的綜合值畫圖，不同狀態的振動參數所求得的綜合值分布位置不同，如圖1。以兩主成分得分為坐標作圖，顯示各狀態分類特征，如圖2。圖2顯示不同振動狀態在主成分得分上分為不同的區域。18年，由于壓縮機內部轉子結垢，影響轉子動平衡，造成壓縮機振動增大。選取此階段一組數據為測試數據帶入公式10、11，計算結果為第一主成分-3.627，第二主成分-5.206，將數據點顯示在主成分得分圖上，顯示與振動狀態較差一類較為接近，如圖3。這表明，主成分分析法可以通過綜合值反映不同振動狀態機組的振動惡劣程度。

3 結論

在離心壓縮機發生振動故障之后，可以及時通過頻譜分析，得出振動值大小。采用主成分分析法對離心壓縮機的振動狀態進行分析。通過將多個振動特征值處理，轉化為兩個主成分并保證主要信息不丟失。最后用主成分構造綜合函數，求取能夠反映機組振動狀態的振動綜合指數，實現振動惡劣程度的定量評價。由于主成分分析法算法簡單，評價過程無主觀因素影響，適合于現場機組振動評價，提高設備管理水平。

參考文獻：

[1]王春生.離心壓縮機振動分析[D].天津：天津大學：2004.

[2]劉克敏.離心壓縮機振動的分析和處理[J].風機技術，1999，05：43-45.

[3]趙國利，齊俊梅，任濤，付芳琴.狀態監測技術在BCL506離心壓縮機故障診斷上的應用[J].風機技術，2011，04：43-45.

（作者單位：中石化天然氣榆濟管道分公司）