往復式壓縮機氣閥故障模擬實驗與數據處理

巴鵬，江澤磊,2，李睿

(1.沈陽理工大學機械工程學院，遼寧沈陽 110159；2.山西航天清華裝備有限責任公司，山西長治 046012；3.遼河油田特種油開發公司安全環保科，遼寧盤錦 124000)

0 前言

往復壓縮機是一種在石油、化工、新能源等行業中廣泛使用的重要機械。因為其零件較多、結構復雜，所以故障頻發。故障會給生產帶來巨大損失，甚至造成人員傷亡。氣閥作為往復壓縮機中最關鍵的零件，其故障在往復壓縮機故障類型中約占36%。因此，對往復壓縮機氣閥故障的在線監測與模擬實驗顯得尤為重要。

近年來，國內很多學者在氣閥故障領域進行了很多研究。楊菲和蘇永升對進氣閥漏氣故障進行模擬，采用熱力參數、示功圖和振動的方法對壓縮機進行現場監測。畢文陽等利用BH5000R在線監測診斷系統對現場機組氣閥進行模擬、識別和分析。徐豐甜等采用主成分分析法(PCA)從氣閥閥蓋溫度數據中提取故障特征參數，實現了故障異常自動監測。張思陽等提出一種基于四次Hermite插值EEMD(QH-EEMD)與功率譜熵(PSE)相結合的方法，實現了常見故障的準確診斷。張謙等人通過建模仿真獲得氣閥泄漏理論數據，基于實驗臺故障模擬實驗，結合壓力、溫度數據分析故障特征，提出了一種融合多參數實現氣閥泄漏故障分析診斷的方法。本文作者通過在2D-90MG往復壓縮機實驗平臺上對進氣閥、排氣閥設計一系列破壞實驗，在氣閥底座上安裝加速度傳感器，采集并分析振動信號，同時監控進氣閥、排氣閥溫度的變化，對往復壓縮機不同工況的特征進行了有效提取，為往復壓縮機故障診斷提供參考。

1 氣閥故障原理

在壓縮機工作過程中，每一次進行氣體的壓縮，氣閥閥片都會運動，并且閥片、彈簧和升程限制器會產生撞擊。無論哪一種機械零部件，在長期高頻率的工作狀態下，在交變應力、氣流沖擊以及高溫腐蝕的狀態下，都很容易發生故障，使得排氣量降低，影響工作效率，情況嚴重時，甚至會降低壓縮機的壽命，導致壓縮機無法正常工作。因此，氣閥的閥片和彈簧是壓縮機最容易發生故障的零件。氣閥結構如圖1所示。

圖1 氣閥實物

結合氣閥的工作原理以及記錄現場壓縮機氣閥故障的實例，氣閥的故障通常分為以下幾類：

(1)閥片斷裂

閥片在長時間高強度的工作后，會存在一些輕微的磨損，導致較小的漏氣現象。由于此時的磨損還較小，氣缸內外壓力差變化不大，這時的故障現象還較難觀測出，屬于輕微故障的范疇。但在這種狀態下，再經過較長時間的磨損，會出現閥片裂紋、甚至斷裂的現象。此時，氣缸內外的壓力差變化較為明顯，氣閥剛度大幅下降，結構較為松散，會出現非常明顯的漏氣現象。閥片斷裂這種故障通常不會損壞氣閥其他零件，換裝一個閥片即可解決這種故障。

(2)彈簧失效

在氣閥故障種類中，彈簧失效是主要失效形式。彈簧在工作時主要起到對閥片與升程限制器的緩沖作用。當彈簧失效時，彈簧無法對閥片起到緩沖作用，對閥片緩沖的作用只能由升程限制器和閥座承擔，此時閥片會劇烈撞擊升程限制器，從而在升程限制器上停留的時間大于彈簧正常時的狀態，這樣會導致閥片延時關閉。閥片延時關閉的危害有：造成氣體泄漏、降低排氣量、影響工作效率；加速閥片的磨損、斷裂，還有可能會造成閥蓋、閥座的磨損；加劇振動，產生更大的噪聲。操作者應該及時發現這種情況，更換較為合適的彈簧。

(3)閥片密封面失效

氣閥工作環境惡劣，長期運行必然會造成閥片表面的腐蝕。當腐蝕達到一定程度時，會產生漏氣的現象，即閥片密封面失效。這種情況會降低氣閥的排氣量，降低壓縮機的工作效率。通常，緩解這個問題的辦法有：網狀閥片和閥座之間的接觸面必須經過高精度加工和高精度打磨；安裝彈簧必須均勻分布，且排列整齊；彈簧的彈力大小也必須盡可能一致。因為如果彈簧安裝出現歪斜或者彈力不一致，在工作時，很容易導致閥片受力不一致，從而加速磨損。此外，壓縮機傳輸的介質不同，也會影響閥片磨損的程度。

(4)其他故障

氣閥其他故障通常包括閥片厚度及彈簧彈力不同引起的故障、空氣中油水介質形成油膜引起的故障。如果閥片太厚且彈簧的質量過大，會造成氣閥開啟不及時、關閉延時，降低排氣量，影響壓縮機工作效率。因此，通常選取厚度較薄的高分子材料做成的閥片。另外，如果傳輸的介質中混有油水，形成油膜附著在氣閥表面，也會影響氣閥的正常工作。因此在傳輸介質時，通常會對油水進行分離。

2 實驗平臺搭建

文中實驗裝置為2D-90MG往復式壓縮機，此型號為兩列一級立式空氣壓縮機，兩列分別為活塞環式和迷宮環式。該往復式壓縮機與石油、天然氣煉化企業中常用的壓縮機較為相似，以該壓縮機為實驗對象，在此實驗平臺上對進氣閥、排氣閥進行一系列的破壞性實驗，能夠盡可能地模仿實際工程中往復式壓縮機真實的工作狀態，采集到的振動信號數據有較高的理論意義與參考價值。2D-90MG往復式壓縮機實物如圖2所示，參數如表1所示。

圖2 2D-90MG往復式壓縮機

表1 2D-90MG往復式壓縮機技術參數

(1)振動傳感器的選取

文中所采集的振動信號是隨時間變化的加速度值。隨著氣閥振動頻率越來越高，可以選取的測量參數有位移、速度以及加速度，選取哪個參數主要取決于氣閥的振動頻率。在故障診斷中，常用的傳感器有振動位移傳感器、振動速度傳感器、振動加速度傳感器。2D-90MG往復式壓縮機氣閥振動頻率較高，且伴隨著低頻振動，綜合分析之后，選擇振動加速度傳感器作為測量參數對2D-90MG往復式壓縮機氣閥進行監測。傳感器型號為CT1010L ICP壓電式加速度傳感器，該傳感器體積較小、質量較小，比較適合安裝在氣閥內部，具體參數如表2所示。傳感器的安裝方式為磁座安裝，傳導線引出方式為在閥蓋上打孔并灌膠密封，如圖3所示。

表2 CT1010L傳感器參數

圖3 傳導線引出方式

(2)采集卡的選取

選取USB2830高速數據采集卡，該采集卡可以直接和計算機的USB接口相連接，將加速度傳感器采集到的電壓信號傳輸到工控機上。USB2830采集卡的參數如表3所示,連接方式如圖4所示。

表3 USB2830采集卡參數

圖4 USB2830采集卡

(3)振動信號采集界面的設計

由于要同時采集進氣閥、排氣閥的振動信號，必須在采集界面上體現雙路采集的波形圖。另外，還在采集界面上加了2個計時器(手動和自動),這樣可實現振動信號的自動采集以及實時保存，使氣閥故障模擬實驗更加便捷以及智能化。振動信號采集程序界面如圖5所示。

圖5 采集程序界面

(4)其他設備

其他設備包括：CT5201恒流適配器，主要負責給CT1010L加速度傳感器供電；PLC控制柜，用來監控壓縮機的壓力、溫度、流量、轉速等參數。恒流適配器和PLC控制柜如圖6所示。

圖6 恒流適配器和PLC控制柜

(5)氣閥故障狀態模擬

對氣閥進行閥片斷裂、彈簧失效、閥片密封面失效3種狀態模擬，從而得到實驗所需閥片工作狀態，以進行氣閥振動信號采集。模擬效果如圖7所示。

圖7 氣閥故障模擬效果

2D-90MG往復式壓縮機實驗設計、實驗平臺搭建完成后，進行氣閥振動信號數據的采集。采樣頻率設置為25 600 Hz，采樣點數為4 096個，通道為0-1通道，計時器時間間隔為1 000 ms。啟動2D-90MG往復式壓縮機，將往復式壓縮機轉速調到750 r/min,待壓縮機運行2 h及以上達到穩定狀態后，采集氣閥振動信號。

3 氣閥振動信號數據分析

3.1 氣閥振動信號時域分析

(1)氣閥正常振動信號時域分析

從圖8可以看出:往復式壓縮機氣閥的振動具有周期性沖擊規律。以振動信號波形圖的一個周期為例，結合往復式壓縮機氣閥工作一個周期的運動形式：氣閥開啟→進氣保持→氣閥關閉→排氣保持,可以觀察到：氣閥在進氣保持階段和排氣保持階段都伴有一段持續輕微的振顫，這是由于氣閥在開啟和閉合時，氣體進入氣閥，對閥片造成一定的沖擊力，壓縮彈簧導致的。還可以看出，進氣階段比排氣階段的持續振顫的強度小。氣閥振動信號在氣閥開啟和氣閥關閉這兩個階段的振動作用最強烈，這時氣體對閥片和彈簧的沖擊作用力最大，閥片會撞擊升程限制器，所以產生的振動最強烈。另外，氣閥關閉瞬間的振動比氣閥開啟瞬間的振動小。因為氣閥在開啟瞬間會受到氣體對閥片的沖擊作用力和閥片對彈簧的瞬間作用力，相對于氣閥關閉瞬間作用力大。在氣閥關閉之后會有一段二次振顫，這是由于彈簧的作用力導致閥片反彈，引起振顫。除此之外，對比進氣閥和排氣閥的時域波形，可知進氣閥和排氣閥的波形圖包括運動狀態和振動形式大體一致，不同的是，排氣閥的振動強度整體上比進氣閥大10%～20%。

圖8 氣閥正常振動信號時域圖

(2)閥片斷裂振動信號時域分析

從圖9可以看出：在氣閥開啟和關閉仍然具有較高的振動，在進氣保持和排氣保持階段振動的幅度明顯增加，幾乎達到了氣閥開啟和閉合瞬間的振動大小，導致氣閥的4個工作過程變得難以區分。這是由于閥片斷裂，氣閥漏氣情況較為嚴重，一部分氣體直接作用在閥片、彈簧和升程限制器上，引起較高的振顫，導致進氣保持和排氣保持階段的振動大幅度增加。在氣閥開啟和氣閥關閉前后，振動次數明顯增多，這是由于閥片斷裂后的碎塊會掉落在彈簧或者升程限制器上，引起氣閥的共振。對比進氣閥和排氣閥的時域波形圖，發現排氣閥的振動明顯高于進氣閥，但振動波形的總體規律與進氣閥相似；不同的是，排氣閥在氣閥開啟和關閉階段的振動比進氣保持和排氣保持階段的振動更明顯，與進氣閥相比更容易觀測到氣閥的工作過程和完整周期。

圖9 閥片斷裂振動信號時域圖

(3)彈簧失效振動信號時域分析

從圖10可以看出：氣閥開啟與關閉瞬間的振動幅度基本相同，這與氣閥正常狀態的時域波形有區別。氣閥開啟和閉合瞬間伴隨一段時間的輕微振顫，這可能是彈簧失效后，彈簧對閥片的彈力作用減小，閥片對閥座底部的沖擊作用力變大，導致氣閥開啟和閉合瞬間伴隨一段振顫。相對于氣閥正常的時域波形，彈簧失效狀態氣閥關閉瞬間沒有二次反彈；在進氣保持和排氣保持階段，會伴有許多較為雜亂的振動，這是由于彈簧失效，閥片運動可能會出現偏移等現象造成的。另外，對比進氣閥和排氣閥，兩者的振動信號時域波形大致相似，同其他運動狀態一樣的是，排氣閥振動幅度比進氣閥大約20%。

圖10 彈簧失效振動信號時域圖

(4)閥片密封面失效振動信號時域分析

從圖11可以看出：進氣閥的時域波形在氣閥開啟和關閉瞬間振動幅度較接近，在進氣保持階段和排氣保持階段振動幅度也較相似，都伴隨輕微的振顫。在氣閥關閉瞬間未出現二次振顫現象，主要原因是閥片磨損導致密封面失效，當氣體進入氣閥作用在閥片上時，閥片表面受力不均勻，從而導致在進氣保持階段和排氣保持階段會出現輕微的振顫。從圖11(b)還可以看出：氣閥開啟階段比氣閥關閉階段振動幅度大，除此之外，排氣閥振動規律基本與進氣閥相似；排氣閥振動幅度總體比進氣閥大約20%。

圖11 閥片密封面失效振動信號時域圖

經過氣閥振動信號時域分析，可以得出以下結論：

(1)氣閥正常狀態下氣閥開啟階段比關閉階段振動幅度大；進氣保持階段和排氣保持階振動幅度較小且穩定；氣閥關閉階段之后會出現較為明顯的二次振顫現象。總體來說，氣閥正常狀態下振動信號時域波形較為清晰，可以很直觀地看到氣閥保持氣閥開啟→進氣保持→氣閥關閉→排氣保持的周期運行狀態。

(2)閥片斷裂狀態下一個很明顯的特征是振動幅度顯著減小，約為其他狀態的1/2。另一個特征是氣閥一個周期內各個階段的運行狀態不清晰。閥片斷裂會產生碎片，氣閥工作時碎片與閥片發生共振，同時氣體通過裂痕直接作用于彈簧和閥座，將導致周期內氣閥各個階段運動狀態混淆。由此，能夠判斷出閥片斷裂的故障狀態。

(3)與氣閥正常狀態相比較，彈簧失效和閥片密封面失效這2種故障狀態的進氣保持階段和排氣保持階段振動較為雜亂，且在氣閥關閉階段之后未出現二次振顫的現象，這是判斷這2種故障狀態的重要依據。但對于彈簧失效和閥片密封面失效，這2種故障狀態的時域波形較相似，很難通過時域波形圖來對這2種故障狀態進行區分。

3.2 氣閥振動信號頻譜分析

通過對氣閥振動信號的時域分析，對氣閥故障狀態有了初步判斷。通過對氣閥振動信號進行頻譜分析，觀察氣閥振動信號在不同頻率范圍內的振幅大小，進一步加深對氣閥故障狀態的判斷。

(1)氣閥正常振動信號頻譜分析

氣閥正常狀態下振動信號頻譜如圖12所示。可以看出：在同樣的頻帶上，振動信號的能量分布雜亂無章，很難找到良好的規律來反映氣閥運行狀態，只能通過不同頻帶上的細微差別進行區分，以加深對氣閥運行狀態的認識。從圖12(a)可以看出:在0～2 500 Hz內，振幅變化較小;在2 500～8 500 Hz范圍內，氣閥振幅變化較大，且在2 500～3 000 Hz、4 500～5 500 Hz、8 000～8 500 Hz范圍內會出現峰值；在8 500～12 500 Hz內，振幅逐漸變小。總體來說，氣閥正常狀態下，進氣閥能量在一定的頻帶內分布比較均勻，在中頻帶達到峰值。與圖12(a)相比，圖12(b)中的振幅明顯較大，最高峰值約是進氣閥的2倍。由圖12(b)可知：在0～6 000 Hz，排氣閥振動信號幅值較小，但在0～1 000 Hz、2 000～3 000 Hz、4 500～5 000 Hz內都出現了局部峰值；在6 000～11 100 Hz內，排氣閥振動信號能量比較集中，幅值明顯增大；在11 100～12 500 Hz內，排氣閥振動信號振幅逐漸降低。總體來說，排氣閥振動信號的特征是能量向高頻段移動，在中高頻段內能量集中且振幅較高。

圖12 氣閥正常振動信號頻譜圖

(2)閥片斷裂振動信號頻譜分析

閥片斷裂狀態下振動信號頻譜如圖13所示。

圖13 閥片斷裂振動信號頻譜圖

從圖13可以看出：進氣閥振動信號振幅在1 500～2 500 Hz、4 500～5 500 Hz范圍內出現了局部峰值；在6 000～8 000 Hz內能量比較集中；在8 000～12 500 Hz內振幅較低。閥片斷裂狀態下進氣閥的振動信號主要呈現能量向中低頻段移動的特點。排氣閥相比于進氣閥，最大的區別是振幅較高，約是進氣閥的2倍。此外，排氣閥的振幅分布比較規律，每間隔3 000 Hz振幅大小相似，但在5 000 Hz左右達到峰值。總體來說，閥片斷裂狀態下排氣閥的頻譜在0～12 500 Hz上能量分布較為規律。

(3)彈簧失效振動信號頻譜分析

彈簧失效狀態下振動信號頻譜如圖14所示。可知：在0～12 500 Hz上，進氣閥的能量大小分布比較接近，在7 000 Hz左右能量達到峰值；排氣閥的振動信號頻譜與進氣閥較為接近，不同的是排氣閥振動信號約在5 000 Hz和7 000 Hz處出現2個峰值，且振幅最大時為進氣閥的1.2倍。總體來說，彈簧失效狀態下氣閥振動信號能量主要分布在5 000～7 500 Hz中頻帶上，在低頻段和高頻段能量分布均勻且較低。

圖14 彈簧失效振動信號頻譜圖

(4)閥片密封面失效振動信號頻譜分析

閥片密封面失效狀態下振動信號頻譜如圖15所示。

圖15 閥片密封面失效振動信號頻譜圖

從圖15可以看出：進氣閥在0～3 000 Hz、4 500～7 500 Hz頻帶上，振動信號的振幅較接近且能量較低；在4 500、8 500、11 000 Hz附近，振幅出現峰值；頻率大于11 000 Hz后，能量逐漸降低。排氣閥振動信號頻譜與進氣閥比較相似。排氣閥振動信號在4 500～5 000 Hz、7 500～8 500 Hz內能量分布比較集中，振幅出現峰值；頻率大于8 000 Hz后，能量逐漸降低。此外，排氣閥振動信號頻譜的最大能量比進氣閥高。總體來說，閥片密封面失效狀態下氣閥振動信號能量主要集中在4 500～8 000 Hz中頻段。

經過氣閥振動信號頻譜分析，可以得出以下結論：

(1)氣閥正常狀態下的頻譜特征是能量向高頻移動，頻率在6 000～11 000 Hz范圍內振動信號能量較高且分布集中。

(2)閥片斷裂狀態下的頻譜特征是頻率在5 000 Hz附近時，能量達到最大，在其余頻帶上能量較小且分布均勻。

(3)彈簧失效狀態下的頻譜特征是在0～4 000 Hz低頻帶時能量較小、4 000～7 000 Hz中頻帶內能量較大、在7 000～12 500 Hz高頻帶內能量也較小。總體來說，彈簧失效狀態下能量向中頻移動。

(4)閥片密封面失效狀態下的頻譜特征是在0～4 000 Hz低頻帶能量分布較低、在4 000～9 000 Hz中頻帶能量較高。總體來說，閥片密封面失效狀態下，能量向中高頻移動，在中頻帶內能量最大。

彈簧失效和閥片密封面失效狀態下的振動信號頻譜圖較相似，區別是在中頻帶的能量分布有細微差別。因此，用頻譜圖對這兩類故障狀態進行診斷比較困難，不能保證較高的準確率。

4 結論

本文作者基于2D-90MG兩列一級往復式壓縮機實驗平臺，以往復式壓縮機氣閥為實驗對象，通過設計氣閥故障模擬實驗、搭建實驗平臺、采集氣閥振動信號、對氣閥振動信號進行數據處理，得出以下結論：

(1)通過介紹往復式壓縮機的工作原理和故障機制，得出氣閥故障占往復式壓縮機故障種類的60%以上，因此研究氣閥故障具有重要意義。通過分析往復式壓縮機氣閥運行過程和失效形式，得出氣閥常見的4種工作狀態：氣閥正常、閥片斷裂、彈簧失效、閥片密封面失效,為往復式壓縮機氣閥故障模擬實驗提供參考。

(2)通過分析氣閥振動信號時域波形和頻譜，可知：往復壓縮機氣閥出現不同故障時，其振動信號的時域波形和頻譜的能量分布存在一定差別。但這種診斷方法只適用于對氣閥故障狀態進行初步診斷，如需提高診斷結果準確性，還需引入其他的診斷方法。