基于EMD方法對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)激勵(lì)源定位

張趙寧， 遲毅林， 伍 星， 柳小勤， 劉 暢

（昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明650093）

0 引 言

往復(fù)式壓縮機(jī)是生產(chǎn)企業(yè)中廣泛使用的動(dòng)力設(shè)備，應(yīng)用于冶金、礦山、化工、船舶、機(jī)械制造等行業(yè)，尤其是在化工生產(chǎn)上的應(yīng)用更加普遍. 往復(fù)式壓縮機(jī)的故障診斷中使用較多的是振動(dòng)法，由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)部件多、工作時(shí)振動(dòng)激勵(lì)源較多，發(fā)生的故障也多種多樣，發(fā)生故障時(shí)，振動(dòng)信號(hào)表現(xiàn)出非平穩(wěn)、非線性特征，利用傳統(tǒng)的時(shí)域或頻域方法很難從此類(lèi)振動(dòng)信號(hào)中提取故障信息，診斷難度較大[1-3].

往復(fù)式壓縮機(jī)機(jī)體的主要受到機(jī)械力和氣體力的作用，其中機(jī)械力主要表現(xiàn)為曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力和活塞組件往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的往復(fù)慣性力，這兩種慣性力最終將通過(guò)曲軸與機(jī)體連接的軸承座傳遞到機(jī)體上. 氣體力主要表現(xiàn)為氣缸缸內(nèi)的壓力，這部分的壓力將通過(guò)汽缸內(nèi)壁最終傳遞到機(jī)體上. 所以在往復(fù)式壓縮機(jī)機(jī)體的振動(dòng)，最終是由機(jī)械力和氣體力這兩種激勵(lì)聯(lián)合起來(lái)產(chǎn)生的振動(dòng)[4]. 其中機(jī)械力這一部分產(chǎn)生的故障，稱(chēng)之為動(dòng)力性能故障；氣體力引起的故障，稱(chēng)之為熱力性能故障. 對(duì)這兩種激勵(lì)聯(lián)合產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)，利用傳統(tǒng)的信號(hào)和處理算法，難以準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行特征分析，因而如果產(chǎn)生了故障，難以準(zhǔn)確地判斷故障屬于哪一類(lèi)型[5-6]. 由于壓縮機(jī)的機(jī)械力的振動(dòng)是通過(guò)一個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)傳遞的到壓縮機(jī)機(jī)體上的，整個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)是剛性地連結(jié)在一起的. 因此，先對(duì)壓縮機(jī)機(jī)體的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行EMD 分解，得到信號(hào)在不同頻率段內(nèi)的IMF 分量. 然后在對(duì)分解后的各IMF 分量做頻域分析， 并對(duì)壓縮機(jī)十字頭上采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，從而分離出壓縮機(jī)機(jī)械力振動(dòng)引起的振動(dòng)分量.

1 EMD 分解

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法（EMD 分解）是黃鍔教授等人提出的，用于處理非平穩(wěn)、非線性信號(hào)數(shù)據(jù)的一種方法. 相較于以前的一些方法，該方法具有直觀、直接、自適應(yīng)性等特點(diǎn)，分解方法是直接基于數(shù)據(jù)本身得出的[7]. 分解是根據(jù)簡(jiǎn)單的假設(shè)，即任何數(shù)據(jù)由不同的簡(jiǎn)單振蕩固有模式疊加而成. 每一個(gè)固有模式都代表了一種有著相同數(shù)目極點(diǎn)和零點(diǎn)的簡(jiǎn)單的振蕩. 在任何特定時(shí)間內(nèi)， 數(shù)據(jù)可能有許多不同的振蕩模式并存，因?yàn)橐粋€(gè)振蕩在另一個(gè)振蕩上疊加，最后的結(jié)果還是復(fù)雜的數(shù)據(jù). 這些振蕩模式，每個(gè)代表一個(gè)固有模態(tài)函數(shù)（IMF）有如下定義：①在整個(gè)數(shù)據(jù)集中，極值點(diǎn)的數(shù)目與零點(diǎn)值的數(shù)目必須相等或最多相差一個(gè)；②在任意瞬時(shí)，由局部最大值和局部最小值確定的包絡(luò)的均值為零[8-9].

任何信號(hào)都可分解成有限個(gè)IMF 分量之和，各個(gè)IMF 分量突出信號(hào)的各個(gè)局部特征， 對(duì)其進(jìn)行分析可以更準(zhǔn)確把握原信號(hào)的特征信息. EMD分解方法的本質(zhì)是通過(guò)特征時(shí)間尺度獲得固有振動(dòng)模式， 然后由固有振動(dòng)模式來(lái)分解時(shí)間序列數(shù)據(jù). 運(yùn)用EMD 方法分解信號(hào)的步驟如下：

（1）確定信號(hào)x（t）的所有局部極大值點(diǎn)和局部極小值點(diǎn)，采用三次樣條線將所有的局部極大值和局部極小值連接起來(lái)形成上下包絡(luò)線，將上下包絡(luò)線的均值記為m1，原始信號(hào)減去m1可得到一個(gè)新的數(shù)據(jù)序列h1. 即：

（2）如果h1滿足IMF 分量的兩個(gè)定義，則h1為第一個(gè)IMF 分量，記為c1；如果不滿足，則重復(fù)步驟（1），得到上下包絡(luò)線的均值m11，并繼續(xù)判斷h11=h1-m11是否滿足IMF 分量的兩個(gè)定義. 若不滿足，則繼續(xù)重復(fù)循環(huán)步驟（1），直至第k 次循環(huán)的h1k滿足IMF 的兩個(gè)條件時(shí)， 將h1k記為c1的第一個(gè)IMF 分量.

（3）將第一個(gè)IMF 分量c1從原始信號(hào)想x（t）中分離出來(lái)，得到：

并將r1作為新的信號(hào)，用步驟（1）、（2）進(jìn)行分解， 得到c2. 這樣重復(fù)n 次循環(huán)， 直到最后得到rn為單調(diào)函數(shù)時(shí)停止. 所以有：

其中：ci表示第i 個(gè)IMF 分量，rn為分解的剩余分量.

分量c1，c2，…，cn分別包含了信號(hào)從高到低不同頻率段的成分，而且不是等帶寬的[10].

2 壓縮機(jī)振動(dòng)信號(hào)的EMD 分析

對(duì)某壓縮機(jī)廠所使用DW-47/1-2.2 型氫氣循環(huán)壓縮機(jī)的機(jī)體進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)提取. 將加速度傳感器安裝在壓縮機(jī)氣缸的端蓋上， 采樣頻率為25.6 kHz， 采樣點(diǎn)數(shù)為25 600. 圖1 是往復(fù)式壓縮機(jī)氣缸的振動(dòng)信號(hào). 由圖1 可知，在往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生周期性的較為規(guī)律的沖擊. 這是由于往復(fù)式壓縮機(jī)的機(jī)構(gòu)特性產(chǎn)生的，是不可避免的沖擊. 對(duì)該原始信號(hào)進(jìn)行頻域分析（如圖2）.

圖1 氣缸振動(dòng)信號(hào)

圖2 氣缸振動(dòng)信號(hào)的幅值譜

從信號(hào)的幅值譜中可以看到，該段信號(hào)有三個(gè)比較明顯的峰值頻率：f1=225 Hz、 f2=541 Hz、 f3=783 Hz . 但由于往復(fù)式壓縮機(jī)機(jī)體上的振動(dòng)信號(hào)的振源只有兩個(gè)：一種是曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力與活塞組件往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的往復(fù)慣性力的合力，另一種是氣缸缸內(nèi)的壓力產(chǎn)生的氣體力[11-12].那么上述的三個(gè)峰值頻率中，只有兩個(gè)峰值頻率是機(jī)械力和氣體力振動(dòng)的頻率， 剩下的一個(gè)峰值頻率，推測(cè)其為其他噪聲的干擾頻率.

對(duì)壓縮機(jī)氣缸的振動(dòng)的原始信號(hào)進(jìn)行EMD 分解， 能得到一共14 階的IMF 分量. 圖3 從上到下依次為截取的氣缸振動(dòng)信號(hào)的前八階固有模態(tài)函數(shù)c1～c8. 由圖3 可知，1～6 階的IMF 分量都趨于一個(gè)簡(jiǎn)單振蕩信號(hào). 7、8 階的IMF 分量趨于正弦衰減. 對(duì)于趨于正弦衰減固有模態(tài)函數(shù)，由于其無(wú)明顯的振蕩峰值，故不做研究. 因此，對(duì)第8 階以后IMF 分量做進(jìn)一步的研究意義不大. 故選擇對(duì)前8階的IMF 分量做進(jìn)一步的分析， 找出其中有用的IMF 分量.

圖3 氣缸振動(dòng)信號(hào)的EMD 分解結(jié)果

對(duì)經(jīng)過(guò)EMD 分解后的前8 階IMF 分量進(jìn)行幅值譜的分析， 從圖4 可以看出，c4這個(gè)IMF 分量有一個(gè)783 Hz 的峰值頻率. 在c5、c6這兩個(gè)IMF 分量上， 都能找到225 Hz 這一峰值頻率. 而f2=541 Hz這一峰值頻率，并未出現(xiàn)在IMF 分量里面，即說(shuō)明前面的推測(cè)正確，f2=541 Hz 為噪聲的干擾頻率.

圖4 EMD 分解結(jié)果的幅值譜

對(duì)壓縮機(jī)十字頭的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，如圖5、 圖6 所示. 我們可以看到有一個(gè)明顯峰值頻率f=783 Hz. 這一峰值頻率與圖4 中c4這個(gè)IMF分量的峰值頻率相對(duì)應(yīng). 由此我可以推測(cè)， 具有783 Hz 這一峰值頻率的IMF 分量是機(jī)械力所產(chǎn)生的振動(dòng)分量，其反應(yīng)的故障就是動(dòng)力學(xué)故障；那么另外兩組，具有225 Hz 這個(gè)峰值頻率的IMF 分量就可能是氣體力所產(chǎn)生的振動(dòng)分量，其反應(yīng)的故障就是熱力學(xué)故障. 由于實(shí)驗(yàn)條件有限，對(duì)于氣體力的振動(dòng)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)階段還沒(méi)法完成，需要后續(xù)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步論證.

圖5 十字頭振動(dòng)信號(hào)

圖6 十字頭振動(dòng)信號(hào)的幅值譜

本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步論證EMD 分解方法具有將一個(gè)復(fù)雜的非線性非平穩(wěn)的信號(hào)根據(jù)其自適應(yīng)的特點(diǎn)分解為不同品頻段上的IMF 分量的特點(diǎn). 根據(jù)往復(fù)式壓縮機(jī)兩種激勵(lì)源的頻率分布的差異，將氣缸振動(dòng)的混合信號(hào)通過(guò)EMD 方法分解成為不同頻段上的IMF 分量，進(jìn)而通過(guò)監(jiān)測(cè)不同IMF 分量，來(lái)確定往復(fù)式壓縮機(jī)的不同故障來(lái)源.

3 結(jié)束語(yǔ)

與旋轉(zhuǎn)機(jī)械相比，往復(fù)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，激勵(lì)源多，振動(dòng)信號(hào)包含著太多的非平穩(wěn)性和非線性的成分，因而針對(duì)往復(fù)機(jī)械的精確診斷的實(shí)現(xiàn)要困難得多. 文中從往復(fù)式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)特性， 分析出氣缸振動(dòng)信號(hào)的激勵(lì)源來(lái)自?xún)刹糠郑?即機(jī)械力和氣體壓力兩部分. 由于EMD 分解方法是根據(jù)被分析信號(hào)本身的特點(diǎn)，自適應(yīng)地將信號(hào)分解為不同頻段上的IMF 分量之和， 從而降低了信號(hào)的非平穩(wěn)性、非線性的特性[13-14].

所以根據(jù)氣缸振動(dòng)信號(hào)的兩個(gè)振動(dòng)來(lái)源頻率的高低不同，先通過(guò)EMD 分解的方式，將氣缸的振動(dòng)信號(hào)分解成若干個(gè)IMF 分量的形式. 再對(duì)每個(gè)IMF 分量進(jìn)行頻域分析， 找出其中比較敏感的幾個(gè)IMF 分量， 與測(cè)得的機(jī)械力的振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖做對(duì)比，找出屬于機(jī)械力激勵(lì)的那一部分的IMF 分量.然后通過(guò)最初氣缸振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖的分析，進(jìn)而推斷出屬于氣體力激勵(lì)的那一部分IMF 分量. 從而為以后壓縮機(jī)故障診斷提供一個(gè)理論上的依據(jù)：對(duì)測(cè)得氣缸振動(dòng)信號(hào)做EMD 分解， 通過(guò)監(jiān)測(cè)不同的IMF 分量，獲取往復(fù)式壓縮機(jī)不同的故障信息.

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