離心壓縮機振動故障分析與處理

魯悅　劉悅

【摘 要】本文主要針對離心壓縮機的故障類型、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的離心壓縮機故障診斷、基于小波分析的離心壓縮機故障診斷以及案例分析（二氧化碳離心壓縮機的振動分析與故障分析）進(jìn)行簡要分析，僅供參考。

【關(guān)鍵詞】離心壓縮機；振動故障；處理

一、離心壓縮機的故障類型

離心壓縮機的故障類型比較多，其中90%屬于振動問題，著重分析離心壓縮機在工業(yè)生產(chǎn)中的振動問題。振動故障是由不同的原因造成的，規(guī)劃離心壓縮機振動故障的類型，如：

1、轉(zhuǎn)子偏移，臨界轉(zhuǎn)子之間的中心線，沒有在規(guī)定的位置上，明顯傾斜，此時離心壓縮機會長周期的振動，解決轉(zhuǎn)子偏移時，要排除外力的干擾，實行熱態(tài)處理。

2、轉(zhuǎn)子彎曲，轉(zhuǎn)子軸未處于中心線處，如果是由轉(zhuǎn)子彎曲引發(fā)的離心壓縮機振動，則需要采用對應(yīng)的修復(fù)措施。

3、轉(zhuǎn)子不平衡，當(dāng)離心壓縮機的轉(zhuǎn)子軸心線外側(cè)，呈現(xiàn)不平衡質(zhì)量時，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)周期性運轉(zhuǎn)偏離，離心壓縮機在轉(zhuǎn)子偏離的帶動下，表現(xiàn)出振動故障，此類故障需要檢查轉(zhuǎn)子是否出現(xiàn)質(zhì)量問題，重新平衡轉(zhuǎn)子。

4、軸承間隙過大、油質(zhì)變差、油溫過高、聯(lián)軸器不對中等常見故障，也均會表現(xiàn)出振動故障，此類故障需要做出相應(yīng)的維修保養(yǎng)來解決。

二、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的離心壓縮機故障診斷

離心壓縮機的故障與引發(fā)原因之間，存有非線性的關(guān)系，所以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷的方法，在根本上分析離心壓縮機的運行，通過離心壓縮機自身的組織變化，診斷其在工業(yè)生產(chǎn)中的故障。起初離心壓縮機的故障診斷，采用了譜圖的方式，但是譜圖診斷缺乏故障信號，無法準(zhǔn)確判斷故障類型，因此工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到離心壓縮機故障診斷中。

SOM根據(jù)離心壓縮機的運行，構(gòu)成了分析與競爭同時存在的診斷系統(tǒng)，當(dāng)離心壓縮機出現(xiàn)運行故障時，SOM會主動判斷故障的屬性，由于屬性之間的神經(jīng)元具有權(quán)值連接，所以神經(jīng)元存在控制作用。SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為診斷離心壓縮機的故障，創(chuàng)建輸入層，通過輸入層判斷離心壓縮機對外界因素的反應(yīng)。離心壓縮機潛在的故障對SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在干預(yù)性，影響原本設(shè)定的參數(shù)，導(dǎo)致參數(shù)部分出現(xiàn)明顯的異同，而SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將故障信息作為判別條件，輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)，便于快速診斷出離心壓縮機的故障。

三、基于小波分析的離心壓縮機故障診斷

小波分析是除神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以外，離心壓縮機故障診斷的另外一種方式，同樣具備準(zhǔn)確診斷的能力。小波分析在離心壓縮機故障診斷中的原理是利用小波變換的過程，處理離心壓縮機的故障信號，其在故障診斷方面有一個明顯的優(yōu)勢，即：實現(xiàn)局部診斷，縮小故障識別的范圍，提高故障檢修的準(zhǔn)確度。分析小波分析在離心壓縮機故障診斷中的應(yīng)用，如下：

1、小波分析的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。小波分析在離心壓縮機故障診斷中同樣可以形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，描述壓縮機的基本特性。小波分析獲取離心壓縮機潛在的故障信息后，會調(diào)節(jié)參數(shù)，與預(yù)先設(shè)定的相吻合，待參數(shù)調(diào)節(jié)完成后，小波分析逐步降低輸入值，層次性分解離心壓縮機傳遞出的故障信號，準(zhǔn)確判斷離心壓縮機的故障。例如：離心壓縮機表現(xiàn)出故障特征后，小波分析會將故障信息傳達(dá)出的參數(shù)劃分成三個層次，完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，第一層是輸入層，主要是小波變換后，在離心壓縮機內(nèi)獲取的故障參數(shù)，具有明顯的特征向量；第二層是輸出層，用于形成故障診斷的模型，體現(xiàn)小波分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分析作用；第三層是隱含層，此部分的神經(jīng)元數(shù)目比較多，構(gòu)成了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在小波分析故障診斷中發(fā)揮評估與評價的作用，明確診斷出離心壓縮機的故障。

2、小波分析的診斷算法。小波分析在離心故障中的診斷算法，用來比對預(yù)設(shè)與實際數(shù)據(jù)，同時將兩者的誤差作為目標(biāo)函數(shù)的根本，適當(dāng)調(diào)整診斷結(jié)果，促使其滿足小波分析的調(diào)整條件，以此來診斷出故障結(jié)果。小波分析的診斷算法可以分為兩個部分，分析如：前向計算，按照小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算起點，逐層推進(jìn)計算，此算法流程中，必須確定前一層的數(shù)據(jù)信息后，才能進(jìn)行后一層的輸出，保障數(shù)據(jù)傳播階段的準(zhǔn)確性，避免遺漏離心壓縮機的故障信息，前向計算在小波分析的診斷算法中，屬于前向傳播，具備準(zhǔn)確計算的優(yōu)勢，規(guī)避故障診斷算法中不確定的影響因素；權(quán)值調(diào)整，此流程部分需要以輸出層為起點，根據(jù)小波分析之間的計算層次，依次執(zhí)行權(quán)值計算，在此基礎(chǔ)上，調(diào)整權(quán)值的數(shù)據(jù)，其與前向計算存在明顯的不同，小波分析將此部分診斷算法定義為反向傳播，用于規(guī)避計算中的誤差。

四、案例分析（二氧化碳離心壓縮機的振動分析與故障分析）

1、離心壓縮機轉(zhuǎn)子的模態(tài)分析

1.1三維實體建模

共振是離心壓縮機多見的惡性故障類型，因而首要確診離心壓縮機是不是有共振的可能。模態(tài)剖析是構(gòu)造動態(tài)設(shè)計和故障確診的重要辦法。通過模態(tài)剖析可斷定構(gòu)造在某頻率范圍內(nèi)各階首要固有特性，由此可猜測該構(gòu)造在各種振源效果下的振蕩呼應(yīng)。

有限元剖析是廣為使用的一種現(xiàn)代數(shù)值剖析辦法，其中心思維是將實踐工程構(gòu)造離散為有限數(shù)目的規(guī)矩單元組合體，可用其剖析機械構(gòu)造的振蕩特性。選用有限元辦法對離心壓縮機的轉(zhuǎn)子進(jìn)行模態(tài)剖析，首要判斷該機組的振蕩呼應(yīng)。

軟件ANSYS中進(jìn)行分析，選用Solid92單元模擬轉(zhuǎn)子。針對離心機組的材質(zhì)確定模型的密度為7800kg/m3，泊松比為0.25，彈性模量為200GPa，采用均勻網(wǎng)格劃分，使結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的元素不致相差太大，以減小數(shù)值計算誤差。所采用的單元長度為0.01m，三維實體模型的有限元劃分網(wǎng)格，如圖2所示。

1.2仿真結(jié)果。應(yīng)用ANSYS軟件對離心壓縮機的轉(zhuǎn)子進(jìn)行模態(tài)分析，求出離心壓縮機轉(zhuǎn)子的前六階振型圖，如圖3所示。

從圖3的第一、二、三階振型圖可以看出，轉(zhuǎn)子在葉輪的邊緣和輪蓋處產(chǎn)生的變形較嚴(yán)重，轉(zhuǎn)子兩端振動較小。第四階、第五階振型中轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了扭曲變形，轉(zhuǎn)子的葉輪產(chǎn)生左右方向的擺動，此時轉(zhuǎn)子的破壞最嚴(yán)重，但轉(zhuǎn)子兩端振動不明顯。第六階振型在底端的振動比較明顯。從圖3中可以看出MCL1004轉(zhuǎn)子本身存在較大變形隱患，當(dāng)達(dá)到14000r/min的高速高頻運轉(zhuǎn)時，振動響應(yīng)特性造成故障的可能較大。

如果離心壓縮機實踐的作業(yè)頻率與其自振頻率接近，將會發(fā)生很大的振蕩，從而使壓縮機轉(zhuǎn)子嚴(yán)重變形。為了確保壓縮機安全作業(yè)，壓縮機的設(shè)計轉(zhuǎn)速要避開轉(zhuǎn)子的固有頻率，使其遠(yuǎn)離共振區(qū)，不然就會有共振的風(fēng)險。經(jīng)過有限元核算后得到離心壓縮機轉(zhuǎn)子的六階固有頻率，如表1所示，離心壓縮機組不存在共振故障的也許，因而將經(jīng)過在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)一步斷定故障類型。

2、振動測試與故障診斷

2.1在線監(jiān)測試結(jié)果。緊縮機組盡管一向進(jìn)行在線監(jiān)測，機組構(gòu)造和測點布置，如圖4所示。但從監(jiān)測體系中調(diào)出的趨勢波形、頻譜、軸心軌道等大量的振蕩數(shù)據(jù)中很難找到有用的故障信息。因而首先對振蕩數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中首要呈現(xiàn)振蕩反常的測點別離為測點13、14、15、16。然后，對比故障呈現(xiàn)前后的振蕩狀況，提取了故障發(fā)生前10月1日和故障發(fā)生后10月20日時上述測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)。測點14的頻譜圖別離如圖5、圖6所示。測點16的頻譜圖別離如圖7、圖8所示。

測點13、14的軸心軌跡分別如圖9、圖10所示。測點15、16的時序圖與軸心軌跡圖如圖11、圖12所示。

2.2振動分析

由圖5～圖8可以看出，從10月1號和10月20號的頻譜分析（測點14和測點16）來看，二倍頻分量變化不明顯，振動爬升的主要成分表現(xiàn)為工頻分量。由此可排除由于對中不良引起的故障類型。另外，離心式壓縮機的轉(zhuǎn)子自由端未連接聯(lián)軸器，但實測時該測點的振動值很大，因此可以排除不對中故障。

從測點13、14以及測點15、16測點振動爬升前后的時域圖和軸心軌跡來看，信號中存在大量的高倍頻分量，高壓缸前后軸承處軸心軌跡紊亂且含有大量尖點、軌跡重復(fù)性較差，這表明轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，可能具有碰磨故障特征。但由于振動爬升前后高倍頻分量基本沒有變化且幅度不大，振動爬升后碰磨現(xiàn)象并未加劇，說明碰磨故障并非產(chǎn)生振動劇烈的主因。

由于主要振動分量是由于基頻分量急速增大所引起的，而且工頻分量的相位在此過程中出現(xiàn)了偏移，表明機組的平衡狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生了變化。由圖6和圖8可以看出在轉(zhuǎn)子徑向的頻譜圖上，轉(zhuǎn)速頻率成分具有明顯峰值。當(dāng)轉(zhuǎn)動頻率小于固有頻率時，振幅隨轉(zhuǎn)動頻率的增加而增加；當(dāng)轉(zhuǎn)動頻率大于固有頻率后，轉(zhuǎn)動頻率增加時振幅趨于一個較小的穩(wěn)定值；當(dāng)轉(zhuǎn)動頻率接近于固有頻率時，振幅具有最大峰值。而且頻譜圖中，諧波能量集中于基頻，同時轉(zhuǎn)子的軸心軌跡近似為橢圓，如圖10、圖12所示。以上特征都是轉(zhuǎn)子不平衡的特征。因此，可以判定造成高壓缸振動劇烈的主要原因是轉(zhuǎn)子平衡被破壞造成的。

結(jié)束語

分析離心壓縮機的故障時可以得出，其在工業(yè)運行中具有多樣化的表現(xiàn)，增加了故障診斷的壓力。離心壓縮機的故障診斷，基本采用的是科技含量比較高的診斷技術(shù)，通過準(zhǔn)確的診斷，識別離心壓縮機中的故障，控制其在工業(yè)生產(chǎn)中的運行狀態(tài)，發(fā)揮離心壓縮機的工作優(yōu)勢，進(jìn)而優(yōu)化離心壓縮機工業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境，提高效益能力。

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