動(dòng)力學(xué)參數(shù)在直線壓縮機(jī)故障診斷中的應(yīng)用

唐明生，鄒慧明，王 敏,2，吳永恒，袁慶慶，田長青,2

（1.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所中國科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100190；3.黃石東貝電器股份有限公司，湖北黃石435000）

1 引言

直線壓縮機(jī)采用直線振蕩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)做功，相比于傳統(tǒng)往復(fù)活塞壓縮機(jī)，直線壓縮機(jī)省掉了曲柄連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行效率高及變?nèi)萘糠绞届`活等特點(diǎn)，成為小型制冷裝置壓縮機(jī)技術(shù)的重要發(fā)展方向[1]。目前直線壓縮機(jī)已經(jīng)在低溫領(lǐng)域得到應(yīng)用，如作為脈沖管制冷機(jī)的壓力波發(fā)生器[2-3]。在民用領(lǐng)域也受到越來越多的關(guān)注，其應(yīng)用包括冰箱[4-7]、車載小型冷藏箱[8]、家用空調(diào)[9-10]及電子冷卻[11-12]等。

由于直線壓縮機(jī)的自由活塞式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示，為保證較高的容積效率，需要將壓縮機(jī)行程控制在上止點(diǎn)位置。由于壓縮機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)對運(yùn)行環(huán)境參數(shù)變化敏感，環(huán)境參數(shù)的改變將導(dǎo)致壓縮機(jī)頻率特性變化，輕則使壓縮機(jī)運(yùn)行效率降低，重則可能導(dǎo)致壓縮機(jī)活塞撞擊排氣閥片，盡管采用了菌狀閥的排氣結(jié)構(gòu)，活塞輕微撞擊排氣閥片的故障行為具有一定的可恢復(fù)性，但如果不及時(shí)對壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電參數(shù)進(jìn)行調(diào)整造成頻繁撞擊閥片將導(dǎo)致壓縮機(jī)損壞?，F(xiàn)有的研究表明壓縮機(jī)固有頻率直接影響壓縮機(jī)運(yùn)行效率[13]，但是固有頻率隨壓縮機(jī)運(yùn)行工況變化而變化。對應(yīng)于因運(yùn)行工況改變帶來的壓縮機(jī)效率降低及撞擊排氣閥片等可恢復(fù)性的故障行為可歸結(jié)為暫時(shí)性故障。

為避免壓縮機(jī)撞缸發(fā)生，在直線壓縮機(jī)行程控制方面，首爾大學(xué)的Gyu-Sik Kim等[14]將直線電機(jī)電磁力系數(shù)和等效電感擬合成電流和位移的經(jīng)驗(yàn)公式，以此提高計(jì)算位移的精度。國內(nèi)的張金權(quán)[15]，崔麗娜[16]等采用直線壓縮機(jī)位移自傳感器技術(shù)，對冰箱用直線壓縮機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。論文作者則通過對壓縮機(jī)活塞從啟動(dòng)運(yùn)行到開始排氣，再到超過壓縮機(jī)上止點(diǎn)位置全工作過程進(jìn)行了研究，并分析了上止點(diǎn)位置的特征[17]，同時(shí)論文作者對直線壓縮機(jī)動(dòng)力學(xué)參數(shù)測量方法進(jìn)行了研究[18]。

對于直線壓縮機(jī)中其他典型故障，如排氣閥密封失效、諧振彈簧失效等均會導(dǎo)致壓縮機(jī)效率嚴(yán)重降低，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p壞而無法修復(fù)。因動(dòng)力學(xué)參數(shù)能直接反映壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，因此本文針對直線壓縮機(jī)典型故障情形，研究了直線壓縮機(jī)故障運(yùn)行狀態(tài)變化過程中對應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)的變化規(guī)律，期望明確典型故障與動(dòng)力學(xué)參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，為建立直線壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測及其故障診斷方法提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

2 直線壓縮機(jī)數(shù)學(xué)模型

2.1 樣機(jī)結(jié)構(gòu)形式

圖1是動(dòng)磁式直線壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，其主要由氣缸、活塞、吸氣閥、排氣閥、諧振彈簧、直線電機(jī)（動(dòng)子、內(nèi)定子、外定子、線圈）等組成。當(dāng)對直線電機(jī)勵(lì)磁線圈通以交變電流時(shí)，在內(nèi)外定子間隙產(chǎn)生交變磁場，交變磁場與動(dòng)子永磁體產(chǎn)生的恒定磁場相互作用，產(chǎn)生電磁力，驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)動(dòng)子往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2.2 動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算數(shù)學(xué)模型

直線壓縮機(jī)理論模型可以分為兩部分：電磁學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型，圖2所示為直線電機(jī)等效電路模型和動(dòng)力學(xué)模型。

直線壓縮機(jī)中氣體力由于受活塞運(yùn)動(dòng)和吸排氣壓力差的影響，而呈現(xiàn)非線性和時(shí)變的特點(diǎn)，因此，常將非線性氣體力用等效彈力和等效阻尼進(jìn)行線性化表示，從而得到的直線壓縮機(jī)數(shù)學(xué)模型[17]如下所示

式中u——輸入電壓，V

i——輸入電流，A

Re——等效電阻，Ω

Le——等效電感，H

K0——電磁力系數(shù)，N/A

m——等效質(zhì)量，kg

x——活塞位移，mm

圖1 直線壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 直線壓縮機(jī)理論模型

t——運(yùn)行時(shí)間，s

cf——摩擦阻尼系數(shù)，N·s/m

cg——?dú)怏w等效阻尼系數(shù)，N·s/m

ks——諧振彈簧剛度，N/m

kg——?dú)怏w等效剛度，N/m

相應(yīng)地通過對壓縮機(jī)電壓、電流及二者之間的相位角的檢測，可得到直線壓縮機(jī)主要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)計(jì)算公式[18]。

直線壓縮機(jī)活塞振動(dòng)幅值

系統(tǒng)等效剛度

式中ω——輸入功率角頻率，rad/s

Im——輸入電流幅值，A

Um——輸入電壓幅值，V

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

圖3所示為直線壓縮機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖。主要由直線壓縮機(jī)、穩(wěn)壓電源、位移傳感器、壓縮機(jī)制冷性能實(shí)驗(yàn)臺及LabVIEW測控軟件構(gòu)成。通過LabVIEW采集到PWM控制器輸出的供電參數(shù)，根據(jù)動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算方法計(jì)算直線壓縮機(jī)特征參數(shù)并實(shí)時(shí)顯示；然后根據(jù)計(jì)算得到的特征參數(shù)調(diào)節(jié)控制器輸出電壓和頻率，控制壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。PWM控制器接收LabVIEW程序發(fā)送的控制信號，通過脈寬調(diào)制技術(shù)輸出電壓至直線壓縮機(jī)，同時(shí)將輸出的供電參數(shù)傳輸至LabVIEW程序。實(shí)驗(yàn)中為測試活塞位移等運(yùn)行情況，在直線壓縮機(jī)機(jī)殼上端面和側(cè)面布置了可視化窗口，并在外部設(shè)置激光位移傳感器，測量活塞位移。通過將活塞行程測量值與實(shí)驗(yàn)測試值進(jìn)行比較，從而對動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算方法法進(jìn)行校正。在直線壓縮機(jī)電路安裝電壓及電流傳感器，測量波形數(shù)據(jù)由NI采集卡PCI6221進(jìn)行讀取和保存。

實(shí)驗(yàn)測試了直線壓縮機(jī)排氣閥片破裂及諧振彈簧斷裂兩種故障情形下，直線壓縮機(jī)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化特征。通過預(yù)先在排氣閥片及相應(yīng)的諧振彈簧處人為制造一定裂痕，加速模擬壓縮機(jī)故障情形的出現(xiàn)。

圖3 直線壓縮機(jī)動(dòng)力學(xué)參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

圖4 實(shí)驗(yàn)排氣閥片損壞情況

4 結(jié)果分析

4.1 排氣閥片破裂動(dòng)態(tài)特性

圖4所示為實(shí)驗(yàn)過程中排氣閥片嚴(yán)重?fù)p壞的圖片。圖5顯示了壓縮機(jī)運(yùn)行過程電壓及行程變化，在壓縮機(jī)達(dá)到確定工況吸排氣壓力所需的行程后，不再對電壓進(jìn)行調(diào)整，壓縮機(jī)位移基本保持穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)排氣閥破裂導(dǎo)致泄漏瞬間，排氣壓力致使活塞向遠(yuǎn)離上止點(diǎn)的方向偏離，同時(shí)活塞行程突然增大。由于控制系統(tǒng)具有行程限制功能，當(dāng)行程超過保護(hù)值后控制器產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作，控制器迅速下調(diào)供電電壓，使得活塞行程也大幅減小。當(dāng)控制系統(tǒng)再次通過增加電壓來提高壓縮機(jī)活塞行程時(shí)，供電電壓與行程響應(yīng)之間的關(guān)系發(fā)生了變化，同樣電壓下，排氣閥破裂后，活塞行程更大。圖6顯示了壓縮機(jī)運(yùn)行過程電流及功率變化，可以看到在排氣閥破裂時(shí)功率和電流均出現(xiàn)較大地增加。圖7顯示系統(tǒng)等效彈簧剛度和等效阻尼的變化，壓縮機(jī)穩(wěn)定階段，等效剛度及等效阻尼保持不變，排氣閥破裂后，等效剛度及阻尼均大幅降低。

圖5 壓縮機(jī)運(yùn)行過程電壓及行程變化

圖6 壓縮機(jī)運(yùn)行過程電流及功率變化

圖7 系統(tǒng)等效彈簧剛度和等效阻尼的變化

4.2 諧振彈簧斷裂的動(dòng)態(tài)特性

圖8所示為直線壓縮機(jī)諧振彈簧斷裂后位移波形曲線及LabVIEW計(jì)算得到的活塞位移。從圖中可以看到，雖然活塞位移隨著電壓的增加而增加，但壓縮機(jī)諧振彈簧組中一個(gè)彈簧斷裂后，由于活塞受力不均，測試得到的活塞位移曲線出現(xiàn)紊亂，存在不穩(wěn)定波動(dòng)，導(dǎo)致電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢出現(xiàn)波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致采用無位移傳感算法計(jì)算得到的位移值出現(xiàn)較大波動(dòng)，并且使得計(jì)算值與實(shí)測值出現(xiàn)較大偏差。系統(tǒng)剛度和阻尼在故障狀態(tài)與正常狀態(tài)運(yùn)行的對比如圖9所示。實(shí)驗(yàn)用壓縮機(jī)采用8根彈簧的彈簧組，實(shí)驗(yàn)中模擬其中1根彈簧斷裂。從測試結(jié)果可以看到，故障狀態(tài)與正常運(yùn)行狀態(tài)相比，系統(tǒng)等效剛度最大值基本相同，且也表現(xiàn)為下降趨勢；系統(tǒng)等效阻尼正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)阻尼隨電壓增加先減少，行程增大到一定后（達(dá)到吸排氣壓力）基本保持不變。但在故障運(yùn)行時(shí)明顯偏大，由于彈簧的斷裂，導(dǎo)致氣缸活塞之間側(cè)向力增加，使得摩擦阻尼增大，且隨著電壓的增加后（行程增大），故障時(shí)系統(tǒng)等效阻尼會繼續(xù)增加。

圖8 諧振彈簧脫落后計(jì)算位移與實(shí)測位移曲線

圖9 等效剛度及等效阻尼對比

5 結(jié)論

本文介紹了直線壓縮機(jī)動(dòng)力學(xué)參數(shù)測試方法，通過實(shí)驗(yàn)研究了直線壓縮機(jī)排氣閥片破裂及諧振彈簧斷裂2種故障情形下，直線壓縮機(jī)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化特征。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得出了以下結(jié)論：

（1）當(dāng)排氣閥破裂導(dǎo)致泄漏瞬間，活塞所受氣體壓力突然增加，致使活塞向遠(yuǎn)離上止點(diǎn)的方向偏離，壓縮機(jī)行程突然增大，同時(shí)排氣閥破裂后，相比正常運(yùn)行時(shí)，等效剛度及阻尼均大幅降低。

（2） 彈簧斷裂脫落后，活塞因受力不均，隨著電壓的增加，活塞振動(dòng)出現(xiàn)紊亂，存在不穩(wěn)定波動(dòng)，導(dǎo)致電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢出現(xiàn)波動(dòng)，計(jì)算得到的位移值出現(xiàn)較大波動(dòng)。故障情形下，系統(tǒng)等效阻尼較正常運(yùn)行時(shí)明顯偏大。

（3） 通過動(dòng)力學(xué)參數(shù)（等效剛度、等效阻尼等）的實(shí)時(shí)在線測量，可以作為監(jiān)控與判別直線壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的特征參數(shù)。