兩級(jí)壓縮螺桿空壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)測(cè)試分析

丁小川 倪佳

摘 ?要：本次測(cè)試采集兩款兩級(jí)壓縮螺桿空壓機(jī)的振動(dòng)信號(hào)，利用合適的信號(hào)處理及故障診斷方法對(duì)比分析兩臺(tái)設(shè)備的振動(dòng)情況，空壓機(jī)的型號(hào)分別是A15和C75，本次測(cè)試的主要目的在于對(duì)比分析A15和C75產(chǎn)品的振動(dòng)，重點(diǎn)研究?jī)膳_(tái)設(shè)備在運(yùn)行加卸載工況運(yùn)行性能，為后期產(chǎn)品的減振降噪設(shè)計(jì)提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：低壓級(jí);高壓級(jí);傳感器;振動(dòng)信號(hào)

1測(cè)試數(shù)據(jù)分析

1.1高低壓級(jí)各測(cè)點(diǎn)豎直方向振動(dòng)分析

首先分析兩臺(tái)設(shè)備高低壓級(jí)四個(gè)測(cè)點(diǎn)豎直方向的振動(dòng)情況。均方根值能較為客觀地反映振動(dòng)信號(hào)在時(shí)域上的能量分布情況，因此首先對(duì)采集到的原始信號(hào)提取均方根值。由于采集到的數(shù)據(jù)量較大，本報(bào)告中利用箱型圖對(duì)四種狀態(tài)下的均方根值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。圖1是兩臺(tái)設(shè)備低壓級(jí)四個(gè)測(cè)點(diǎn)豎直方向振動(dòng)信號(hào)的均方根值與工況之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

對(duì)于圖1，我們主要觀察幾個(gè)方面：

第一，各測(cè)點(diǎn)均方根值在不同工況下的數(shù)值大小。從圖1我們可以發(fā)現(xiàn)，所有4個(gè)測(cè)點(diǎn)，A15設(shè)備的振動(dòng)能量均要明顯大于C75設(shè)備。此外，C75設(shè)備在加載和卸載兩種工況下振動(dòng)能量略有區(qū)別，但總體差距不大。而A15設(shè)備在卸載工況下的振動(dòng)情況明顯比加載工況下要?jiǎng)×液芏唷?/p>

第二，各測(cè)點(diǎn)均方根值在不同工況下的分布情況，可直觀理解為藍(lán)色矩形盒的長(zhǎng)度。從圖中可以看出，C75設(shè)備各測(cè)點(diǎn)的藍(lán)色矩形盒呈扁狀，說(shuō)明振動(dòng)信號(hào)的均方根值分布較為集中，信號(hào)成分單一，振動(dòng)情況較為穩(wěn)定。相對(duì)而言，C75設(shè)備各測(cè)點(diǎn)的藍(lán)色矩形盒長(zhǎng)度要大很多，說(shuō)明振動(dòng)信號(hào)的均方根值分布較為分散，通常代表著振動(dòng)信號(hào)的組成成分較為復(fù)雜。

第三，每種工況下異常值的分布情況，即圖中紅點(diǎn)的數(shù)目和數(shù)值。從四幅圖中可以發(fā)現(xiàn)，有幾種工況下出現(xiàn)一些紅點(diǎn)落于矩形盒內(nèi)限之外，但數(shù)量很少?？紤]到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通常具有一定的隨機(jī)性且干擾成分，而加速度信號(hào)又對(duì)傳遞路徑、背景噪聲、傳感器粗大誤差等因素較為敏感，因此有零星的異常值也可以理解，這也說(shuō)明兩臺(tái)設(shè)備在不同工況下運(yùn)行并沒(méi)有出現(xiàn)特別嚴(yán)重的故障。

從圖2中可以看出，在電機(jī)端和近軸承端與低壓級(jí)所呈現(xiàn)出的類似，而且由于電機(jī)端和近軸承端這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)本身挨得比較近，因此兩處的信號(hào)特征也很相似。在轉(zhuǎn)子端，僅有A15加載工況下的振動(dòng)比較劇烈。在遠(yuǎn)軸承端，兩臺(tái)設(shè)備在兩種工況下振動(dòng)情況則差不多。

由于A15設(shè)備在電機(jī)端豎直方向的振動(dòng)較大，因此我們將該位置的振動(dòng)信號(hào)做頻譜分析。

從圖3中可以看出，2215Hz的頻率成分能量較大，如此高頻的成分不可能是設(shè)備各零部件正常運(yùn)行所產(chǎn)生的，因此推測(cè)可能是設(shè)備某一固有頻率被激發(fā)出來(lái)，或者是氣流激振導(dǎo)致的頻率成分。此外，在中低頻域段有多簇能量較大的頻率成分。如圖4所示，能量較大的幾個(gè)頻率成分均是電機(jī)轉(zhuǎn)頻的高倍頻。其中253.4Hz為電機(jī)轉(zhuǎn)頻的8倍頻，由于該臺(tái)設(shè)備陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為4，陰轉(zhuǎn)子齒數(shù)為6，所以253.4Hz也可能是陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子嚙合頻率的二倍頻。不過(guò)，我們可以觀察到嚙合頻率的一倍頻以及三倍頻等高倍頻并不突出，所以推測(cè)這些高頻成分主要來(lái)源于電機(jī)振動(dòng)，該臺(tái)設(shè)備的電機(jī)可能存在較嚴(yán)重的不對(duì)中、安裝定位精度過(guò)低等問(wèn)題，建議重新裝配并增加三方向約束方式。

特別說(shuō)明的一點(diǎn)是，在本次測(cè)試采集到的所有振動(dòng)信號(hào)中，A15設(shè)備卸載工況下低壓級(jí)電機(jī)端豎直方向振動(dòng)最為劇烈。而信號(hào)的主要能量集中在電機(jī)轉(zhuǎn)頻的幾個(gè)高倍頻成分上。其中，253.4Hz和380Hz分別是電機(jī)轉(zhuǎn)頻的8倍和12倍，同時(shí)也可以理解為陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子嚙合頻率的二倍頻和三倍頻。嚙合頻率的一倍頻不明顯，而三倍頻最大，這也不是正?，F(xiàn)象。綜合上述現(xiàn)象，推測(cè)電機(jī)安裝存在較大的問(wèn)題，導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)不正常，同時(shí)還影響到了陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的嚙合。

從圖5中可以看出，相比起圖3，此時(shí)2215Hz的頻率成分能量也有所減弱，說(shuō)明該成分主要還是由電機(jī)端的振動(dòng)所激發(fā)出來(lái)的，推測(cè)是因?yàn)殡姍C(jī)的振動(dòng)過(guò)大。此外，振動(dòng)信號(hào)的主要頻率成分為轉(zhuǎn)子一、二階嚙合頻率，陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻的高倍頻，電機(jī)/陽(yáng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻的高倍頻。同樣，嚙合頻率的二倍頻大于一倍頻，說(shuō)明陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的嚙合狀態(tài)不正常。我們推測(cè)電機(jī)裝配存在較大的問(wèn)題，導(dǎo)致振動(dòng)過(guò)大，同時(shí)還影響到了陰陽(yáng)兩轉(zhuǎn)子的嚙合。

從圖6中可以看出，信號(hào)中存在2215Hz和2253Hz兩個(gè)能量較大的頻率成分，推測(cè)與設(shè)備的固有頻率相關(guān)。而在中低頻率段，主要頻率成分依然是電機(jī)轉(zhuǎn)頻的高倍頻。為了描述方便，在本報(bào)告中將高壓級(jí)電機(jī)轉(zhuǎn)頻標(biāo)注為F1，將低壓級(jí)電機(jī)轉(zhuǎn)頻標(biāo)注為F2。從中可以看出，低壓級(jí)電機(jī)轉(zhuǎn)頻的高倍頻能量更大，說(shuō)明低壓級(jí)電機(jī)的問(wèn)題更為嚴(yán)重。

3.2高低壓級(jí)各測(cè)點(diǎn)軸向振動(dòng)分析

從圖7中可以看出，A15設(shè)備的振動(dòng)幅值均要明顯大于C75設(shè)備。其中，A15設(shè)備卸載工況下遠(yuǎn)軸承端軸向振動(dòng)最為劇烈，因此我們首先對(duì)該通道信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。

如圖8所示，信號(hào)中主要的頻率成為依然是電機(jī)轉(zhuǎn)頻的高倍頻，而在高頻域段出現(xiàn)一個(gè)1436Hz的頻率成分，推測(cè)為設(shè)備軸向某一固有頻率成分。此外，與圖8所示的頻譜圖上雜頻較多，說(shuō)明存在較為嚴(yán)重的摩擦或多點(diǎn)碰撞。

從圖9中可以看出，主要頻率成分即為2215Hz，該成分在圖1和圖5所示的電機(jī)端和轉(zhuǎn)子端豎直方向振動(dòng)信號(hào)中也很明顯，推測(cè)是電機(jī)振動(dòng)過(guò)大激發(fā)起了設(shè)備某一固有頻率成分。值得注意的一點(diǎn)是，當(dāng)存在能量較大的沖擊性成分時(shí)，設(shè)備的固有頻率成分才容易被激發(fā)出來(lái)。因此，我們推測(cè)電機(jī)在三方向上約束均沒(méi)有做好，可能存在多點(diǎn)碰撞或摩擦，導(dǎo)致產(chǎn)生一系類沖擊成分。

從圖10可以看出，高壓級(jí)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)情況與低壓級(jí)近似，因此在本報(bào)告里便不再贅述。

3.3高低壓級(jí)各測(cè)點(diǎn)徑向振動(dòng)分析

從圖11可以看出，A15設(shè)備在各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)依舊比C75要?jiǎng)×?，其中GE256在卸載工況下低壓級(jí)轉(zhuǎn)子端的振動(dòng)幅值最大。以上現(xiàn)象說(shuō)明電機(jī)的振動(dòng)存在較嚴(yán)重的問(wèn)題，這和1.1節(jié)和1.2節(jié)所得到的結(jié)論完全相同。轉(zhuǎn)子的嚙合也不大正常，否則不應(yīng)該出現(xiàn)那么多的高倍頻成分，不過(guò)該問(wèn)題很可能是電機(jī)振動(dòng)所導(dǎo)致的，電機(jī)與轉(zhuǎn)子連接存在較大的問(wèn)題，如不對(duì)中、三方向約束效果較差等。

從圖12中可以看出，在電機(jī)端、近軸承端、遠(yuǎn)軸承端，A15設(shè)備的振動(dòng)幅值都小于C75。而在轉(zhuǎn)子端，A15卸載工況下的振動(dòng)較大，信號(hào)中存在幅值較大的轉(zhuǎn)子嚙合頻率的高倍頻，此外在低頻域段存在大量低壓級(jí)電機(jī)轉(zhuǎn)頻的高倍頻。以上結(jié)果說(shuō)明轉(zhuǎn)子嚙合存在一定問(wèn)題，此外，還可以發(fā)現(xiàn)，低壓級(jí)電機(jī)振動(dòng)較為嚴(yán)重，導(dǎo)致在高壓級(jí)這一側(cè)依然能采集到大量低壓級(jí)電機(jī)的振動(dòng)信號(hào)，而在低壓級(jí)那一側(cè)則沒(méi)有采集到高壓級(jí)電機(jī)的振動(dòng)信號(hào)。

2結(jié)果討論

本報(bào)告分別對(duì)A15和C75兩臺(tái)設(shè)備多個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比分析，得出的結(jié)論是：C75設(shè)備在絕大部分測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)幅值均要明顯小于A15設(shè)備，其中A15設(shè)備在低壓級(jí)電機(jī)端的豎直方向上的振動(dòng)最為劇烈，此外在轉(zhuǎn)子端幾個(gè)方向上的振動(dòng)也較大。A15設(shè)備振動(dòng)較大的原因在于：（1）在設(shè)備低壓級(jí)和高壓級(jí)各測(cè)點(diǎn)三方向的振動(dòng)信號(hào)中，均存在幅值較大的低壓級(jí)電機(jī)轉(zhuǎn)頻的高倍頻，而高壓級(jí)電機(jī)轉(zhuǎn)頻的高倍頻在高壓級(jí)的四個(gè)測(cè)點(diǎn)中也較明顯，卻在低壓級(jí)的四個(gè)測(cè)點(diǎn)中不大明顯。這些現(xiàn)象說(shuō)明設(shè)備高低壓級(jí)電機(jī)的振動(dòng)極不正常，推測(cè)電機(jī)可能存在較嚴(yán)重的不對(duì)中、安裝定位精度過(guò)低、三方向約束效果差等問(wèn)題，其中低壓級(jí)電機(jī)又比高壓級(jí)電機(jī)更嚴(yán)重。（2）在部分測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)中發(fā)現(xiàn)高頻的疑似固有頻率成分，推測(cè)電機(jī)在三方向上約束均沒(méi)有做好，可能存在多點(diǎn)碰撞或摩擦，導(dǎo)致產(chǎn)生一系類沖擊成分，進(jìn)而激發(fā)起固有頻率。（3）對(duì)轉(zhuǎn)子端的信號(hào)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)存在大量高幅值的嚙合頻率高倍頻，而嚙合頻率一倍頻則不大明顯，說(shuō)明轉(zhuǎn)子嚙合存在問(wèn)題，如磨損嚴(yán)重、齒面點(diǎn)蝕、安裝誤差導(dǎo)致嚙合不合理、外部振動(dòng)影響嚙合等。由于A15設(shè)備是新裝配的設(shè)備，因此我們還是默認(rèn)設(shè)備內(nèi)部的主要零部件不存在缺陷，而考慮到電機(jī)端振動(dòng)劇烈，同時(shí)在轉(zhuǎn)子端的振動(dòng)信號(hào)中也發(fā)現(xiàn)了大量電機(jī)轉(zhuǎn)頻的高倍頻，我們推測(cè)轉(zhuǎn)子嚙合出現(xiàn)問(wèn)題的主要原因還是在于電機(jī)端振動(dòng)過(guò)大，同時(shí)電機(jī)和轉(zhuǎn)子安裝存在問(wèn)題。后期可以通過(guò)更換電機(jī)，或重新拆解組裝，分析和研究電機(jī)運(yùn)行問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]陳文應(yīng).TSA-230系列螺桿式空氣壓縮機(jī)慣性故障原因分析及預(yù)防措施[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2021，49（5）：35-37.

[2]王二明，趙軍，尚昆.基于粒子群算法的雙螺桿空壓機(jī)混合建模[J].建模與仿真，2020（4）：430-438.