多級(jí)離心式壓縮機(jī)故障模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

胡 勤 張清華 呂運(yùn)容 段志宏 李偉明 林水泉

（廣東石油化工學(xué)院廣東省石化裝備故障診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東·茂名 525000）

0 引言

多級(jí)離心式壓縮機(jī)作為石油化工生產(chǎn)過程中關(guān)鍵石化裝置，極大地提高了生產(chǎn)效率，被廣泛應(yīng)用于石化企業(yè)。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、工況復(fù)雜，多級(jí)離心式壓縮機(jī)中的關(guān)鍵部件（如軸系、齒輪箱、軸承等）難免會(huì)發(fā)生各種故障，影響機(jī)組正常工作，給安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的隱患。長期以來，國內(nèi)外專家致力于探索機(jī)械設(shè)備多種故障診斷新方法，這些新的故障診斷方法實(shí)際應(yīng)用前必須首先經(jīng)過模擬現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置的驗(yàn)證。目前國內(nèi)已研制了多種不同類型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障模擬平臺(tái)，但是現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障模擬平臺(tái)與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)機(jī)組相比，這些實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)過于“袖珍”，電機(jī)功率過小，實(shí)驗(yàn)環(huán)境過于理想，實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組采集的數(shù)據(jù)差距較大，一定程度上影響了故障診斷方法在實(shí)際工業(yè)機(jī)組上的應(yīng)用。因此，本文針對(duì)多級(jí)離心式壓縮機(jī)典型故障，以石化企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的多級(jí)離心式壓縮機(jī)為參照，設(shè)計(jì)了一種較大規(guī)模和功率的多級(jí)離心式壓縮機(jī)故障模擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠更加真實(shí)模擬和貼近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組，實(shí)現(xiàn)不同故障模式下的振動(dòng)信號(hào)采集和處理，滿足多級(jí)離心式壓縮機(jī)單一故障和復(fù)合故障的科學(xué)研究，對(duì)于模擬現(xiàn)場(chǎng)多級(jí)離心式壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和實(shí)驗(yàn)研究具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)成

多級(jí)離心式壓縮機(jī)故障模擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由電動(dòng)機(jī)、齒輪箱和負(fù)載三部分組成，負(fù)載是11KW五級(jí)離心式風(fēng)機(jī)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。電動(dòng)機(jī)通過支架固定在機(jī)座，并通過彈性聯(lián)軸器與變速箱相連，變速箱通過軸與過渡軸承座連接，過渡軸承座與多級(jí)離心式空氣壓縮機(jī)相連，多級(jí)離心式空氣壓縮機(jī)上有空氣過濾器、流量計(jì)、壓力表，變速箱下方開有潤滑油箱進(jìn)出口。

圖1：多級(jí)離心式壓縮機(jī)故障模擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的參數(shù)

1.1.1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)

本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所選用的電動(dòng)機(jī)為SEMA公司的三相異步交流電機(jī)，型號(hào)為YP-50-11-2，額定功率為11kW，額定電壓為380V，額定電流為24.8A，額定轉(zhuǎn)矩為35Nm，轉(zhuǎn)速范圍為0～3000r/min，調(diào)速方式為變頻調(diào)速。

1.1.2 齒輪箱參數(shù)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用的是型號(hào)為H1SH的平行軸齒輪箱，齒輪箱的轉(zhuǎn)動(dòng)比為1:1.25。機(jī)組齒輪箱包括正常齒輪、磨損齒輪、裂齒齒輪和斷齒齒輪。

1.1.3 軸承參數(shù)

機(jī)組過渡軸承座內(nèi)的軸承型號(hào)為NSK1310，內(nèi)圈直徑為50mm，外圈直徑為110mm，厚度為27mm，滾動(dòng)體個(gè)數(shù)為26。機(jī)組過渡軸承座內(nèi)的軸承包含正常軸承、滾動(dòng)體磨損軸承、缺滾動(dòng)體軸承、內(nèi)圈磨損和外圈磨損軸承。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以模擬多級(jí)離心式壓縮機(jī)各種典型的故障，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含的故障件主要有軸承故障件，齒輪故障件和軸故障件，通過更換不同類型的故障齒輪，故障軸承和故障軸部件，可以模擬多級(jí)離心式壓縮機(jī)常見的單一故障和復(fù)合故障實(shí)驗(yàn)，滿足基于振動(dòng)信號(hào)分析的多級(jí)離心式壓縮機(jī)故障診斷領(lǐng)域單一和復(fù)合故障的科學(xué)研究，實(shí)現(xiàn)多級(jí)離心式壓縮機(jī)不同故障模式下的振動(dòng)信號(hào)采集和處理。通過以下四種實(shí)驗(yàn)方式能夠?qū)我还收吓c復(fù)合故障等多種工況進(jìn)行模擬，在模擬單一故障實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須保證除了故障部件以外，機(jī)組其他零部件均處于正常狀態(tài)，從而保證振動(dòng)信號(hào)的真實(shí)性。同時(shí)齒輪箱下方開有潤滑油箱進(jìn)出口，可通過提取齒輪箱內(nèi)的潤滑油對(duì)齒輪箱進(jìn)行油液分析，可滿足基于油液分析技術(shù)的故障診斷的科學(xué)研究。

1.2.1 模擬軸承故障實(shí)驗(yàn)

軸選用正常的，齒輪選用正常的。先安裝正常的軸承進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過振動(dòng)傳感器采集此實(shí)驗(yàn)下機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)。再分別換其他幾種故障軸承進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別采集相應(yīng)實(shí)驗(yàn)下機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)。

1.2.2 模擬齒輪故障實(shí)驗(yàn)

軸和軸承座選用正常的。先安裝正常的齒輪進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過振動(dòng)傳感器采集此實(shí)驗(yàn)下機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)。再分別換其他幾種故障齒輪進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別采集相應(yīng)實(shí)驗(yàn)下機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)。

1.2.3 模擬軸的故障實(shí)驗(yàn)

齒輪和軸承選用正常的。先安裝正常的軸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過振動(dòng)傳感器采集此實(shí)驗(yàn)下機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)。再分別換其他幾種故障軸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別采集相應(yīng)實(shí)驗(yàn)下機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)。

1.2.4 模擬兩重及以上復(fù)合故障實(shí)驗(yàn)

分別從故障軸承、故障齒輪、故障軸選出兩種或三種故障安裝于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別采集不同復(fù)合故障狀態(tài)下機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)。

2 振動(dòng)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

振動(dòng)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)由振動(dòng)傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集器、企業(yè)級(jí)服務(wù)器和普通計(jì)算機(jī)等部分組成，如圖2所示。其中，加速度傳感器安裝在機(jī)組齒輪箱上，選用美國CTC加速度傳感器獲取機(jī)組振動(dòng)信號(hào)，信號(hào)處理模塊用于對(duì)振動(dòng)信號(hào)的放大和濾波，數(shù)據(jù)采集器用于對(duì)振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與處理；服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理以及故障診斷軟件運(yùn)行；普通計(jì)算機(jī)用于實(shí)時(shí)顯示機(jī)組運(yùn)行信息，如原始的振動(dòng)波形信號(hào)及其他監(jiān)測(cè)參數(shù)。

2.2 系統(tǒng)功能

當(dāng)實(shí)驗(yàn)機(jī)組安裝好故障件后，針對(duì)機(jī)組的每種故障狀態(tài)，通過振動(dòng)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，采集相應(yīng)狀態(tài)下的原始振動(dòng)信號(hào)，并基于原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分析和處理。系統(tǒng)的功能主要包括：監(jiān)測(cè)功能、診斷功能和事件存儲(chǔ)功能。通過數(shù)據(jù)采集模塊和故障診斷軟件模塊，系統(tǒng)可以對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、處理和存儲(chǔ)，直觀顯示振動(dòng)傳感器測(cè)量的原始振動(dòng)信號(hào)。還可以計(jì)算出振動(dòng)信號(hào)的常用的五種無量綱指標(biāo)（如波形指標(biāo)、峰值指標(biāo)、裕度指標(biāo)、脈沖指標(biāo)和峭度指標(biāo)），得到在線監(jiān)測(cè)所需顯示的無量綱指標(biāo)和報(bào)警狀態(tài)。針對(duì)歷史故障狀態(tài)下的無量綱指標(biāo)數(shù)據(jù)，服務(wù)器配置的故障診斷軟件可以實(shí)現(xiàn)智能診斷模型的建立，輸出機(jī)組當(dāng)前的工作狀態(tài)。下面以機(jī)組分別在正常狀態(tài)，軸承內(nèi)圈磨損狀態(tài)，齒輪磨損狀態(tài)以及軸承內(nèi)圈磨損和齒輪磨損復(fù)合故障狀態(tài)下的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以上四個(gè)狀態(tài)下的振動(dòng)波形信號(hào)如圖3所示?？赏ㄟ^振動(dòng)時(shí)域信號(hào)和監(jiān)測(cè)指標(biāo)對(duì)機(jī)組軸承和齒輪箱典型故障進(jìn)行初步判斷。

圖2：振動(dòng)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3：多級(jí)離心式壓縮機(jī)不同工作狀態(tài)下的原始振動(dòng)信號(hào)波形：(a)正常狀態(tài)；(b)軸承內(nèi)圈磨損狀態(tài)；(c)齒輪磨損狀態(tài)；(d)軸承內(nèi)圈磨損和齒輪磨損復(fù)合故障狀態(tài)

從圖3可以看出，多級(jí)離心式壓縮機(jī)在不同工作狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)波形十分接近，僅僅通過振動(dòng)信號(hào)波形難以判斷機(jī)組當(dāng)前的工作狀態(tài)，因此，需要進(jìn)一步對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。基于原始振動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)可以計(jì)算出無量綱指標(biāo)。無量綱指標(biāo)具有對(duì)振動(dòng)幅值和頻率變化不敏感的特性，只依賴于振動(dòng)信號(hào)的概率密度函數(shù)，是一種較好的診斷參數(shù)，在故障診斷中得到了廣泛應(yīng)用。無量綱指標(biāo)的定義式為：

式中：x代表振動(dòng)幅值；p(x)代表振動(dòng)幅值的概率密度函數(shù)。

當(dāng)l和m分別取不同值時(shí)，可以得到常用的五種無量綱指標(biāo)，分別為波形指標(biāo)，峰值指標(biāo)，脈沖指標(biāo)，裕度指標(biāo)和峭度指標(biāo)。若l=2，m=1則有波形指標(biāo)，若l→∞，m=1則有脈沖指標(biāo)，若則有裕度指標(biāo)，若l→∞，m=2則有峰值指標(biāo)，另外，峭度指標(biāo)的定義式為

針對(duì)以上四種工作狀態(tài)的原始振動(dòng)波形數(shù)據(jù)，獲得的無量綱指標(biāo)變化趨勢(shì)效果如圖4所示。

圖4：無量綱指標(biāo)變化趨勢(shì)圖：(a)波形指標(biāo)；(b)脈沖指標(biāo)；(c)裕度指標(biāo)；(d)峰值指標(biāo)；(e)峭度指標(biāo)

從圖4可以看出，多級(jí)離心式壓縮機(jī)在不同故障狀態(tài)下的無量綱指標(biāo)分類效果不明顯，存在混疊的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于相比于小功率的故障模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，大功率的故障模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)往往會(huì)摻雜更多的干擾信號(hào)，故障特征信號(hào)會(huì)被淹沒在原始信號(hào)里，直接通過無量綱指標(biāo)對(duì)比分析是難以判斷出機(jī)組故障類型。通常需要采用先進(jìn)的信號(hào)處理方法對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，再提取故障信號(hào)的時(shí)域特征、頻域特征、時(shí)頻特征等，或采用深度學(xué)習(xí)算法獲取原始振動(dòng)信號(hào)中與故障信息最相關(guān)的特征，構(gòu)建智能故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的準(zhǔn)確診斷。

3 小結(jié)

本文以石化企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)裝置——多級(jí)離心式壓縮機(jī)為參照，設(shè)計(jì)了一種多級(jí)離心式壓縮機(jī)故障模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以完成對(duì)多級(jí)離心式壓縮機(jī)關(guān)鍵部件的多種單一故障工況和復(fù)合故障工況的模擬，通過振動(dòng)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)采集不同故障狀態(tài)下的原始振動(dòng)信號(hào)和計(jì)算相應(yīng)的故障特征集，構(gòu)建智能診斷模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)多級(jí)離心式壓縮機(jī)的智能診斷。