基于氣閥雙向流固耦合分析的故障機(jī)理研究

吳 迪 王維民 孟凡昌 李啟行 郭美那

（1.北京化工大學(xué) 高端機(jī)械裝備健康監(jiān)控與自愈化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.海洋石油工程股份有限公司）

往復(fù)壓縮機(jī)在石油化工、天然氣儲(chǔ)運(yùn)等方面有著重要作用，其中零部件的運(yùn)動(dòng)較復(fù)雜且易損件較多，發(fā)生故障后可能造成重大損失［1］。在往復(fù)壓縮機(jī)的故障中，氣閥組件的故障占比很大［2］。

網(wǎng)狀閥是大型往復(fù)壓縮機(jī)中常用的氣閥類型， 壓縮機(jī)工作過(guò)程中網(wǎng)狀閥的閥片在氣體壓力、彈簧力等載荷作用下運(yùn)動(dòng)，閥片承受交變載荷，容易發(fā)生疲勞破壞。 目前已經(jīng)有許多關(guān)于識(shí)別往復(fù)壓縮機(jī)氣閥故障的研究， 包括從振動(dòng)信號(hào)、溫度信號(hào)及示功圖等方面識(shí)別氣閥的故障和運(yùn)行狀態(tài)［3，4］，這類方法在診斷氣閥泄漏、閥片斷裂及彈簧失效等故障的過(guò)程中取得了良好的效果。

而在機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中常希望對(duì)氣閥的壽命或故障特征進(jìn)行預(yù)判，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)［5］。對(duì)此可以采取數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中提取特征信息對(duì)故障特征或壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)， 這種方法已經(jīng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、滾動(dòng)軸承等的壽命預(yù)測(cè)或故障診斷的預(yù)測(cè)中取得 了 良 好 的 效 果［6，7］。 對(duì) 于 往 復(fù) 壓 縮 機(jī) 的 氣 閥，LOUKOPOULOS P等采取從監(jiān)測(cè)到的溫度信號(hào)中提取特征的方法，對(duì)溫度信號(hào)異常的氣閥徹底失效前的剩余壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)［8］。

對(duì)于新投產(chǎn)或尚在設(shè)計(jì)過(guò)程中的機(jī)械設(shè)備，往往缺少或沒(méi)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這時(shí)常采取基于物理模型的方法從零件載荷等方面對(duì)可能的故障機(jī)理和故障特征進(jìn)行研究［9］。 對(duì)于制冷壓縮機(jī)中使用的簧片閥，目前已有利用應(yīng)變片對(duì)其載荷進(jìn)行測(cè)量的研究［10］。 而網(wǎng)狀閥或環(huán)狀閥閥片位于氣閥內(nèi)部，往往不便于采用直接粘貼應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的方法。 WANG Y等采用穿過(guò)閥座安裝的電渦流傳感器對(duì)環(huán)狀金屬閥片使用過(guò)程中的碰撞和側(cè)傾進(jìn)行了研究［11］。 對(duì)于采用金屬材料的網(wǎng)狀閥閥片，也可以采取在閥座內(nèi)安裝電渦流傳感器測(cè)量得到閥片運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方法［12］。

但對(duì)于目前常用的PEEK材料制成的非金屬閥片不便于采用直接測(cè)量的方法。 對(duì)于閥片的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和載荷，可以采取將閥片的運(yùn)動(dòng)視為一維運(yùn)動(dòng)，建立描述閥片運(yùn)動(dòng)規(guī)律微分方程，對(duì)方程進(jìn)行求解的方法，得到閥片的載荷和運(yùn)動(dòng)規(guī)律［13，14］。 CFD模擬的方法能夠更充分考慮壓縮機(jī)中流體對(duì)閥片運(yùn)動(dòng)的影響，其中在將閥片假設(shè)為一維運(yùn)動(dòng)的剛體的情況下得到的氣缸內(nèi)壓力模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好［15，16］。 而對(duì)于閥片上的應(yīng)力狀況，已有采用顯式動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件對(duì)閥片的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算的方法，其中常認(rèn)為閥片以一定的速度碰撞閥座或升程限制器［17］，或?qū)?shí)測(cè)的氣缸內(nèi)外壓力作為邊界條件均勻施加于閥片表面［18］。

雙向流固耦合計(jì)算中可以更充分地考慮閥片與流體的相互作用、閥片上受到的流體載荷不均勻和閥片運(yùn)動(dòng)對(duì)其受到的流體載荷的影響。 目前已經(jīng)有對(duì)舌簧閥片進(jìn)行雙向流固耦合計(jì)算的研究， 其中XIE F等采用雙向流固耦合的方法研究了簧片閥運(yùn)動(dòng)與排氣腔內(nèi)壓力波動(dòng)的相互影響［19］，YIN X等采用雙向流固耦合的方法研究了簧片閥使用初期發(fā)生破壞的原因［20］，韓寶坤等在不考慮氣體可壓縮性的條件下研究了簧片閥開(kāi)啟過(guò)程中可能與活塞發(fā)生碰撞的問(wèn)題［21］。HWANG I S等采用雙向流固耦合的方法對(duì)一頂部帶懸臂彈簧的圓盤狀氣閥進(jìn)行了模擬，并對(duì)將氣閥假設(shè)為剛體進(jìn)行計(jì)算的情況和考慮氣閥和懸臂彈簧變形的雙向流固耦合結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)考慮氣閥和彈簧變形的雙向流固耦合結(jié)果更為準(zhǔn)確［22］。

對(duì)于氣閥故障特征，常采取試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行故障試驗(yàn)的方式獲得［23］，目前也已經(jīng)有采用模擬計(jì)算的方法獲取氣閥出現(xiàn)泄漏時(shí)氣缸內(nèi)的壓力信號(hào)的方法［15］，而氣閥內(nèi)部分彈簧失效時(shí)特征常表現(xiàn)為氣閥振動(dòng)信號(hào)方面的異常［23］。

筆者研究了對(duì)網(wǎng)狀閥進(jìn)行雙向流固耦合計(jì)算的方法，針對(duì)某往復(fù)壓縮機(jī)一級(jí)氣缸的一個(gè)網(wǎng)狀排氣閥進(jìn)行仿真計(jì)算， 對(duì)3種不同彈簧剛度的情況和彈簧失效故障狀態(tài)進(jìn)行模擬。 并提取正常運(yùn)行和彈簧失效故障狀態(tài)下氣閥的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。

1 網(wǎng)狀閥流固耦合模型的建立

選取排氣閥及其周圍部分的流道和該氣閥的固體區(qū)域進(jìn)行雙向耦合計(jì)算。 圖1為排氣閥區(qū)域雙向耦合模擬計(jì)算方法的示意圖。

圖1 排氣閥雙向耦合計(jì)算示意圖

流體域中， 如圖1所示氣閥流道靠近氣缸一側(cè)入口設(shè)置一薄層流體域（8），在其下表面（5）上施加隨時(shí)間變化的壓力和溫度作為邊界條件，模擬氣閥流道入口壓力和溫度隨時(shí)間的變化，各時(shí)刻壓力和溫度值可以通過(guò)實(shí)際測(cè)量值或模擬計(jì)算得到。 薄層流體域一側(cè)的壁面（7）按照與活塞在對(duì)應(yīng)位置相同的速度運(yùn)動(dòng)， 模擬活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中造成氣閥流體域入口處流道形狀隨時(shí)間的變化。 流體為空氣，視為理想氣體，湍流模型采用k-ε模型，求解方法為PISO。 其中閥片表面設(shè)置為耦合面， 閥座和升程限制器之間的流體域網(wǎng)格采用網(wǎng)格光順?lè)▽?shí)現(xiàn)流體網(wǎng)格隨固體壁面運(yùn)動(dòng)和變形。 其中流體域有限體積網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 排氣閥雙向耦合計(jì)算中的流體網(wǎng)格

排氣閥固體域有限元模型中，閥片采用帶中間節(jié)點(diǎn)SOLID186單元， 網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.8 mm，其他區(qū)域采用無(wú)中間節(jié)點(diǎn)的SOLID185單元。對(duì)可能出現(xiàn)應(yīng)力集中和碰撞的位置進(jìn)行加密處理，閥片厚4 mm，沿閥片厚度方向共5層單元。固體域網(wǎng)格如圖3所示。 考慮到閥片非金屬材料的彈性模量遠(yuǎn)小于氣閥其他部分金屬材料的，為減小計(jì)算量，除3 000 N/m彈簧剛度下的關(guān)閉過(guò)程外，其他算例中將除閥片外氣閥的其他金屬零件設(shè)置為剛體，在其表面設(shè)置接觸單元。

圖3 排氣閥固體域有限元網(wǎng)格

固體域中在閥片與閥座、升程限制器等零件之間設(shè)置碰撞接觸，閥片與中心定位塊之間設(shè)置摩擦接觸，閥座和升程限制器外部臺(tái)階面處設(shè)置固定約束。 氣閥內(nèi)的彈簧通過(guò)彈簧單元設(shè)置在閥片和升程限制器間的對(duì)應(yīng)位置。

本研究中閥片采用的PEEK材料參數(shù)根據(jù)生產(chǎn)商提供的數(shù)據(jù)得到［24］。 氣閥其他部分材料為AISI 416，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.28，密度為7 700 kg/m3。

固體域計(jì)算中的控制方程為［25］：

能量方程

式中 c——流體比熱容；

k——流體的導(dǎo)熱系數(shù)；

p——流場(chǎng)中的壓力；

ST——能量方程中的源項(xiàng)；

Su、Sv、Sw——?jiǎng)恿糠匠淘错?xiàng)在x、y、z方向的分量；

T——流場(chǎng)溫度；

U——流場(chǎng)中的速度矢量；

u、v、w——x、y、z方向的速度分量；

μ——流體的動(dòng)力粘度；

ρ——流體微元密度。

流固耦合面上應(yīng)滿足［25］：

式中 n——流固耦合面上的單位法向向量；

rf——流體域中流固耦合面的位移；

rs——固體域中流固耦合面的位移；

τf——流固耦合面上流體的應(yīng)力；

τs——流固耦合面上固體的應(yīng)力。

流體域和固體域之間的數(shù)據(jù)交互利用System Coupling模塊實(shí)現(xiàn)。 雙向耦合計(jì)算中時(shí)間步長(zhǎng)為1×10-5s。

2 雙向流固耦合的分析流程

考慮到對(duì)包括活塞、氣缸、氣閥在內(nèi)的整個(gè)模型在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的整個(gè)周期進(jìn)行雙向流固耦合計(jì)算量過(guò)于龐大，而容易造成氣閥損壞的載荷主要出現(xiàn)在氣閥開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)閥片發(fā)生碰撞的過(guò)程中。 因此筆者重點(diǎn)對(duì)排氣閥開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程進(jìn)行雙向流固耦合模擬計(jì)算。 采取先模擬計(jì)算得到氣缸內(nèi)壓力和溫度結(jié)果，再對(duì)氣閥區(qū)域進(jìn)行雙向流固耦合計(jì)算的方法。模擬計(jì)算利用ANSYS Workbench中的Fluent和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊進(jìn)行，通過(guò)System Coupling模塊實(shí)現(xiàn)流體域與固體域的數(shù)據(jù)交互，具體流程如圖4所示。

圖4 模擬計(jì)算流程

在工況不變的情況下， 改變氣閥彈簧的剛度， 得到6 000、3 000、600 N/m3組彈簧剛度下的計(jì)算結(jié)果。 并在采用3 000 N/m剛度的彈簧時(shí)，在去除模型中氣閥內(nèi)靠近曲軸一側(cè)的3個(gè)彈簧的情況下對(duì)氣閥彈簧失效故障進(jìn)行模擬。

3 氣缸內(nèi)壓力的計(jì)算

由于筆者模擬的往復(fù)壓縮機(jī)氣缸壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)尚未獲得，因此采用模擬計(jì)算的方法得到氣缸內(nèi)壓力變化情況。 包括氣缸和氣閥在內(nèi)的計(jì)算域示意圖如圖5所示，氣閥位于氣缸側(cè)面，氣閥類型為網(wǎng)狀閥。

圖5 氣缸和氣閥流體計(jì)算域示意圖

計(jì)算中所用到的往復(fù)壓縮機(jī)一級(jí)氣缸相關(guān)的部分參數(shù)如下：

轉(zhuǎn)速 1 200 r/min

氣缸直徑 244 mm

活塞行程 139.7 mm

連桿長(zhǎng)度 400 mm

曲柄長(zhǎng)度 69.85 mm

余隙容積 263 758.56 mm3

在對(duì)氣缸壓力和溫度的計(jì)算過(guò)程中對(duì)閥片的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，認(rèn)為閥片為僅沿氣閥軸線做一維運(yùn)動(dòng)，不發(fā)生傾斜和撓曲變形的剛體。 目前已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)研究證明這種方法對(duì)氣缸內(nèi)壓力和溫度的變化能夠進(jìn)行足夠準(zhǔn)確的計(jì)算［15，16］。

考慮到氣缸兩側(cè)對(duì)稱，為減小計(jì)算量，對(duì)氣缸和氣閥幾何模型提取流體域后選取其1/2劃分網(wǎng)格并設(shè)置對(duì)稱面，單元總數(shù)686 224時(shí)氣缸內(nèi)壓力計(jì)算結(jié)果隨網(wǎng)格密度增加已經(jīng)不再發(fā)生明顯變化，氣缸和氣閥的流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到的結(jié)果如圖6所示。

圖6 氣缸和氣閥流體計(jì)算域網(wǎng)格

氣缸內(nèi)壓力求解過(guò)程在ANSYS Fluent中進(jìn)行，計(jì)算中的邊界條件設(shè)置為：入口邊界面壓力為進(jìn)氣壓力0.30 MPa， 出口邊界面壓力為排氣壓力0.85 MPa。 氣缸、活塞、氣閥流道內(nèi)的壁面視為絕熱壁面。 考慮到進(jìn)排氣溫度暫時(shí)未知，將進(jìn)口和出口邊界面設(shè)置在進(jìn)排氣腔內(nèi)與氣閥流道隔開(kāi)一定距離的位置，溫度均為300 K。 流體介質(zhì)為空氣， 計(jì)算中空氣視為符合理想氣體狀態(tài)方程。湍流模型采用k-ε模型，求解方式采用適合瞬態(tài)計(jì)算的PISO方法。 計(jì)算過(guò)程中時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為2×10-5s，認(rèn)為每個(gè)時(shí)間步內(nèi)閥片速度恒定。 氣閥在其行程兩端與閥座或升程限制器發(fā)生碰撞時(shí)的回彈系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)［15，16］設(shè)置為0.3。 活塞的運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)in-cylinder選項(xiàng)進(jìn)行定義。計(jì)算中采用動(dòng)態(tài)鋪層的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格隨閥片和活塞壁面的運(yùn)動(dòng)。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 彈簧剛度對(duì)閥片載荷的影響

活塞相對(duì)于閥片的運(yùn)動(dòng)方向如圖3b下方箭頭所示，活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遮擋住氣閥流道部分入口造成閥片上壓力載荷不均勻，這會(huì)引起閥片的側(cè)傾或局部彎曲變形。 提取流體域中閥片朝向氣缸一側(cè)表面壓力分布如圖7所示。

圖7 閥片朝向氣缸一面壓力分布

圖7中排氣過(guò)程開(kāi)始時(shí)， 活塞幾乎沒(méi)有遮擋排氣閥流道入口。 其中閥片正對(duì)氣閥入口流道的部分壓力較大。 而網(wǎng)狀閥各環(huán)的連接筋部分受到氣體壓力較小。 目前的網(wǎng)狀閥中常將彈簧僅布置在閥片外圈或網(wǎng)狀閥各圓弧與連接筋相交的位置，這些位置通?？晒┌惭b彈簧的空間較大。 但在氣閥開(kāi)啟過(guò)程中這些位置所受的壓力相對(duì)較小。 對(duì)于非金屬材料制成的閥片，這種彈簧布置方式容易造成閥片受到壓力較大的位置發(fā)生彎曲變形和不均勻的碰撞， 可能加速閥片疲勞破壞。 在閥片設(shè)計(jì)中可以考慮將彈簧布置在網(wǎng)狀閥各圓弧部分以減小閥片開(kāi)啟過(guò)程中的彎曲變形等情況。

4.2 彈簧剛度對(duì)閥片運(yùn)動(dòng)的影響

如圖3所示在閥片上設(shè)置12個(gè)點(diǎn)， 活塞相對(duì)閥片往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方向如圖3中的箭頭所示。 根據(jù)閥片壓力計(jì)算結(jié)果可知，閥片的側(cè)傾主要源于閥片繞圖7中z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)， 因此提取1～6號(hào)點(diǎn)的位移進(jìn)行研究， 不同彈簧剛度下提取1～6號(hào)點(diǎn)的位移 如圖8所示。

圖8 閥片上不同位置的位移

氣閥開(kāi)啟過(guò)程中閥片上的氣體作用力遠(yuǎn)大于彈簧力［11］，從圖8中也可以發(fā)現(xiàn)隨著彈簧剛度的變化，排氣閥開(kāi)啟過(guò)程對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角沒(méi)有明顯變化。 筆者模擬的氣閥中彈簧全部位于閥片外圈位置。 開(kāi)啟過(guò)程中閥片靠近中心且遠(yuǎn)離彈簧支撐位置的3、4點(diǎn)，向升程限制器運(yùn)動(dòng)速度較快，靠近閥片邊緣的1、6點(diǎn)后接觸升程限制器發(fā)生碰撞。 排氣閥開(kāi)啟過(guò)程中閥片會(huì)發(fā)生彎曲變形，且這種變形隨著彈簧剛度增大有所增加但變化不大。 排氣閥關(guān)閉過(guò)程中由于活塞已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到接近外止點(diǎn)的位置，氣閥流道入口被活塞遮擋住一部分， 造成從不同位置進(jìn)入氣閥的氣體流速不同，從圖7可以看出閥片上壓力很不均勻， 而排氣閥關(guān)閉過(guò)程開(kāi)始時(shí)各個(gè)彈簧壓縮量幾乎相同，閥片各部分開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)間存在差異，造成關(guān)閉過(guò)程中閥片發(fā)生傾斜等情況。

從圖8也可以發(fā)現(xiàn)彈簧剛度對(duì)氣閥關(guān)閉過(guò)程中閥片的運(yùn)動(dòng)情況影響較大。 當(dāng)彈簧剛度為6 000 N/m時(shí)，閥片上壓力較小的一側(cè)（4、5、6號(hào)點(diǎn)一側(cè)）在彈簧作用下首先開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，氣閥流道入口未被活塞完全遮擋的一側(cè)閥片表面氣體壓力較高，開(kāi)始運(yùn)動(dòng)晚，閥片側(cè)傾情況明顯。 而開(kāi)始運(yùn)動(dòng)較晚的一側(cè)（1、2、3號(hào)點(diǎn)一側(cè)）在碰撞后回彈較為明顯。彈簧剛度3 000 N/m時(shí)，彈簧力更小，關(guān)閉過(guò)程開(kāi)始的時(shí)間延后。 此時(shí)流向閥片的氣體速度更低，閥片上壓力不均勻程度有所減?。▓D7），閥片傾斜情況有所減輕，且閥片外圈上靠近彈簧的位置開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的時(shí)間相對(duì)較早。

隨著彈簧剛度減小，排氣閥關(guān)閉過(guò)程中閥片開(kāi)始向閥座運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角逐漸增大。 彈簧剛度為600 N/m時(shí)， 閥片靠近未被活塞遮擋的流道一側(cè)的點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)和接觸閥座的時(shí)間略早且閥片接觸閥座后回彈高度較小，這與彈簧剛度較大時(shí)的計(jì)算結(jié)果不同。 這主要是由于彈簧剛度較小時(shí)，閥片已經(jīng)不能在活塞運(yùn)動(dòng)到外止點(diǎn)前開(kāi)始向閥座運(yùn)動(dòng)，排氣閥關(guān)閉過(guò)程中氣缸內(nèi)壓力已經(jīng)低于排氣壓力，部分氣體反流向氣缸，閥片上未被活塞遮擋的一側(cè)在彈簧力和反流的氣體共同作用下以更快的速度向閥座運(yùn)動(dòng)。 這加劇了氣閥關(guān)閉時(shí)閥片與閥座的碰撞，這種情況在發(fā)生氣閥彈簧失效故障造成彈簧力減小時(shí)也可能出現(xiàn)。因此，對(duì)于排氣閥彈簧失效故障應(yīng)關(guān)注氣閥關(guān)閉時(shí)的振動(dòng)信號(hào)。

4.3 彈簧失效故障模擬結(jié)果

提取模擬計(jì)算過(guò)程中排氣閥螺栓頂部中間位置（圖3a中箭頭所指的位置）分別在正常運(yùn)行和彈簧失效狀態(tài)下關(guān)閉過(guò)程中的振動(dòng)加速度信號(hào)。 其結(jié)果如圖9所示。

圖9 氣閥關(guān)閉過(guò)程振動(dòng)加速度信號(hào)

對(duì)圖9中的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）得到的前5階分量（IMF1～I(xiàn)MF5）分別如圖10、11所示。 對(duì)前5階分量分別計(jì)算樣本熵，得到的結(jié)果如圖12所示。

圖10 正常狀態(tài)振動(dòng)信號(hào)EMD分解

圖11 彈簧失效后振動(dòng)信號(hào)EMD分解

圖12 IMF樣本熵

從EMD分解得到的前5階分量可以發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)彈簧失效故障后，氣閥關(guān)閉時(shí)出現(xiàn)碰撞沖擊對(duì)應(yīng)的角度延后。 從氣閥振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行EMD分解得到的結(jié)果發(fā)現(xiàn)低頻分量變化明顯， 特別是IMF 3和IMF 4幅值出現(xiàn)較大的變化。 計(jì)算正常狀態(tài)和部分彈簧失效后IMF 1到IMF 5的樣本熵，其中信號(hào)的高頻部分復(fù)雜度較高。 在部分彈簧失效的情況下， 多數(shù)分量樣本熵基本不變或出現(xiàn)下降，而IMF 3的樣本熵異常增大。

將計(jì)算得到的振動(dòng)信號(hào)EMD分解后的各階分量與樣本熵與文獻(xiàn)［23］中在往復(fù)壓縮機(jī)上進(jìn)行故障試驗(yàn)得到彈簧失效狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)做相同處理后的結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模擬計(jì)算中加入彈簧失效故障前后信號(hào)各IMF和樣本熵的變化趨勢(shì)與故障試驗(yàn)結(jié)果一致。

5 結(jié)論

5.1 采用雙向流固耦合的方式對(duì)某往復(fù)壓縮機(jī)中排氣閥在3種不同彈簧剛度下的開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算并對(duì)比，發(fā)現(xiàn)彈簧剛度取3 000 N/m時(shí)可以使得閥片彎曲和側(cè)傾現(xiàn)象較輕，同時(shí)不至于出現(xiàn)因?yàn)榕艢忾y以外氣體反流造成閥片上載荷過(guò)大的情況。

5.2 彈簧剛度對(duì)排氣閥關(guān)閉過(guò)程影響較大，隨著彈簧剛度增加， 閥片關(guān)閉過(guò)程中側(cè)傾情況加劇，但彈簧剛度過(guò)小時(shí)排氣閥在活塞到達(dá)外止點(diǎn)后才開(kāi)始關(guān)閉，可能造成已經(jīng)被壓縮的氣體反流入氣缸， 加劇閥片與閥座的碰撞造成閥片過(guò)早破壞。

5.3 對(duì)部分彈簧失效的情況進(jìn)行了模擬計(jì)算并提取氣閥正常和故障狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)。 發(fā)現(xiàn)彈簧失效后氣閥振動(dòng)信號(hào)EMD分解后低頻分量和樣本熵出現(xiàn)異常變化。 且采用文中模型計(jì)算的結(jié)果中，發(fā)生故障后信號(hào)特征變化趨勢(shì)與已有的故障試驗(yàn)結(jié)果相同，計(jì)算結(jié)果可以為往復(fù)壓縮機(jī)氣閥故障的診斷提供參考。