化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)的非線性補(bǔ)償方法研究

華 雷

（浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長，化工行業(yè)得到了飛速發(fā)展。 化工制冷壓縮機(jī)作為化工行業(yè)核心應(yīng)用產(chǎn)品之一，其工作性能至關(guān)重要，因此，化工制冷壓縮機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行一直是行業(yè)研究的重點(diǎn)［1］。目前，化工行業(yè)內(nèi)的制冷壓縮機(jī)故障檢測方法正在逐步發(fā)生變化，由傳統(tǒng)的定期維修轉(zhuǎn)向預(yù)知性維修，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)化工制冷壓縮機(jī)的預(yù)知性維修，最重要的就是掌握其實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，只有對(duì)機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，提前預(yù)知制冷壓縮機(jī)的運(yùn)行趨勢，準(zhǔn)確判斷出維修時(shí)機(jī)，及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修才能避免事故的發(fā)生［2］。 如果現(xiàn)場的制冷壓縮機(jī)發(fā)生異常振動(dòng)， 說明壓縮機(jī)存在故障隱患，但這是一個(gè)緩慢的發(fā)展過程，足以通過研究確定其異常振動(dòng)的發(fā)展規(guī)律，進(jìn)而確定維修機(jī)器的準(zhǔn)確時(shí)機(jī)［3］。相對(duì)于突發(fā)類的故障來說，如果可以通過異常振動(dòng)的補(bǔ)償，提前檢測到異常狀態(tài)并及時(shí)發(fā)出預(yù)警，進(jìn)而開啟聯(lián)鎖保護(hù)，可避免重大事故的發(fā)生。

付楚琪等提出一種振動(dòng)環(huán)境下化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)補(bǔ)償方法，利用動(dòng)態(tài)誤差構(gòu)建制冷壓縮機(jī)異常模型，根據(jù)對(duì)制冷壓縮機(jī)異常模型的誤差因素進(jìn)行分析，在制冷壓縮機(jī)上加上振動(dòng)輸入動(dòng)態(tài)誤差值，減少異常振動(dòng)的誤差，提高制冷壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。 通過多組實(shí)例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果證明該補(bǔ)償方法的可行性［4］。 李雅婷等及時(shí)檢測出制冷壓縮機(jī)的異常工作狀態(tài)，提出一種制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)補(bǔ)償方法，首先利用混頻技術(shù)采集制冷壓縮機(jī)正常運(yùn)行過程中的振動(dòng)信號(hào)和反向掃描新頻率信號(hào)，并計(jì)算出兩種振動(dòng)信號(hào)的閾值，分別采集振動(dòng)信號(hào)為10、20 Hz的異常振動(dòng)信號(hào)， 通過對(duì)其進(jìn)行反向掃描（掃描帶寬設(shè)置為20 nm，兩種振動(dòng)信號(hào)待測距離為6 m），計(jì)算出制冷壓縮機(jī)工作狀態(tài)下的周期性位移，再根據(jù)混頻技術(shù)消除制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)狀態(tài)下的測距影響，將誤差降至補(bǔ)償前的1.052 mm［5］。 該方法可以直接檢測出制冷壓縮機(jī)的異常振動(dòng)信號(hào)并進(jìn)行補(bǔ)償，有效降低事故的發(fā)生率。 但是，當(dāng)前方法針對(duì)振動(dòng)的非線性干擾，沒有進(jìn)一步研究，只是簡單地把非線性轉(zhuǎn)化成線性的， 隨著化工現(xiàn)場復(fù)雜程度的增加，這種針對(duì)振動(dòng)的非線性干擾越來越明顯。

基于以上研究背景，筆者針對(duì)化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)情況， 設(shè)計(jì)一種非線性補(bǔ)償方法，以保證化工制冷壓縮機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)非線性補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)

1.1 制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)的規(guī)律非線性特征分解

化工制冷壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中， 受加工材料、現(xiàn)場復(fù)雜程度等因素的影響，會(huì)造成壓縮機(jī)的質(zhì)量偏心［6］，圖1所示為化工制冷壓縮機(jī)質(zhì)量偏心示意圖。

圖1 化工制冷壓縮機(jī)質(zhì)量偏心示意圖

由式（4）可知，由于壓縮機(jī)的異常振動(dòng)導(dǎo)致坐標(biāo)系中的α、β發(fā)生非線性振蕩干擾， 使制冷壓縮機(jī)發(fā)生異常振動(dòng)， 以異常振動(dòng)頻率為曲線，形成不平衡的異常振動(dòng)頻率，根據(jù)選取的異常振動(dòng)頻率， 推算出異常振動(dòng)規(guī)律分解后的非線性特征。

1.2 計(jì)算制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)特征補(bǔ)償偏移值

化工現(xiàn)場的制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)補(bǔ)償裝置由2組補(bǔ)償梁和激光攝像傳感器組成（圖2）［9］。 2#和3#激光攝影傳感器主要用于記錄制冷壓縮機(jī)運(yùn)行過程中壓縮機(jī)梁體的振動(dòng)規(guī)律特征，以制冷壓縮機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)為基準(zhǔn)，計(jì)算動(dòng)態(tài)過程中化工制冷壓縮機(jī)姿態(tài)變化所產(chǎn)生的水平、垂向偏移和偏移角，方便后期及時(shí)補(bǔ)償異常振動(dòng)誤差［10］。

圖2 化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)補(bǔ)償裝置

如圖3所示，根據(jù)制冷壓縮機(jī)2組補(bǔ)償梁的中心點(diǎn)構(gòu)建坐標(biāo)系Owxwyw：水平坐標(biāo)軸為Owxw，垂直坐標(biāo)軸為Owyw。

圖3 坐標(biāo)系簡圖

當(dāng)化工制冷壓縮機(jī)發(fā)生異常振動(dòng)時(shí)，檢測到振動(dòng)頻率為θ， 構(gòu)建化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)傳感器坐標(biāo)系Ow′xw′yw′。 兩個(gè)補(bǔ)償梁間的距離值為OwO3。 將補(bǔ)償梁與制冷壓縮機(jī)看成一個(gè)整體［11］，得到Ow′O3′=OwO3。

測量化工制冷壓縮機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下，補(bǔ)償梁特征點(diǎn)A、B的激光攝影傳感器2#、3#的坐標(biāo)為（x2，y2）和（x3，y3），根據(jù)上述得到的異常振動(dòng)頻率，得到補(bǔ)償梁特征點(diǎn)C的坐標(biāo)為（x1，y1），此時(shí)化工制冷壓縮機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下的振動(dòng)頻率θ′為：

化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)補(bǔ)償偏移是指：制冷壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中提取的不平衡的異常振動(dòng)位移［13］，而補(bǔ)償環(huán)節(jié)就是對(duì)補(bǔ)償梁上的異常振動(dòng)位移的不平衡及時(shí)做出修正，使整個(gè)制冷壓縮機(jī)運(yùn)行不受異常振動(dòng)的偏移值影響。

1.3 設(shè)計(jì)化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)非線性補(bǔ)償算法

在進(jìn)行化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)補(bǔ)償時(shí)，通過光電探測器采集異常振動(dòng)信號(hào)， 并利用DSP處理器進(jìn)行快速處理，補(bǔ)償化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)引起的非線性誤差變化［14］。 當(dāng)光電探測器進(jìn)行高速率波長掃描時(shí)，波長隨時(shí)間線性增長，導(dǎo)致相位發(fā)生周期性變化，同時(shí)環(huán)境噪聲對(duì)干涉儀的干擾使得化工制冷壓縮機(jī)相位產(chǎn)生隨機(jī)性的變化［15］。

因此，在t時(shí)刻所獲得的化工制冷壓縮機(jī)相位可表示為：

其中，t、t+Δt分別為化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)信號(hào)的起始和結(jié)束時(shí)刻。

筆者根據(jù)以上計(jì)算步驟，設(shè)計(jì)了化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)了化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)的非線性補(bǔ)償。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證文中非線性補(bǔ)償方法在化工制冷壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化和磁鏈變化過程中的補(bǔ)償效果，分別在轉(zhuǎn)速2 000、4 000 r/min、磁通量0.85、0.40 Wb的條件下，利用6sigma room進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。 化工制冷壓縮機(jī)的仿真參數(shù)設(shè)置情況如下：

在上述仿真參數(shù)的支撐下，采集了化工制冷壓縮機(jī)在補(bǔ)償之前的異常振動(dòng)信號(hào)（圖4）。

圖4 化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)信號(hào)在補(bǔ)償之前的波形圖

由圖4所示波形圖可以看出， 當(dāng)化工制冷壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由2 000 r/min變化為4 000 r/min時(shí)，異常振動(dòng)信號(hào)的幅值由0.70上升到1.20， 說明在非線性補(bǔ)償之前， 化工制冷壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速越大，化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)越明顯；當(dāng)化工制冷壓縮機(jī)磁通量由0.85 Wb變化為0.40 Wb時(shí)，化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)信號(hào)的幅值由0.95 下降到了0.60，說明在非線性補(bǔ)償之前，化工制冷壓縮機(jī)的磁通量越小，化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)越明顯。

采用筆者設(shè)計(jì)的非線性補(bǔ)償方法對(duì)化工制冷壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化和磁鏈變化中的異常振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，得到了化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)信號(hào)在補(bǔ)償之后的波形圖（圖5）。

從圖5可以看出， 采用筆者設(shè)計(jì)的非線性補(bǔ)償方法對(duì)化工制冷壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化的異常振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償之后， 無論是在2 000 r/min轉(zhuǎn)速下還是4 000 r/min轉(zhuǎn)速下， 化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)幅值都可以控制在0.10以內(nèi)， 說明該非線性補(bǔ)償方法不會(huì)受到化工制冷壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，對(duì)化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)信號(hào)具有更好的補(bǔ)償效果，可以很好地控制化工制冷壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行；對(duì)化工制冷壓縮機(jī)磁鏈變化的異常振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償之后， 無論是在0.85 Wb磁通量下還是0.40 Wb磁通量下， 化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)幅值都可以控制在0.15以內(nèi)，雖然比轉(zhuǎn)速對(duì)化工制冷壓縮機(jī)振動(dòng)的影響大，但是仍然具有很好的補(bǔ)償效果，保證了化工制冷壓縮機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

圖5 化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)信號(hào)在補(bǔ)償之后的波形圖

3 結(jié)束語

筆者提出了新型化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)的非線性補(bǔ)償方法研究，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該補(bǔ)償方法的可行性，實(shí)現(xiàn)了化工制冷壓縮機(jī)異常振動(dòng)的非線性補(bǔ)償。 但是在高溫的工作環(huán)境下可能會(huì)增加化工制冷壓縮機(jī)運(yùn)行負(fù)載， 出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)加大的情況下還是會(huì)降低制冷壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，因此，該研究仍然存在一定缺陷。 在今后的研究中，還需要考慮到工作環(huán)境，以排除環(huán)境因素對(duì)化工制冷壓縮機(jī)振動(dòng)補(bǔ)償效果的影響。