往复式压缩机的故障机理及早期预警技术研究

【摘要】设备状态监测与故障诊断技术的发展正在把过程工业中传统的事后维修和定期计划维修技术逐步改变为预知维修和智能维护技术。而设备故障早期预警技术、故障特征提取技术以及远程监测与诊断系统是实现这一技术转变的关键。往复式压缩机是各种过程工业生产流程中一类输送气态物料的重要设备,其运转状况往往是整个生产流程运转的控制因素。气阀故障是往复式压缩机中最常见故障,占所有故障60%以上。气阀出现故障后会导致压缩效率降低、甚至停产,而由于往复式压缩机结构复杂,内部振动冲击源多,造成气阀故障信号提取困难,在过去一直很难实现气阀故障的早期预警。另一个严重的往复式压缩机故障是活塞杆断裂。这种故障可能引起重大机械事故,严重的会导致爆炸和人员伤亡。目前活塞杆断裂事故只能进行事后分析,没有方法避免活塞杆断裂事故发生。远程监测与诊断系统是实施状态监测与诊断的平台,目前这类系统在通用性、扩充性以及实时性等方面还存在不少问题,不能实现对企业中常见旋转机械、往复机械等不同类型设备使用一套平台进行远程监测与诊断,并且升级更新不方便。本论文以气阀故障和活塞杆断裂故障为研究对象来研究往复式压缩机的故障机理及早期预警技术,并研究了远程监测与诊断系统。本论文主要进行了三方面工作,现概括如下：1)研究了气阀故障的早期预警及不同故障的特征提取技术对往复式压缩机各种受力进行分析,发现往复式压缩机受力特点；通过对气阀吸排气过程进行热力学和动力学分析,建立气阀运动规律数学模型,实现气阀故障的模拟和机理的分析。针对气阀故障早期的振动信号特点,研究了提升小波变换、小波变换降噪原理和最大似然估计法,提出了根据信号特征的自适应构造小波基方法以及根据被提取信号先验分布知识来决定小波降噪阈值准则的方法,结合两种方法提取气阀故障早期的特征,并通过仿真数据和实测数据进行验证,很好地实现了气阀故障的早期预警。根据气阀振动信号具有调制的特点,讨论了能量算子包络解调技术,对比了该方法和常用的Hilbert变换包络解调技术,发现无论从计算速度和包络精度方面,能量算子包络解调技术都优于Hilbert变换,尤其是对具有冲击特征信号的包络精度。针对包络解调分析前需要人为确定载波带进行带通滤波问题,提出了基于小波包变换和能量算子相结合包络解调分析方法,并且通过仿真数据分析,验证了该方法的优势,将其用于气阀不同故障的特征提取,取得了很好效果。2)研究了活塞杆断裂事故的早期预警技术分析活塞杆受力规律,并对活塞杆从裂纹产生、疲劳扩展到活塞杆断裂进行断裂力学分析,提出有可能从检测活塞杆有无裂纹角度,实现活塞杆断裂事故的早期预警。介绍了声发射技术及其常用信号分析方法,讨论了声发射技术与裂纹疲劳扩展的关系。借助于多功能疲劳试验机的拉-压试验功能,模拟活塞杆的受力工况,研究了活塞杆试件裂纹疲劳扩展过程的声发射信号与应力、应变关系,发现通过声发射计数对活塞杆裂纹扩展程度进行评价和疲劳寿命预测是可行的；对有裂纹和无裂纹活塞杆试件的声发射信号进行分析,发现利用声发射技术实现活塞杆断裂事故早期预警在原则上是可行的；讨论了声发射不同参数对有无裂纹的敏感程度,提出了采用声发射信号的幅度作为判断活塞杆有无裂纹的特征指标；讨论了声发射活塞杆裂纹检测在实际应用中可能面临的问题和安装方式,通过试验研究这些问题造成的影响及解决方法,并设计了声发射传感器安装方式。3)研究了基于中间件技术的分布式远程监测与诊断系统针对目前远程监测与诊断系统存在的问题,讨论了中间件技术和不同网络体系结构的优缺点,提出了采用三层网络体系结构、以中间件技术为核心的分布式远程监测与诊断系统架构,以及实现该系统的技术。分析了往复式压缩机各种故障以及监测与诊断的特点,结合旋转机械故障监测与诊断的特点,提出了该系统应具备各种的功能,并开发了该系统。该系统已经应用到国内几家石化企业。最后对本论文研究内容进行总结,提出了进一步的研究方向。
【作者】马波；
【导师】高金吉；
【作者基本信息】北京化工大学，化工过程机械，2006，博士
【关键词】往复式压缩机；气阀故障；活塞杆断裂；早期预警；声发射；特征提取；中间件技术；远程监测与诊断；

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