CN111927752B - 一种隔膜压缩机故障诊断仪 - Google Patents

Abstract

本申请属于压缩机技术领域，特别是涉及一种隔膜压缩机故障诊断仪。现有的压缩机故障监测装置并不能对其进行全面监测，不能及时获取隔膜压缩机的运行参数对其进行健康监测与故障诊断。本申请提供了一种隔膜压缩机故障诊断仪，包括依次连接的故障监测模块、信号采集模块、数据处理模块、显示交互模块和电源模块，所述故障监测模块与所述电源模块连接，所述信号采集模块与所述电源模块连接，所述数据处理模块与所述电源模块连接，所述显示交互模块与所述电源模块连接。实现隔膜压缩机运行状态监测及故障诊断。

Description

一种隔膜压缩机故障诊断仪

技术领域

本申请属于压缩机技术领域，特别是涉及一种隔膜压缩机故障诊断仪。

背景技术

隔膜式压缩机是一种压缩腔不存在泄漏的气体压缩专用设备。由于其所能提供的密封性能好、压力范围广、压缩比较大，因此被广泛应用于加氢站、石油化工领域中压缩输送各种高纯气体、贵重稀有气体、有毒有害气体和腐蚀性气体。膜片是隔膜压缩机的核心部件，活塞推动气缸油腔中的工作油液，进而推动膜片在膜腔中做往复运动，以改变气腔的工作容积，在吸、排气阀的配合下实现无泄漏的周期性工作过程。高压压缩隔膜压缩机中，膜片既充当液压油与被压缩气之间的隔离体，更是二者多物理场耦合的媒介，液压油与气体之间的运动同步、动量及能量传递、热量传导等都依赖于膜片。

可靠性和安全性问题一直是隔膜压缩机应用中的关键，设备运转中一旦发生零部件故障，整个工艺流程必然受到影响，关键零部件故障甚至会导致整个生产的瘫痪，给企业造成巨大的经济损失，甚至会造成人员伤亡。同时，维修成本占生产成本比例不断增大也是现代机械设备的一个突出问题。由于隔膜压缩机易损件较多，如金属膜片、缸盖、活塞杆、气阀等，隔膜压缩机经常发生故障进而导致非计划停机。据统计，在加氢站运行过程中，压缩机造成的停机时长排在第一位，维修时间占各站维修时间的30％。系统的故障诊断技术是保障重大设备可靠运行的重要技术支撑，攻克隔膜压缩机健康监测与故障诊断关键技术，是实现加氢站压缩机安全高效运行的重要保障。

隔膜压缩机的故障根据特征大致可分为两大类：一类是带有流体性质的，属于机器的热力性能故障，其主要表征是排气量不足，压力、温度异常，为热力故障模式；另一类是带有机械性质的，属于机器动力故障模式。现有的压缩机故障监测装置并不能对其进行全面监测，不能及时获取隔膜压缩机的运行参数对其进行健康监测与故障诊断。

发明内容

1.要解决的技术问题

基于现有的隔膜压缩机故障监测装置并不能对其进行全面监测，不能及时获取隔膜压缩机的运行参数对其进行健康监测与故障诊断的问题，本申请提供了一种隔膜压缩机故障诊断仪。

2.技术方案

为了达到上述的目的，本申请提供了一种隔膜压缩机故障诊断仪，包括依次连接的故障监测模块、信号采集模块、数据处理模块、显示交互模块和电源模块，所述故障监测模块与所述电源模块连接，所述信号采集模块与所述电源模块连接，所述数据处理模块与所述电源模块连接，所述显示交互模块与所述电源模块连接。

本申请提供的另一种实施方式为：所述故障监测模块包括光电传感器、振动传感器、声发射传感器、热电偶、应变片电路、压力传感器和位移传感器；

所述光电传感器，用于监测飞轮的转动来获得活塞的位置；

所述振动传感器，用于监测诊断吸/排气阀故障、活塞环磨损、活塞杆导向环磨损、溢油阀卡滞、连杆螺栓及十字头螺栓松动、各运动连接件的松动、轴瓦运动摩擦副的配合间隙等动力性故障；

所述声发射传感器，用于监测诊断吸/排气阀故障、活塞环磨损、活塞杆导向环磨损、溢油阀卡滞、连杆螺栓及十字头螺栓松动、各运动连接件的松动、轴瓦运动摩擦副的配合间隙等动力性故障；

所述热电偶，用于监测温度信号；

所述应变片电路，用于获得活塞杆、缸盖表面的应变变化，进而通过计算获得缸内油压变化；

所述压力传感器，用于测量隔膜压缩机的动态油压；

所述位移传感器，用于监测活塞杆竖直沉降和水平偏摆。

本申请提供的另一种实施方式为：所述应变片电路包括相互连接的应变片和桥式电路。

本申请提供的另一种实施方式为：所述振动传感器设置于气阀、机架上对应填料函/十字头/曲轴箱上；所述声发射传感器设置于气阀、机架上对应填料函/十字头/曲轴箱上。

本申请提供的另一种实施方式为：所述振动传感器通过螺钉、粘胶或者磁性设置于气阀、机架上对应填料函/十字头/曲轴箱上，所述声发射传感器通过螺钉、粘胶或者磁性设置于气阀、机架上对应填料函/十字头/曲轴箱上。

本申请提供的另一种实施方式为：还包括外壳，所述信号采集模块、所述数据处理模块和所述电源模块设置于所述外壳内，所述显示交互模块设置于所述外壳表面。

本申请提供的另一种实施方式为：所述显示交互模块包括时域信号显示子模块、综合信号查看子模块、频域信号显示子模块、时-频域数据显示子模块和特征数据显示子模块。

本申请提供的另一种实施方式为：所述信号采集模块包括信号滤波、放大子模块，信号调理子模块和A/D转换子模块。

本申请提供的另一种实施方式为：所述数据处理模块包括数据存储子模块、数据采集子模块、信号采样子模块和信号显示子模块。

本申请提供的另一种实施方式为：所述故障诊断仪用于对键相信号、振动与声发射、压力、位移和温度进行监测。

3.有益效果

与现有技术相比，本申请提供的隔膜压缩机故障诊断仪的有益效果在于：

本申请提供的隔膜压缩机故障诊断仪，为一种隔膜压缩机故障诊断仪，实现隔膜压缩机运行状态监测及故障诊断。

本申请提供的隔膜压缩机故障诊断仪，通过传感器和数据采集模块实现隔膜压缩机动态信号的实时采样和处理，可读取隔膜压缩机运行过程中的状态数据，并通过显示屏显示实时运行信号和故障信息，帮助使用者判断隔膜压缩机故障发生的部位和原因，可有效评价隔膜压缩机及其核心部件的服役状态，提高隔膜压缩机运行的可靠性、可维护性和安全性，增强维修方案决策能力、缩短企业的非计划停机时长并提高维修效率。

附图说明

图1是本申请的隔膜压缩机故障诊断仪结构示意图；

图2是本申请的隔膜压缩机故障诊断仪整机结构示意图；

图3是本申请的故障诊断仪界面示意图；

图中：1-故障监测模块、2-信号采集模块、3-数据处理模块、4-显示交互模块、5-电源模块、6-外壳。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

膜片监测：在常规工作条件、被压缩气体的洁净度较高的情况下，金属膜片的使用寿命约为3000至5000小时。在连续运行(24小时)时达到较大的寿命，在间歇运行时达到较低的寿命。膜片的运动状态和寿命直接影响隔膜压缩机的工作效率和服役寿命，膜片易破损、寿命短是全球隔膜压缩机的应用场景中普遍遇到的难题。应变是诊断隔膜压缩机膜片故障最有效的工具，对隔膜压缩机膜片的应力进行动态监测是提高压缩机运行的可靠性、安全性的最直接的方法，保障设备的运行状态监测也是隔膜压缩机设计者和使用者的强烈需求。

油/气压差监测：隔膜压缩机的油/气压变化是压缩机工作性能和运行状态的综合反映，通过隔膜压缩机工作过程的油/气压差关系曲线可以反映出活塞位置、吸气过程时间、吸气阀开启和关闭的动作、排气阀开启和关闭的动作、排气过程时间、溢油阀动作和补油过程，因此油/气压差曲线是诊断隔膜压缩机压缩机故障最有效的工具，对隔膜压缩机油/气压差进行动态监测是提高设备运行的可靠性、安全性的有效方法，保障设备的运行状态监测也是隔膜压缩机设计者和使用者的强烈需求。

动部件监测：

在每个工作循环中，由于活塞环处存在泄漏以及一部分液压油会通过溢油阀排出，油缸内的油量会减少，为了补偿损失的液压油必须利用柱塞泵在工作循环中某一时刻向油缸内补油。在实际工作过程中，如果补油系统故障，油量未得到补偿，则膜片组件将不能充分接触气压缸头，相当于引入余隙容积，这将会导致压缩机的容积效率的下降，极大的影响压缩机的性能。并且，油缸内油量不足时，在活塞到达下止点时刻膜片会在进气压力的作用下超过原设计变形量进而紧贴限制膜片位移的支板，此时膜片在环槽处会产生附加变形，因而在膜片上会产生明显的压痕进而导致膜片破裂故障，严重影响膜片寿命。因此，对隔膜压缩机的补油、溢油过程以及吸气排气过程进行必要状态监测，判断补油单向阀以及溢油阀是否正常工作，判断吸气排气过程是否正常进行，是提高设备运行的可靠性、安全性的有效方法，把故障损失降低到最低水平也是设计者和使用者的需求。

参见图1～3，本申请提供一种隔膜压缩机故障诊断仪，包括依次连接的故障监测模块1、信号采集模块2、数据处理模块3、显示交互模块4和电源模块5，所述故障监测模块1与所述电源模块5连接，所述信号采集模块2与所述电源模块5连接，所述数据处理模块3与所述电源模块5连接，所述显示交互模块4与所述电源模块5连接。

故障监测模块1输出的模拟信号经过信号采集模块2转换成最终所需要的数字信号存储到数据处理模块3中供后续分析和处理。其中，数据处理模块3除了存储数据外，还要运行数据采集程序，控制信号采样及显示，如设置采样频率和样本保存长度等参数。信号采集模块2实现信号滤波、放大，调理及A/D转换这一系列功能。最终在交互显示屏上显示测试数据。

进一步地，所述故障监测模块1包括光电传感器、振动传感器、声发射传感器、热电偶、应变片电路、压力传感器和位移传感器。

光电传感器：

为了将测得气缸内压力、杆载荷、声发射等信号压缩周期结合，得到信号随曲轴转角的变化规律，就需要找到压缩机运行循环周期的开始位置，即为上止点。但是在试验台和工业现场的实际测试场景下，活塞在气缸内往复运动，其位置不易获得，所以本申请通过光电传感器监测飞轮的转动来获得活塞的位置。

通过测量止点信号判断压缩机工作循环。信号测量装置是将TDC信号传感器(光电传感器)安装在与飞轮相对的铁架上。在飞轮上固定一个凸起的特定标记，当活塞运行到上止点处，光电传感器监测到传感器与特定标记处的距离发生变化，传感器输出信号由低电平转换为高电平，产生10V的脉冲信号，该信号表征活塞到达上止点的位置。同步采集其他信号，通过计算机程序控制截取两止点信号间的其他信号对一个循环周期的信号进行。

振动和声发射传感器：振动和声发射传感器用于监测诊断吸/排气阀故障、活塞环磨损、活塞杆导向环磨损、溢油阀卡滞、连杆螺栓及十字头螺栓松动、各运动连接件的松动、轴瓦运动摩擦副的配合间隙等动力性故障，振动和声发射传感器安装在气阀、机架上对应填料函/十字头/曲轴箱等位置，通过螺钉安装、粘胶安装或磁性安装3种安装传感器的方法。

方法1：利用曲面磁座的磁性安装；用于便携式采集场景，将强磁磁座吸附到被测机组的外壳表面，磁座与振动传感器通络螺纹连接。

方法2：粘胶安装；在衬垫的安装表面涂一层较厚的黏合剂(环氧树脂)，将衬垫安装到被监测机组的表面，按住不动30s直到黏合剂开始生效，待到黏合剂干固后，将振动传感器通过衬垫上的螺柱固定在衬垫上。

方法3：柱头螺栓安装；传感器通过在结构中攻丝一个孔(在结构中直接钻一个螺纹孔)并用螺纹螺柱连接传感器来直接安装

热电偶：热电偶用于监测温度信号，对于隔膜压缩机，主要监测进/排气温度、冷却水进/出口温度、级间冷却器进出口温度等信号。热电偶的测量端安装在气阀阀盖、冷却水管道、级间冷却器进出口管路处。

应变片电路：当活塞杆、膜片、缸盖受到力时，材料内部会产生与施加的力相对应的应力。为了获得部件的内应力，用应变片测量其侧表面上因为受力引发的微小伸长或收缩，将测量的应变乘以杨氏模量以获得应力。应变传感器应布置在结构受力较大的位置和方向，有利于增加信号测试的强度以便更精确的显示应变变化规律，本申请中，将应变片贴在活塞杆、缸盖处，将应变片的电阻变化转换为电桥输出电压变化，进而获得活塞杆、缸盖表面的应变变化，进而通过计算获得缸内油压变化。

压力传感器：压力传感器用于测量隔膜压缩机的动态油压，隔膜压缩机的动态是压缩机工作性能和运行状态的综合反映，通过隔膜压缩机工作过程的油压曲线可以反映出活塞位置、吸气过程时间、吸气阀开启和关闭的动作、排气阀开启和关闭的动作、排气过程时间，因此气压是诊断隔膜压缩机压缩机故障最有效的工具之一，对隔膜压缩机油压进行动态监测是提高设备运行的可靠性、安全性的有效方法，保障设备的运行状态监测也是隔膜压缩机设计者和使用者的强烈需求。压力传感器安装方法：将已打好传感器安装孔的堵头替换缸头上原有堵头，然后将压力传感器安装到堵头中，最后用连接线将传感器连接至诊断仪的信号采集模块接口。

位移传感器：采用一对安装在填料函端部互为90°的电涡流传感器监测活塞杆竖直沉降和水平偏摆。

进一步地，所述应变片电路包括相互连接的应变片和桥式电路。

进一步地，所述振动传感器设置于气阀、机架上对应填料函/十字头/曲轴箱上；所述声发射传感器设置于气阀、机架上对应填料函/十字头/曲轴箱上。

进一步地，所述振动传感器通过螺钉、粘胶或者磁性设置于气阀、机架上对应填料函/十字头/曲轴箱上，所述声发射传感器通过螺钉、粘胶或者磁性设置于气阀、机架上对应填料函/十字头/曲轴箱上。

进一步地，还包括外壳6，所述信号采集模块2、所述数据处理模块3和所述电源模块5设置于所述外壳6内，所述显示交互模块4设置于所述外壳6表面。

进一步地，所述显示交互模块4包括时域信号显示子模块、综合信号查看子模块、频域信号显示子模块、时-频域数据显示子模块和特征数据显示子模块。用户可通过触摸屏选择其想查看的数据及诊断结果，本申请在交互界面上提供时域、频域、时-频域数据显示以及特征数据

进一步地，所述信号采集模块2包括信号滤波、放大子模块，信号调理子模块和A/D转换子模块。

进一步地，所述数据处理模块3包括数据存储子模块、数据采集子模块、信号采样子模块和信号显示子模块。

进一步地，所述故障诊断仪用于对键相信号、振动与声发射、压力、位移和温度进行监测。

监测内容

(1)键相信号

为了将应变、压力、声发射信号与压缩机工作过程相结合分析，得到信号随曲轴转角的变化，即需要找到压缩机工作周期的起点，相邻两个止点信号之间信号就是压缩机一个工作周期的信号。

(2)振动监测与声发射监测

诊断吸、排气阀损坏，活塞环磨损，活塞杆导向环磨损，溢油阀卡滞，连杆螺栓及十字头螺栓松动、各运动连接件的松动、轴瓦运动摩擦副的配合间隙等动力性故障，振动和声发射监测是较为有效的诊断方式。在时频域分析的基础上声发射信号可诊断气阀泄漏、阀片断裂、延迟关闭、颤振、松动等故障。

(3)压力监测

在压力允许的情况下用压力传感器监测油压，当现场不具备安装压力传感器条件时，采用测量活塞杆应变或缸头应变的方式间接监测油压，并监测吸气、排气压力。绘制出油压变化过程曲线和示功图，根据不同油压曲线形状分析“油、气压”伴随关系，膜片运行状态、气阀泄漏、活塞环磨损等故障，分析压缩机指示功率及容积效率。

(4)位移监测

通过监测活塞杆下沉量，了解活塞环、填料函、十字头滑块磨损状况的同时，间接了解活塞组件的运行状况。但位移监测方法是诊断活塞组件的辅助手段，对磨损诊断有一定效果，是一种辅助手段。

(5)温度监测

通过监测气阀温度可诊断气阀泄漏故障，各级进排气压力是宏观上判断压缩机运行状态的重要基础，也是决定是否需要内部进一步诊断的基础。

随着自动化和集成度水平日渐升高，各流程之间的关系更为紧密，若一个步骤出现故障，则会破坏整个动设备的常规服役节奏，所以对压缩机的核心部件进行状态监测和故障诊断维护是保证其运行可靠地必经之路。

故障诊断

(1)气阀故障

在气阀阀盖处通过磁吸附，安装声发射传感器，声发射传信号用于监测泄漏、阀片破损异常撞击等故障，连续型声发射信号幅值上升可指示气阀泄漏故障，高频段声发射信号成分增加可指示阀片破损故障，冲击型声发射信号发生的时刻异常指示异常撞击故障；用温度传感器测量每个阀罩处的温度，通过温度异常，监测气阀泄漏故障。监测吸排气阀管道压力，监测气阀阀片颤振故障。

(2)气缸(内)故障

通过油压变化(低压隔膜压缩机可考虑用压力传感器测量油压，高压考虑用应变推算油压)诊断活塞环支撑环磨损故障，利用声发射信号获取膜片运动状态信息，同时监测缸头裂纹生成。

(3)溢油阀故障

在溢油阀上通过磁吸附，安装声发射传感器，监测溢油阀工作信号，进而对溢油阀卡滞(不工作)，通径不匹配(油压曲线异常)进行诊断。

(4)机械部件内部故障

在十字头表面安装振动传感器、声发射传感器、温度传感器，振动信号和声发射信号撞击事件用于识别锁紧螺母松动、轴瓦磨损松动；监测十字头温度，诊断十字头销磨损(温度上升)；在活塞杆和连杆表面粘贴应变片，监测活塞杆应变、连杆应变，获得活塞杆负载和连杆负载，应变信号突变和异常指示裂纹和异常撞击故障；采用一对安装在填料函端部互为90°的电涡流传感器监测活塞杆位移(竖直沉降和水平偏摆)，诊断活塞杆下沉及下沉可能导致的活塞杆断裂(裂纹产生)故障。

隔膜压缩机监测诊断模块项目表

尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (9)

1.一种隔膜压缩机故障诊断仪，其特征在于：包括依次连接的故障监测模块、信号采集模块、数据处理模块、显示交互模块和电源模块，所述故障监测模块与所述电源模块连接，所述信号采集模块与所述电源模块连接，所述数据处理模块与所述电源模块连接，所述显示交互模块与所述电源模块连接；

所述故障诊断仪用于测量活塞位置；动态油压；气阀状态及气阀泄漏、阀片断裂、阀片颤振故障；溢油阀卡滞；轴瓦运动摩擦副的配合间隙动力性故障；活塞杆负载及活塞杆沉降和偏摆；十字头螺栓松动故障；活塞环磨损故障；膜片运行状态；缸头裂纹；在内的隔膜压缩机9种核心部件的服役状态和故障进行诊断；

所述故障监测模块包括光电传感器；压力传感器；声发射传感器；振动传感器；热电偶；应变片电路；位移传感器在内的7种传感器用于监测所述故障的特征信号；所述故障监测模块输出的模拟信号经过所述信号采集模块转换成数字信号，所述数字信号存储到所述数据处理模块中，所述数据处理模块运行数据采集程序，驱动信号采集模块控制信号采集，所述显示交互模块显示测试数据、供使用者查看诊断结果导出数据；

所述光电传感器，用于监测飞轮的转动来获得活塞的位置；

所述振动传感器，用于监测诊断吸/排气阀故障、活塞环磨损、活塞杆导向环磨损、溢油阀卡滞、连杆螺栓及十字头螺栓松动、各运动连接件的松动、轴瓦运动摩擦副的配合间隙的动力性故障；

所述声发射传感器，用于监测诊断吸/排气阀故障、活塞环磨损、活塞杆导向环磨损、溢油阀卡滞、连杆螺栓及十字头螺栓松动、各运动连接件的松动、轴瓦运动摩擦副的配合间隙的动力性故障；

所述热电偶，用于监测温度信号；

所述应变片电路，用于获得活塞杆、缸盖表面的应变变化，进而通过计算获得缸内油压变化；

所述压力传感器，用于测量隔膜压缩机的动态油压；

所述位移传感器，用于监测活塞杆竖直沉降和水平偏摆。

2.如权利要求1所述的隔膜压缩机故障诊断仪，其特征在于：所述应变片电路包括相互连接的应变片和桥式电路。

3.如权利要求1所述的隔膜压缩机故障诊断仪，其特征在于：所述振动传感器设置于气阀、机架上对应填料函/十字头/曲轴箱上；所述声发射传感器设置于气阀、机架上对应填料函/十字头/曲轴箱上。

4.如权利要求1所述的隔膜压缩机故障诊断仪，其特征在于：所述振动传感器通过螺钉、粘胶或者磁性设置于气阀、机架上对应填料函/十字头/曲轴箱上，所述声发射传感器通过螺钉、粘胶或者磁性设置于气阀、机架上对应填料函/十字头/曲轴箱上。

5.如权利要求1～4中任一项所述的隔膜压缩机故障诊断仪，其特征在于：还包括外壳，所述信号采集模块、所述数据处理模块和所述电源模块设置于所述外壳内，所述显示交互模块设置于所述外壳表面。

6.如权利要求5所述的隔膜压缩机故障诊断仪，其特征在于：所述显示交互模块包括时域信号显示子模块、综合信号查看子模块、频域信号显示子模块、时-频域数据显示子模块和特征数据显示子模块。

7.如权利要求5所述的隔膜压缩机故障诊断仪，其特征在于：所述信号采集模块包括信号滤波、放大子模块，信号调理子模块和A/D转换子模块。

8.如权利要求5所述的隔膜压缩机故障诊断仪，其特征在于：所述数据处理模块包括数据存储子模块、数据采集子模块、信号采样子模块和信号显示子模块。

9.如权利要求5所述的隔膜压缩机故障诊断仪，其特征在于：所述故障诊断仪用于对键相信号、振动与声发射、压力、位移和温度进行监测。

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