CN111980907A - 一种往复式压缩机示功图的绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种往复式压缩机示功图的绘制方法，包括：S1、确定标准示功图，定义和获取各项参数；S2、测量往复式压缩机稳定运行多个完整周期的全部压力信号数据，计算得到压缩机在每个完整周期内的数据点数均值；S3、在压力信号数据中随机取多个连续的数据点，得到压缩机在一个完整周期内的压力信号数据；S4、创建一个等差序列，将压力信号数据中第一个数据点对应的曲柄转角遍历设为序列中的数值，得到多张推测示功图、分别计算其与标准示功图间的相似性分数；S5、寻找相似性分数最高的一张推测示功图、将其作为实际示功图。本发明仅利用一个传感器即可完成示功图的绘制，不但降低了企业的监测成本，而且提高了最终结果的准确性。

Description

一种往复式压缩机示功图的绘制方法

技术领域

本发明为一种示功图的绘制方法，具体涉及一种利用单传感器数据、针对往复式压缩机的示功图的绘制方法，属于机械设备故障诊断领域。

背景技术

常见的往复式压缩机系统在工作时会经历四个过程，结合如图1所示的往复式压缩机的局部结构示意图进行说明。

当活塞自右向左运动时，气缸内气体体积减小、压力增大，这一过程即为压缩机的“压缩”过程；当气体压力增大到一定程度时，排气阀打开，活塞继续向左运动，气体持续排出，直至活塞运动到外止点位置(即图示气缸最左侧)，这一过程即为压缩机的“排气”过程；随后，活塞从外止点位置向右移动，由于在外止点位置时气缸中存在余隙容积，余隙容积内的气体仍然具有较大的压力，在活塞刚离开外止点位置时吸气阀达不到设定的压力差无法立即打开，余隙容积内的气体体积随着活塞向右移动不断增大、气缸内压力不断减小，这一过程即为压缩机的“膨胀”过程；最后，活塞继续向右移动，吸气阀达到所需要的压力差开始吸气，直至活塞移动内止点位置(即图示气缸最右侧)完成吸气，这一过程即为压缩机的“吸气”过程。总体而言，往复式压缩机系统的整体工作过程就是上述压缩、排气、膨胀以及吸气这四个过程的周而复始。

由于在上述四个过程中气缸内的压力和气体体积始终处于不断变化的状态，为了实现对于上述过程的全面监控，目前业内主流的操作方式需要借助示功图实现。在此项技术中，示功图是指在往复式压缩机的一个循环中，气缸内气体动态压力随气缸内容积/活塞位移的改变而变化所形成的封闭曲线，曲线所包围的面积可理解为压缩机所做的/所消耗的功。典型的往复式压缩机的示功图如图2所示。可以说，对于示功图的监测和分析是往复式压缩机状态监测与故障预警的重要手段，通过示功图可以更灵敏、更及时地对气阀泄露等可能造成爆炸事故的严重故障进行预警和排查。

现有技术中对于往复式压缩机的示功图的绘制通常采用同步采集的方式完成，即利用动态压力传感器测量动态压力，同时利用光电传感器(或键相传感器等能产生周期脉冲信号的任何传感器、如旋转编码器)测量飞轮转过的角度。在进行信号采集操作前需要拆卸压缩机的部分零部件，确定活塞的止点位置，然后在飞轮轮缘某一相应位置贴上一条状铝箔纸。机器运转后，随着飞轮转动利用铝箔纸强烈的反光性能，光电传感器便可以周期性的产生脉冲信号，每次产生脉冲信号时就意味着活塞到达止点位置，这是后续进行P-T图与P-S图、P-V图转换的基准。同步采集的动态压力信号和脉冲信号如图3所示，通过图3可以看出，每一次活塞离开内止点时就会同时产生一个脉冲信号。因此，相邻的两个脉冲信号之间对应的动态压力数据便是一个周期内的压力数据，此时假设曲轴是等角速度旋转的，便可以计算出每一刻压力数据所对应的活塞位移数据，进而能计算出对应的气缸内的体积数据。

但是通过上述操作描述可以得知，现有技术在实际的应用过程中缺点十分显著。首先，由于现有技术在信号采集前需要拆卸压缩机的部分零部件、以确定活塞的止点位置，因此如果所需要监测的压缩机数量较大，那么仅这部分工作会造成巨大的人力物力消耗。其次，确定好活塞的止点位置后，在进行飞轮相应位置的标记时可能存在误差，影响最终结果的准确性。最后，由于现有技术的示功图绘制和监测需要借助两个传感器来完成，技术实现成本较高；而且，两个传感器在配合工作时耦合性要求较高，在压缩机长时间的运行状态下，任一传感器都可能会出现意料之外的问题，影响整个技术方案的实现。

综上所述，如何基于上述研究现状，提出一种全新的、仅利用单传感器数据的、往复式压缩机的示功图的绘制方法，以克服现有技术中所存在的不足，也就成为了本领域内技术人员所共同关注的问题。

发明内容

鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明的目的是提出一种利用单传感器数据、针对往复式压缩机的示功图的绘制方法，具体如下。

一种往复式压缩机示功图的绘制方法，包括如下步骤：

S1、获取并选择任意的往复式压缩机正常工作时的示功图、作为标准示功图，定义和获取所需要监测的往复式压缩机的各项参数；

S2、利用动态压力传感器测量得到待测的往复式压缩机稳定运行多个完整工作周期的全部压力信号数据，依据完整工作周期的个数及全部压力信号数据的总点数计算得到所述往复式压缩机在每个完整工作周期内的数据点数均值；

S3、在所得到的全部压力信号数据中随机取多个连续的数据点、数量与所述数据点数均值数量相同，得到所述往复式压缩机在一个完整工作周期内的压力信号数据；

S4、创建一个等差的曲柄转角序列，将所述往复式压缩机在一个完整工作周期内的压力信号数据中第一个数据点对应的曲柄转角分别设定为所述曲柄转角序列中的数值，得到不同情况所对应的推测示功图，分别计算并记录每张所述推测示功图与所述标准示功图间的相似性分数；

S5、寻找相似性分数最高的一张推测示功图，将该张所述推测示功图作为所述往复式压缩机的实际示功图。

优选地，S1中所述定义和获取所需要监测的往复式压缩机的各项参数，包括如下步骤：

设所述往复式压缩机的活塞运动到外止点时的曲柄转角β为0°，所述往复式压缩机的活塞运动到内止点时的曲柄转角β为180°，0≤β＜360；

将所述往复式压缩机的曲柄半径记为r，所述往复式压缩机的连杆长度记为l，则所述往复式压缩机的径长比λ＝r/l。

优选地，S2包括如下步骤：

待所述往复式压缩机运行至稳态，利用所述压力传感器测量得到所述往复式压缩机运行m个完整工作周期的全部压力信号数据，记全部压力信号数据的总点数为L，则所述往复式压缩机在每个完整工作周期内的数据点数均值N＝L/m。

优选地，S3包括如下步骤：

在所得到的全部压力信号数据中随机取N个连续的数据点，得到所述往复式压缩机在一个完整工作周期内的压力信号数据。

优选地，S4包括如下步骤：

S41、在[0，360)的区间内创建一个包含有s个元素的等差数列、将其作为所述曲柄转角序列；

S42、将所述往复式压缩机在一个完整工作周期内的压力信号数据中第一个数据点对应的曲柄转角α设定为所述曲柄转角序列中的一个数值；

S43、计算出该情况下所述压力信号数据中其余个数据点对应的曲柄转角；再分别计算得到所述压力信号数据中各数据点对应的位移值d，计算公式为

S44、依据各数据点对应的位移值，绘制该情况所对应的推测示功图，利用图像分析软件计算并记录该张所述推测示功图与所述标准示功图间的相似性分数score；

S45、将所述往复式压缩机在一个完整工作周期内的压力信号数据中第一个数据点对应的曲柄转角α更新设定为所述曲柄转角序列中的一个数值，随后跳转返回S43并按序执行流程，直至所述压力信号数据中第一个数据点对应的曲柄转角α遍历完所述曲柄转角序列中的每一个数值。

优选地，S5包括如下步骤：

寻找到相似性分数score最高的一张所述推测示功图，将该张所述推测示功图作为所述往复式压缩机的实际示功图并输出结果。

与现有技术相比，本发明的优点主要体现在以下几个方面：

本发明所述的一种往复式压缩机示功图的绘制方法，通过对往复式压缩机曲柄转角相位的识别，仅利用一个压力传感器，即可完成对往复式压缩机示功图的绘制。整个方案实现过程无需再布置额外的传感器进行辅助，不但免去了大量人力物力的消耗，降低了企业的监测成本，而且也显著地提高了最终的示功图绘制结果的准确性，保证了方案的技术效果。

此外，本发明的方法流程清晰、可重复性强，具有一定的普适性特征，应用前景广阔并具有极高的使用价值。使用者还可以根据自身实际的应用需要对其中的部分操作进行调整，进而将本发明的方法应用于各种设备示功图的绘制操作中，从而进一步拓宽本发明的适用范围。

附图说明

图1为往复式压缩机的局部结构示意图；

图2为典型的示功图(P-V图)；

图3为同步采集的动态压力信号和脉冲信号示意图；

图4为本发明方法的流程示意图；

图5为本发明一具体操作实例中一个完整工作周期内的压力信号数据图；

图6为本发明一具体操作实例的实际示功图。

具体实施方式

本发明揭示了一种利用单传感器数据、针对往复式压缩机的示功图的绘制方法。本发明的思路是利用动态压力传感器测得往复式压缩机在多个工作周期内的压力数据，然后识别、计算出平均每个工作周期所包含的压力数据的点数N，再随机取所测得压力数据的连续N点作为一个周期的压力数据用来绘制示功图(压力位移图)。本发明的主要操作是识别出该周期内各点压力数据所对应的曲柄转角，从而计算出活塞位移值，即可完成对示功图的绘制。

具体方案如图4所示，以下便结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

一种往复式压缩机示功图的绘制方法，包括如下步骤：

S1、获取并选择任意的往复式压缩机正常工作时的示功图、作为标准示功图，定义和获取所需要监测的往复式压缩机的各项参数。

此处操作直接在互联网上就可以轻易获取往复式压缩机标准的示功图，且所有型号的往复式压缩机的标准示功图可以说是一样的。

进一步而言，此处所述定义和获取所需要监测的往复式压缩机的各项参数，包括如下步骤：

设所述往复式压缩机的活塞运动到外止点时的曲柄转角β为0°，所述往复式压缩机的活塞运动到内止点时的曲柄转角β为180°，0≤β＜360；

将所述往复式压缩机的曲柄半径记为r，所述往复式压缩机的连杆长度记为l，则所述往复式压缩机的径长比λ＝r/l。

S2、利用动态压力传感器测量得到待测的往复式压缩机稳定运行多个完整工作周期的全部压力信号数据，依据完整工作周期的个数及全部压力信号数据的总点数计算得到所述往复式压缩机在每个完整工作周期内的数据点数均值。

进一步而言，S2可以细化为，待所述往复式压缩机运行至稳态，利用所述压力传感器测量得到所述往复式压缩机运行m个完整工作周期的全部压力信号数据，记全部压力信号数据的总点数为L，则所述往复式压缩机在每个完整工作周期内的数据点数均值N＝L/m。

此处需要说明的是，为了保证数据的完整性和全面性，在进行数据采集时，m的取值应当尽可能的大。

S3、在所得到的全部压力信号数据中随机取多个连续的数据点、数量与所述数据点数均值数量相同，在本方案中，连续的数据点的数量为N，得到所述往复式压缩机在一个完整工作周期内的压力信号数据。

S4、创建一个等差的曲柄转角序列，将所述往复式压缩机在一个完整工作周期内的压力信号数据中第一个数据点对应的曲柄转角分别设定为所述曲柄转角序列中的数值，得到不同情况所对应的推测示功图，分别计算并记录每张所述推测示功图与所述标准示功图间的相似性分数。

进一步而言，S4可以细化为，

S41、在[0，360)的区间内创建一个包含有s个元素的等差数列、将其作为所述曲柄转角序列；

S42、将所述往复式压缩机在一个完整工作周期内的压力信号数据中第一个数据点对应的曲柄转角α设定为所述曲柄转角序列中的一个数值；

S43、计算出该情况下所述压力信号数据中其余个数据点对应的曲柄转角；再分别计算得到所述压力信号数据中各数据点对应的位移值d，计算公式为

S44、依据各数据点对应的位移值，绘制该情况所对应的推测示功图，利用图像分析软件计算并记录该张所述推测示功图与所述标准示功图间的相似性分数score；

S45、将所述往复式压缩机在一个完整工作周期内的压力信号数据中第一个数据点对应的曲柄转角α更新设定为所述曲柄转角序列中的一个数值，随后跳转返回S43并按序执行流程，直至所述压力信号数据中第一个数据点对应的曲柄转角α遍历完所述曲柄转角序列中的每一个数值。

S5、寻找相似性分数最高的一张推测示功图，将该张所述推测示功图作为所述往复式压缩机的实际示功图。即寻找到相似性分数score最高的一张所述推测示功图，将该张所述推测示功图作为所述往复式压缩机的实际示功图并输出。

以下便结合一具体的操作实例，对本发明方法的上述操作进行说明。

现有一往复式压缩机，活塞运动到外止点时，曲柄的相位角β记为0°，运动到内止点时，曲柄相位角β为180°，0≤β＜360；曲柄半径为r＝30mm，连杆长度为l＝50mm，径长比λ＝r/l＝0.6。

自动获取压力传感器测得的压缩机稳定工作100个整周期的压力信号数据，数据总点数为18000，则每个工作周期的压力信号数据的点数均值为180。

随机取所测的压力信号数据的连续180点，得到一个周期内的压力信号数据如图5所示。

创建等差数列，[0,1,2,3,……359],此操作意味着本方法最终得到的示功图与实际示功图的相位角偏差可以达到1°(即等差数列的公差)以内，随后将取得的180个动态压力数据点的第一个点对应的相位α分别设定为0、1、2、3…359度，计算当α为不同数值时，对应的示功图与标准示功图的相似性分数score，选择最大的score对应的推测示功图作为实际示功图，该示功图如图6所示，此时的α作为第一个动态压力信号数据点的曲柄转角，在本操作实例中α为92°。

本发明所述的一种往复式压缩机示功图的绘制方法，通过对往复式压缩机曲柄转角相位的识别，仅利用一个压力传感器，即可完成对往复式压缩机示功图的绘制。整个方案实现过程无需再布置额外的传感器(键相传感器、光电传感器、旋转编码器等)进行辅助，不但免去了大量人力物力的消耗，降低了企业的监测成本，而且也显著地提高了最终的示功图绘制结果的准确性，保证了方案的技术效果。

此外，本发明的方法流程清晰、可重复性强，具有一定的普适性特征，应用前景广阔并具有极高的使用价值。使用者还可以根据自身实际的应用需要对其中的部分操作进行调整，进而将本发明的方法应用于各种设备示功图的绘制操作中，从而进一步拓宽本发明的适用范围。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，任何通过遍历(或不断尝试)动态压力数据中某一点对应的相位角来得到一系列示功图，并将这些示功图与最符合实际的示功图进行比较得分、然后择优选取的相位角确定办法，均可以完成该方案的发明目的。因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

最后，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种往复式压缩机示功图的绘制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获取并选择任意的往复式压缩机正常工作时的示功图、作为标准示功图，定义和获取所需要监测的往复式压缩机的各项参数；

S2、利用动态压力传感器测量得到待测的往复式压缩机稳定运行多个完整工作周期的全部压力信号数据，依据完整工作周期的个数及全部压力信号数据的总点数计算得到所述往复式压缩机在每个完整工作周期内的数据点数均值；

S3、在所得到的全部压力信号数据中随机取多个连续的数据点、数量与所述数据点数均值数量相同，得到所述往复式压缩机在一个完整工作周期内的压力信号数据；

S4、创建一个等差的曲柄转角序列，将所述往复式压缩机在一个完整工作周期内的压力信号数据中第一个数据点对应的曲柄转角分别设定为所述曲柄转角序列中的数值，得到不同情况所对应的推测示功图，分别计算并记录每张所述推测示功图与所述标准示功图间的相似性分数；

S5、寻找相似性分数最高的一张推测示功图，将该张所述推测示功图作为所述往复式压缩机的实际示功图。

2.根据权利要求1所述的一种往复式压缩机示功图的绘制方法，其特征在于，S1中所述定义和获取所需要监测的往复式压缩机的各项参数，包括如下步骤：

设所述往复式压缩机的活塞运动到外止点时的曲柄转角β为0°，所述往复式压缩机的活塞运动到内止点时的曲柄转角β为180°，0≤β＜360；

将所述往复式压缩机的曲柄半径记为r，所述往复式压缩机的连杆长度记为l，则所述往复式压缩机的径长比λ＝r/l。

3.根据权利要求2所述的一种往复式压缩机示功图的绘制方法，其特征在于，S2包括如下步骤：

待所述往复式压缩机运行至稳态，利用所述压力传感器测量得到所述往复式压缩机运行m个完整工作周期的全部压力信号数据，记全部压力信号数据的总点数为L，则所述往复式压缩机在每个完整工作周期内的数据点数均值N＝L/m。

4.根据权利要求3所述的一种往复式压缩机示功图的绘制方法，其特征在于，S3包括如下步骤：

在所得到的全部压力信号数据中随机取N个连续的数据点，得到所述往复式压缩机在一个完整工作周期内的压力信号数据。

5.根据权利要求4所述的一种往复式压缩机示功图的绘制方法，其特征在于，S4包括如下步骤：

S41、在[0，360)的区间内创建一个包含有s个元素的等差数列、将其作为所述曲柄转角序列；

S42、将所述往复式压缩机在一个完整工作周期内的压力信号数据中第一个数据点对应的曲柄转角α设定为所述曲柄转角序列中的一个数值；

S43、计算出该情况下所述压力信号数据中其余个数据点对应的曲柄转角；再分别计算得到所述压力信号数据中各数据点对应的位移值d，计算公式为

S44、依据各数据点对应的位移值，绘制该情况所对应的推测示功图，利用图像分析软件计算并记录该张所述推测示功图与所述标准示功图间的相似性分数score；

S45、将所述往复式压缩机在一个完整工作周期内的压力信号数据中第一个数据点对应的曲柄转角α更新设定为所述曲柄转角序列中的一个数值，随后跳转返回S43并按序执行流程，直至所述压力信号数据中第一个数据点对应的曲柄转角α遍历完所述曲柄转角序列中的每一个数值。

6.根据权利要求5所述的一种往复式压缩机示功图的绘制方法，其特征在于，S5包括如下步骤：

寻找到相似性分数score最高的一张所述推测示功图，将该张所述推测示功图作为所述往复式压缩机的实际示功图并输出结果。

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