CN112415303B - 一种考虑故障累积效应的空压机寿命预测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种考虑故障累积效应的空压机寿命预测系统及方法，涉及空气压缩机技术领域。该系统及方法实时检测空压机工作时的电压、电流、温度和振动信息，当空压机正常工作时，记录这些数据值，并储存在样本数据库中；将采集的空压机的电压、电流、温度和振动信息与样本数据库中存储的正常工况下的信息数据进行对比，当任一数据值与正常工况下数据的值差大于额定偏差时，记录并保存发生瞬时故障时的电压、电流、温度和振动信息；记录一段时间内空压机发生瞬时故障的次数以及发生瞬时故障时电压、电流、温度和振动信息的累积效应值；最后对各累积效应值进行仿真处理，得到故障累积效应效果图以此来分析瞬时故障累积效应对空压机寿命影响。

Description

一种考虑故障累积效应的空压机寿命预测系统及方法

技术领域

本发明涉及空气压缩机技术领域，尤其涉及一种考虑故障累积效应的空压机寿命预测系统及方法。

背景技术

空气压缩机(简称空压机)是一种通过压缩气体来提供动力的机械，能够生产出具有一定压力的压缩空气。近年来，空压机被广泛应用于驱动气缸、气动马达、射流元件、表面喷漆、清理喷砂等，是很多企业不可缺少的设备。然而，空压机在使用时会发生诸多故障，而随着时间的积累，会产生累积效应，严重影响空压机的寿命，进而直接影响公司生产的安全性。空压机故障通常划分为永久性故障和瞬时故障。永久性故障一旦发生，将导致系统功能失效。瞬时故障经常由系统的内、外部条件变化或者环境干扰而引起的，一般不会引起系统故障，在生产中经常被人们所忽视。然而系统的瞬时故障在现实中大量存在，随着瞬时故障次数的增多，不同故障的累积效应对空压机影响不同，随着故障累积效应的增加，必然使故障率急速增大，使空压机寿命大大缩短，造成严重的经济损失。因此，研究一种考虑故障累积效应的空压机寿命预测系统及方法成为工业发展中亟待解决的难题。

CN109695564A一种电动空压机的故障检测方法及系统，该专利提供了一种电动空压机的故障检测方法，对空压机至少一项指标进行检测，包括空压机使能指令是否有效、空压机控制指令是否有效、空压机执行指令状态是否有效、以及空压机与整车控制器之间的通信是否正常。但是监测指标单一，样本数据获取难度较大，不能满足实时在线监测，当空压机发生瞬时故障时，无法分析瞬时故障对空压机的寿命影响。

CN107120262A该发明专利提出了电动空压机的控制策略，在输入信号正常的情况下，既能有效地避免空压机的频繁启停，延长空压机的使用寿命，又能保证储气筒的水能及时地排出，避免积水，同时实现在输入信号异常的情况下，能维持空压机气压值始终在制动安全气压值以上降低了故障率。该专利使用的传感器检测信号单一，数据计算量偏大，而且未涉及到控制信号在发生故障情况下的累积效应，无法实现对空压机的寿命预测。

基于以上提及的专利可知，现阶段虽然有很多关于空压机的故障监测与识别方法，但是没有考虑故障累积效应的空压机寿命预测系统，普遍都是故障监测的识别方法，该方法具有很大程度的局限性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种考虑故障累积效应的空压机寿命预测系统及方法,分析空气压缩机发生故障时不同类型故障的累积效应对其寿命的影响,实现对空压机寿命的预测。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一方面，本发明提供一种考虑故障累积效应的空压机寿命预测系统，包括信息检测模块、数据对比模块、数据传输模块、累积效应计算模块和仿真模块；

所述信息检测模块，实时检测空压机工作时的电压、电流、温度和振动信息，当空压机正常工作时，记录这些数据值，并将这些数据储存在样本数据库中；

所述数据对比模块将信息检测模块采集的空压机的电压、电流、温度、振动信息与样本数据库中空压机正常工况下的信息数据进行对比，当检测到空压机的电压、电流、温度或振动信息中的任一数据值与正常工况下数据的值差大于额定偏差时，即视空压机发生瞬时故障，通过数据传输模块将信息检测模块检测到的空压机发生瞬时故障时的电压、电流、温度和振动信息传入到累积效应计算模块；

所述累积效应计算模块记录一段时间内空压机发生瞬时故障的次数C以及数据传输模块传入的空压机发生故障时的电压、电流、温度和振动信息的累积效应值，并将这些累积效应值传入到仿真模块；所述累积效应值，为空压机发生瞬时故障时记录的电压、电流、温度和振动信息值，通过多次累加并求取均值得到；

所述仿真模块将累积效应计算模块计算的空压机发生故障时的电压、电流、温度和振动信息的累积效应值输入到仿真软件中，通过数据分析函数对各累积效应值进行仿真处理，得到故障累积效应效果图以此来分析瞬时故障累积效应对空压机寿命影响。

优选地，所述信息检测模块采用霍尔电压传感器、电流传感器、温度传感器、振动传感器来实时检测空压机工作时的电压、电流、温度和振动信息。

优选地，所述信息检测模块在空压机表面设置振动传感器，分别检测空压机的水平振动信号V1，垂直振动信号V2和轴向振动信号V3，取三种信号的最大值作为空压机工作表面的振动信息。

优选地，所述信息检测模块在空压机的压缩机电路添加热电偶原器件，通过热电偶将空压机内部温度变化转换成热电动势信号，然后将热电动势信号转换为对应的温度值，从而采集空压机的温度信息。

另一方面，本发明还提供一种考虑故障累积效应的空压机寿命预测方法，包括以下步骤：

步骤1、在空压机过程中，实时检测空压机工作时的电压、电流、温度和振动信息，当空压机正常工作时，记录这些数据值，并将这些数据储存在样本数据库中；

步骤2、将采集的空压机的电压、电流、温度和振动信息与样本数据库中存储的空压机正常工况下的信息数据进行对比，当检测到空压机的电压、电流、温度或振动信息中的任一数据值与正常工况下数据的值差大于额定偏差时，即视空压机发生瞬时故障，并记录保存空压机发生瞬时故障时的电压、电流、温度和振动信息；

步骤3、记录一段时间内空压机发生瞬时故障的次数C以及空压机发生瞬时故障时电压、电流、温度和振动信息的累积效应值；

步骤4、将计算的空压机发生故障时电压、电流、温度和振动信息的累积效应值输入到仿真软件中，通过数据分析函数对各累积效应值进行仿真处理，得到故障累积效应效果图以此来分析瞬时故障累积效应对空压机寿命影响。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种考虑故障累积效应的空压机寿命预测系统及方法，可以在空压机正常工作基础上，定量分析瞬时故障累积效应对空压机寿命影响；同时，本发明的预测系统及方法需要的数据量较小，且数据采集过程较容易，只用简单的传感器采集空压机的电压、电流及振动信号与标准样本数据库进行对比，即可完成对空压机瞬时故障的分析。计算结果可为空压机寿命预测提供科学准确的决策依据，也有助于及时掌握空压机的运行状态，为空压机的稳定运行提供保障。

附图说明

图1为本发明实施例提供的考虑故障累积效应的空压机寿命预测系统的结构框图；

图2为本发明实施例提供的考虑故障累积效应的空压机寿命预测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

空压机故障通常划分为永久性故障和瞬时故障。永久性故障一旦发生，将导致系统功能失效。瞬时故障经常由空压机的内、外部条件变化或者环境干扰而引起的，一般不会引起系统故障，在生产中经常被人们所忽视。然而空压机的瞬时故障在现实中大量存在，随着瞬时故障次数的增多，不同故障的累积效应对空压机影响不同，随着故障累积效应的增加，必然使故障率急速增大，使空压机寿命大大缩短，造成严重的经济损失。

常见的空压机瞬时故障分为：(1)振动过大引起的故障T1；(2)电流过大引起的故障T2；(3)温度过高引起的故障T3；(4)电压过大引起的故障T4；(5)冷却风扇电机过载引起的故障T5。

因此，根据空压机在运转过程中振动、电流、温度、电压信号的变化，能够分析不同的故障对空压机带来的影响。

本实施例中，一种考虑故障累积效应的空压机寿命预测系统，如图1所示，包括信息检测模块、数据对比模块、数据传输模块、累积效应计算模块和仿真模块；

所述信息检测模块，实时检测空压机工作时的电压、电流、温度和振动信息，当空压机正常工作时，记录这些数据值，并将这些数据储存在样本数据库中；

空压机在工作过程中，将电压传感器接入到空压机电机电路，实时测量电机的电压信息变化。当空压机电压过低时，会导致空压机转速过低，转矩降低进而导致空压机启动困难，而空压机持续在低压下进行工作时，会导致内部电机转子因电压不足而损害过大，随着时间的推移，会产生累积效应，会大大降低空压机的寿命。如果电压高于设备额定电压，就会迫使电机转子电流增大，造成电动机过热，温度升高，缩短电动机寿命，加速设备老化程度。

振动信息检测即在空压机表面添加振动传感器，分别检测空压机的水平振动信息V1，垂直振动信息V2，轴向振动信息V3，取上述三种信号最大值作为空压机工作表面的振动信号。当振动信号值过大时，会增加空压机功率的消耗，增加空压机与地面之间的磨损，随着振动频率的累积，会大幅降低空压机的寿命。振动传感器通过晶体的压电效应来完成振动测量，当空压机内部的振动对CYT9200振动传感器形成压力后，传感器内的晶体元件就会产生相应的电荷，电荷数即可换算为振动参数，从而计算出振动信号V。

信息检测模块可以在空压机设备表面设置温度传感器，通过接触式测量法检测空压机的工作温度，分别采集空压机在正常工作下与发生瞬时故障时的温度信息；或在空压机的压缩机电路添加热电偶原器件，通过热电偶将空压机内部温度变化转换成热电动势信号，然后将热电动势信号转换为对应的温度值，从而得到空压机的温度信息。将正常工作下的温度信息添加到空压机正常工况下的样本数据库中，当空压机发生瞬时故障时，将温度信息进行累积运算，可以分析出异常温度的累积对空压机寿命的影响。

本实施例中，信息检测模块采用霍尔电压传感器、ACS712电流传感器、DS18B20温度传感器和CYT9200振动传感器来实时检测空压机工作时的电压、电流、温度和振动信息。

所述数据对比模块将信息检测模块采集的空压机的电压、电流、温度、振动信息与样本数据库中空压机正常工况下的信息数据进行对比，当检测到空压机的电压、电流、温度或振动信息中的任一数据值与正常工况下数据的值差大于额定偏差时，即视空压机发生瞬时故障，通过数据传输模块将信息检测模块检测到的空压机发生瞬时故障时的电压、电流、温度和振动信息传入到累积效应计算模块；

所述累积效应计算模块记录一段时间内空压机发生瞬时故障的次数C以及数据传输模块传入的空压机发生故障时的电压、电流、温度和振动信息的累积效应值，并将这些累积效应值传入到仿真模块；所述累积效应值，为空压机发生瞬时故障时记录的电压、电流、温度和振动信息值，通过多次累加并求取均值得到；

所述仿真模块将累积效应计算模块计算的空压机发生故障时的电压、电流、温度和振动信息的累积效应值输入到仿真软件中，通过数据分析函数对各累积效应值进行仿真处理，得到故障累积效应效果图以此来分析瞬时故障累积效应对空压机寿命影响。

一种考虑故障累积效应的空压机寿命预测方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1、在空压机过程中，实时检测空压机工作时的电压、电流、温度和振动信息，当空压机正常工作时，记录这些数据值，并将这些数据储存在样本数据库中；

步骤2、将采集的空压机的电压、电流、温度和振动信息与样本数据库中存储的空压机正常工况下的信息数据进行对比，当检测到空压机的电压、电流、温度或振动信息中的任一数据值与正常工况下数据的值差大于额定偏差时，即视空压机发生瞬时故障，并记录保存空压机发生瞬时故障时的电压、电流、温度和振动信息；

步骤3、记录一段时间内空压机发生瞬时故障的次数C以及空压机发生瞬时故障时电压、电流、温度和振动信息的累积效应值；

步骤4、将计算的空压机发生故障时电压、电流、温度和振动信息的累积效应值输入到matlab仿真软件中，通过Descriptive Statistics数据分析函数对各累积效应值进行仿真处理，得到故障累积效应效果图以此来分析瞬时故障累积效应对空压机寿命影响。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种考虑故障累积效应的空压机寿命预测系统，其特征在于：包括信息检测模块、数据对比模块、数据传输模块、累积效应计算模块和仿真模块；

所述信息检测模块，实时检测空压机工作时的电压、电流、温度和振动信息，当空压机正常工作时，记录这些数据值，并将这些数据储存在样本数据库中；

所述数据对比模块将信息检测模块采集的空压机的电压、电流、温度、振动信息与样本数据库中空压机正常工况下的信息数据进行对比，当检测到空压机的电压、电流、温度或振动信息中的任一数据值与正常工况下数据的值差大于额定偏差时，即视空压机发生瞬时故障，通过数据传输模块将信息检测模块检测到的空压机发生瞬时故障时的电压、电流、温度和振动信息传入到累积效应计算模块；

所述累积效应计算模块记录一段时间内空压机发生瞬时故障的次数C以及数据传输模块传入的空压机发生故障时的电压、电流、温度和振动信息的累积效应值，并将这些累积效应值传入到仿真模块；所述累积效应值，为空压机发生瞬时故障时记录的电压、电流、温度和振动信息值，通过多次累加并求取均值得到；

所述仿真模块将累积效应计算模块计算的空压机发生故障时的电压、电流、温度和振动信息的累积效应值输入到仿真软件中，通过数据分析函数对各累积效应值进行仿真处理，得到故障累积效应效果图以此来分析瞬时故障累积效应对空压机寿命影响；

所述信息检测模块在空压机表面设置振动传感器，分别检测空压机的水平振动信号V1，垂直振动信号V2和轴向振动信号V3，取三种信号的最大值作为空压机工作表面的振动信息。

2.根据权利要求1所述的一种考虑故障累积效应的空压机寿命预测系统，其特征在于：所述信息检测模块采用霍尔电压传感器、电流传感器、温度传感器、振动传感器来实时检测空压机工作时的电压、电流、温度和振动信息。

3.根据权利要求2所述的一种考虑故障累积效应的空压机寿命预测系统，其特征在于：所述信息检测模块在空压机的压缩机电路添加热电偶原器件，通过热电偶将空压机内部温度变化转换成热电动势信号，然后将热电动势信号转换为对应的温度值，从而采集空压机的温度信息。

4.一种考虑故障累积效应的空压机寿命预测方法，基于权利要求1所述考虑故障累积效应的空压机寿命预测系统实现，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、在空压机过程中，实时检测空压机工作时的电压、电流、温度和振动信息，当空压机正常工作时，记录这些数据值，并将这些数据储存在样本数据库中；

步骤2、将采集的空压机的电压、电流、温度和振动信息与样本数据库中存储的空压机正常工况下的信息数据进行对比，当检测到空压机的电压、电流、温度或振动信息中的任一数据值与正常工况下数据的值差大于额定偏差时，即视空压机发生瞬时故障，并记录保存空压机发生瞬时故障时的电压、电流、温度和振动信息；

步骤3、记录一段时间内空压机发生瞬时故障的次数C以及空压机发生瞬时故障时电压、电流、温度和振动信息的累积效应值；

步骤4、将计算的空压机发生故障时电压、电流、温度和振动信息的累积效应值输入到仿真软件中，通过数据分析函数对各累积效应值进行仿真处理，得到故障累积效应效果图以此来分析瞬时故障累积效应对空压机寿命影响。

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