CN113153724B - 基于工业互联网平台的隔膜压缩机膜片脉动系统故障诊断装置 - Google Patents
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Abstract
本发明隔膜压缩机膜片故障诊断领域，尤其涉及一种基于工业互联网平台的隔膜压缩机膜片脉动系统故障诊断装置，包括缸体（14）、配油盘（6）、缸盖（7）、盖板（5）、膜片（4）及活塞（11）；在液相工作腔室一侧的膜片（4）上固定设有4个周向均布设置的电阻应变片（3）；在油盘凹槽（16）内分别固定设有油盘压敏电阻（13）；在缸盖凹槽（16b）内分别固定设有缸盖压敏电阻（12）；所述油盘压敏电阻（13）与缸盖压敏电阻（12）组成桥接压敏电阻信号采集模块。本发明检测方便，故障判断准确度高，能够分析膜片表面受力情况，膜片的损耗情况及漏油原因。
Description
技术领域
本发明属隔膜压缩机膜片脉动系统故障诊断领域，尤其涉及一种基于工业互联网平台的隔膜压缩机膜片脉动系统故障诊断装置。
背景技术
隔膜压缩机是一类技术先进的工艺压缩机系统设备，膜片脉动系统是隔膜压缩机的核心组件，目前对膜片脉动系统的诊断主要是采用间接获取驱动膜片系统的液压油调节阀数据方法，来分析和判断隔膜压缩机膜片系统的脉动工作状态。由于液压油系统的粘滞、相对可压缩等动力特性，无法获得实时且可靠的隔膜压缩机膜片系统工作状况，从而严重地影响整体压缩机运行的安全性，制约着隔膜压缩机的推广和应用。
隔膜压缩机工作时，驱动膜片系统往复压缩机气体的液压缸不可避免的会通过活塞发生泄露，其结果就是减少活塞行程，使隔膜片在活塞到达外止点时不能与盖板相贴合，一方面存在膜片及相关组件受力急剧加大，隔膜破裂、压缩机工作室崩塌，压缩机停止工作。另一方面由于液压油系统的粘滞特性，采用调节液压油阀数据方法调控压缩机液压补油存在不及时和不到位，随着运行时间的增加，液压缸中的液体愈来愈少，由此使膜片不能与盖板贴合的幅度值不断增大，直至膜片因疲劳出现塑性变形、失效，使隔膜系统中膜腔中的余隙容积则愈来愈大，最终不能再吸进气体而失去工作能力。为此，为保证对膜片脉动系统的有效监控，研究设计一种基于工业互联网平台的隔膜压缩机膜片脉动系统故障诊断装置，将其嵌入到工艺隔膜压缩机监控系统中，在隔膜压缩机使用的用户现场、监控运行中心以及制造商之间实现对隔膜压缩机运行状态的有效监控，促进这一先进技术产品的推广应用。
发明内容
本发明旨在提供一种结构合理、安全可靠、精度高，可通过工业互联网平台实时监控隔膜膜片系统的脉动状态，预测隔膜系统寿命、膜片受力状态及膜片损耗情况，精确控制隔膜压缩机液压驱动系统漏油补油的基于工业互联网平台的隔膜压缩机膜片脉动系统故障诊断装置。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种基于工业互联网平台的隔膜压缩机膜片脉动系统故障诊断装置，包括缸体、配油盘、缸盖、盖板、膜片及活塞；所述缸盖固定设于配油盘之上，且彼此之间形成工作腔；所述膜片横向设于工作腔内，且将工作腔分割成气相工作腔室与液相工作腔室；所述盖板固定设于气相工作腔室顶部；在所述缸盖的顶部分别设有进气阀及排气阀；所述进气阀及排气阀分别与气相工作腔室相通；所述液相工作腔室经配油盘的油路通道与缸体内的液体工作腔相通；
在所述配油盘临近端部区域面向膜片一侧周向均布有8个油盘凹槽；在所述液相工作腔室一侧的膜片上周向均布固定设置4个电阻应变片；所述电阻应变片分别活动嵌入4个油盘凹槽之内；在另外油盘凹槽内分别固定设有4个油盘压敏电阻；所述电阻应变片组成桥接电阻应变信号采集模块；
在所述缸盖临近端部区域面向膜片一侧周向均布有4个缸盖凹槽；在所述缸盖凹槽内分别固定设有缸盖压敏电阻；所述油盘压敏电阻与缸盖压敏电阻组成桥接压敏电阻信号采集模块。
作为一种优选方案，本发明在所述缸体内固定设有电子电路仪；所述电阻应变信号采集模块与压敏电阻信号采集模块的信号传输端口分别与电子电路仪的信号传输端口相接。
进一步地，本发明在所述缸盖与盖板及配油盘上设有引线通道。
进一步地，本发明所述引线通道可采用迷宫螺旋密封结构。
进一步地，本发明所述电阻应变片由树脂基底、敏感栅及引出线覆和而成。
进一步地，本发明所述敏感栅可采用厚度小于0.01mm的箔材。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过隔膜系统缸盖和配油盘设有的压敏电阻单元，在膜片的液 /气工作区域边缘，即隔膜系统最薄弱处形成直接感知膜片脉动变化的压敏传感器，通过配套设计搭建的电子电路和电子电路仪可以在现场或通过工业互联网直观实时监测压缩机隔膜系统的受力形变情况，以此来研判隔膜压缩机的漏油情况及膜片损坏情况，使用户、制造厂能够客观及时地监控隔膜压缩机的运行状况。
(2)本发明通过隔膜膜片设有固定的电阻应变片结构，在膜片的工作区域形成直接感知膜片拉伸变化的拉伸传感器，通过配套设计搭建的电子电路和电子电路仪可以在现场或通过工业互联网直观实时监测压缩机膜片的受力形变情况，结合压敏电阻单元，能够进一步精准研判隔膜压缩机的漏油情况及膜片损坏情况，使用户、制造厂能够客观及时地监控隔膜压缩机的运行状况。
(3)本发明相比原有根据油压阀数值来判断隔膜系统工作状态的技术方案，具有直观、安全可靠，易安装等特点，可用于不同工作环境，操作方便，可以更加客观准确的反应压缩机隔膜系统的工作状态。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明缸盖区域结构示意图；
图3为本发明配油盘区域结构示意图；
图4为本发明图2A向仰视图；
图5为本发明图3B向俯视图；
图6为本发明膜片工作状态示意图；
图7为本发明电阻应变片结构示意图；
图8为本发明电阻应变片在膜片粘贴方式示意图；
图9为本发明压敏电阻单元接桥方式示意图；
图10为本发明电阻应变片单元接桥方式示意图；
图11为本发明膜片在三种不同状态下的位置图；
图12为本发明最大挠度时膜片的应力分布图。
图中：1、排气阀；2、引线通道；3、电阻应变片；4、膜片；5、盖板；6、配油盘；7、缸盖；8、进气阀；9、进气口；10、排气口；11、活塞；12、缸盖压敏电阻；13、油盘压敏电阻；14、缸体；15、电子电路仪；16a、油盘凹槽； 16b、缸盖凹槽；17、引出线；18、敏感栅；19、树脂基底；20、气体；21、压缩机用油。
具体实施方式
如图1所示，基于工业互联网平台的隔膜压缩机膜片脉动系统故障诊断装置，包括缸体14、配油盘6、缸盖7、盖板5、膜片4及活塞11；所述缸盖7固定设于配油盘6之上，且彼此之间形成工作腔；所述膜片4横向设于工作腔内，且将工作腔分割成气相工作腔室与液相工作腔室；所述盖板5固定设于气相工作腔室顶部；在所述缸盖7的顶部分别设有进气阀8及排气阀1；所述进气阀8 及排气阀1分别与气相工作腔室相通；所述液相工作腔室经配油盘6的油路通道与缸体14内的液体工作腔相通；
在所述配油盘6临近端部区域面向膜片4一侧周向均布有8个油盘凹槽16a；在所述液相工作腔室一侧的膜片4上周向均布固定设置4个电阻应变片3；参见图1、图6及图10所示，4个电阻应变片3分别为RL1、RL2、RL3、RL4；所述电阻应变片3分别活动嵌入4个油盘凹槽16a之内；参见图1、图9所示，在另外油盘凹槽16a内分别固定设有4个油盘压敏电阻13；油盘压敏电阻13分别为RY1、 RY2、RY3和RY4。参见图10所示，电阻应变片3(RL1、RL2、RL3和RL4)组成桥接电阻应变信号采集模块；
参见图1及图9所示，在所述缸盖7临近端部区域面向膜片4一侧周向均布有4个缸盖凹槽16b；在所述缸盖凹槽16b内分别固定设有缸盖压敏电阻12；缸盖压敏电阻12分别为RQ1、RQ2、RQ3和RQ4。参见图9所示，所述油盘压敏电阻 13(RY1、RY2、RY3和RY4)与缸盖压敏电阻12(RQ1、RQ2、RQ3和RQ4)组成桥接压敏电阻信号采集模块。
本发明在所述缸体14内固定设有电子电路仪15；所述桥接电阻应变信号采集模块与桥接压敏电阻信号采集模块的信号传输端口分别与电子电路仪15的信号传输端口相接。本发明在所述缸盖7与盖板5及配油盘6上设有引线通道2。本发明所述引线通道2采用迷宫螺旋密封结构。本发明所述电阻应变片3由树脂基底19、敏感栅18及引出线17覆和而成。本发明所述敏感栅18采用厚度小于0.01mm的箔材。
参见图8及图5所示，本发明将应变式传感器的电阻应变片3(RL1、RL2、RL3、 RL4)用粘合剂粘贴在液相工作腔室一侧的膜片4表面上，且在配油盘6上设有均匀分布的油盘凹槽16a，RL1、RL2、RL3及RL4分别均匀嵌入油盘凹槽16a之内。在缸盖7上均布RQ1、RQ2、RQ3、RQ4，上述RQ1、RQ2、RQ3、RQ4分别嵌入至缸盖凹槽16b 内。
电子电路仪15可置于缸体内部，当然根据设计需要，电子电路仪15也可置于缸体外部。电子电路仪15将所采集的相关信号经过处理后传至工业互联网平台，通过分析其输出电压和膜片受力情况来判定漏油情况以及对膜片进行故障分析。
压敏电阻单元和电阻应变片单元采集隔膜片受力情况主要基于以下理论：
如图12所示，data1表示膜片4所受径向总正应力，data2表示膜片4周向总应力，膜片4在最大挠度的情况下，中心处应力比较小，而边缘处应力很大，因此将电阻应变片3及压敏电阻置于膜片受力最大处。如图1、图3及图5 所示，本发明在配油盘6上设有油盘凹槽16a来放置电阻应变片(RL1、RL2、RL3及RL4)，并在其余油盘凹槽16a均匀嵌入油盘压敏电阻(RY1、RY2、RY3、RY4)。在缸体内部设置有空腔来放置电子电路仪，电子电路仪通过无线方式与工业互联网平台通讯。
参见图6所示，M为膜片4工作区域(脉动)；N为非工作区域(自由状态)； J为固定膜片区域(夹持)。当膜片4处于工作状态时，经电子电路仪传送给工业互联网平台的实际受力情况与正常工作状态下的情况作对比，最大处受力发生突变时，可以判定膜片损坏且发生漏油，当膜片4最大受力处的最大值未发生突变且低于理论值时，可以判定膜片4未发生损坏，但发生漏油，使得膜片4 未达到最大挠度。
在膜片4上取一个微元体，其上受径向和周向正应力，还有径向剪应力，因为膜片是对称的，故周向没有剪应力。径向和周向的正应力，又可认为是由弯曲造成的正应力和由拉伸造成的正应力两部分之和。按两向应力状态的胡克定律可求得由弯曲造成的应力分为：
径向：
周向：
膜片4的拉伸应力按巴诺夫的微分方成求解：
径向拉伸应力为：
周向拉伸应力为：
由此可得径向总应力为：
周向总应力为：
电阻应变片的电阻应变效应主要基于以下表达式：
式中R—表示长为L的丝材的初始电阻；
△R—表示丝材伸长△L后的电阻变化；
σMr—膜片弯曲受到的径向应力；
σMt—膜片弯曲受到的周向应力；
σPr—膜片受到的径向拉伸向应力；
σPt—膜片受到的周向拉伸应力为；
σr—膜片受到的径向总应力为；
σt—膜片受到的周向总应力为；
E—弹性模量；
z—中性层厚度；
φ—应力函数；
μ—泊松比；
r—膜片半径；
ω—膜片形变量；
θ—膜片厚度方向的变形角度；
θ′—膜片厚度方向变形角度的导数；
ε—测点处应变；
K0—每单位长度所造成的相对电阻变化。
参见图5所示，配油盘上设有油盘凹槽16a，φ2至φ3环形区域用来加紧膜片4，φ2至φ1区域环形区域设有8处均匀分布的油盘凹槽16a，用于放置电阻应变片(RL1、RL2、RL3及RL4)及4组油盘压敏电阻(RY1、RY2、RY3、RY4)。缸盖 7上设有4处放置缸盖压敏电阻(RQ1、RQ2、RQ3、RQ4)的缸盖凹槽16b，电阻应变片的接桥方式如图10所示，其原理为：
其中，RL1、RL2、RL3及RL4为电阻应变片，用于测量拉伸应力；
参见图10所示，当RL1、RL2、RL3、RL4电阻变化一致时，则对应的电压 VL1＝VL2＝VL3＝VL4＝0，无输出电压，说明膜片4四个点位受力情况相同，膜片无损耗及故障，当有一项输出电压不为0时，则说明该处膜片出现损耗或故障。图9 及图10中，R均代表长度为L的丝材的初始电阻。
其中，RY1、RY2、RY3、RY4为液相工作腔室一侧油盘压敏电阻13；RQ1、RQ2、RQ3、 RQ4为气相工作腔室一侧缸盖压敏电阻12；参见图9所示，RY1至RY4变化一致，RQ1至RQ4变化一致，RY与RQ变化相反,因此输出电压在膜片各点无损耗的状态下 VY1＝VY2＝VY3＝VY4,当有一项输出电压发生变化时，可以判定该处的膜片4发生损耗。
在具体设计时，本发明压缩机运行时，假使活塞11处于外止点，这时膜片 4应处于上极限位置，即与缸盖7及盖板5相贴合；当活塞自外止点下行时，膜片4跟着液体向自己的平衡位置复原(4.1位置，参见图11)，由此膜腔容积逐渐增大；残留在余隙中的气体完成膨胀过程中，进气，进气阀8打开，排气阀1 关闭，膜腔开始吸进气体；活塞11继续下行并最终到达内止点时，膜片4则通过平衡位置而到达下极限位置(4.3位置，参见图11)，膜腔中的吸气过程也随之结束。4.2为平衡位置至下极限位置过渡段。接着活塞11再向上行，活塞11 通过压缩机用油21推动膜片4开始压缩气体20；当膜片4中压力达到排气压力时，排气阀1打开，进气阀8关闭，排气开始；最后当膜片4又贴于缸盖7及盖板5时，排气即告结束，膜腔中完成了一个工作循环。将电阻应变片3用粘合剂粘贴在膜片4表面上，随着膜片4受力变形，电阻应变片3的敏感栅18也获得同样的变形，从而使其电阻随之发生变化，电子电路仪15将电阻变化转换为电流变化。
本发明通过异构网络接入网关连接感知设备，获取设备、平台数据、环境参数，构建大数据仓储。实现远程监控、视频监控、关键参数实时监控，异常检测、故障报警等功能。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设有”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种基于工业互联网平台的隔膜压缩机膜片脉动系统故障诊断装置，包括缸体（14）、配油盘（6）、缸盖（7）、盖板（5）、膜片（4）及活塞（11）；所述缸盖（7）固定设于配油盘（6）之上，且彼此之间形成工作腔；所述膜片（4）横向设于工作腔内，且将工作腔分割成气相工作腔室与液相工作腔室；所述盖板（5）固定设于气相工作腔室顶部；在所述缸盖（7）的顶部分别设有进气阀（8）及排气阀（1）；所述进气阀（8）及排气阀（1）分别与气相工作腔室相通；所述液相工作腔室经配油盘（6）的油路通道与缸体（14）内的液体工作腔相通；其特征在于：
在所述配油盘（6）临近端部区域面向膜片（4）一侧周向均布有8个油盘凹槽（16a）；在所述液相工作腔室一侧的膜片（4）上周向均布固定设置4个电阻应变片（3）；所述电阻应变片（3）分别活动嵌入4个油盘凹槽（16a）之内；在另外油盘凹槽（16a）内分别固定设有4个油盘压敏电阻（13）；所述电阻应变片（3）组成桥接电阻应变信号采集模块；
在所述缸盖（7）临近端部区域面向膜片（4）一侧周向均布有4个缸盖凹槽（16b）；在所述缸盖凹槽（16b）内分别固定设有缸盖压敏电阻（12）；所述油盘压敏电阻（13）与缸盖压敏电阻（12）组成桥接压敏电阻信号采集模块。
2.根据权利要求1所述基于工业互联网平台的隔膜压缩机膜片脉动系统故障诊断装置，其特征在于：在所述缸体（14）内固定设有电子电路仪（15）；所述电阻应变信号采集模块与压敏电阻信号采集模块的信号传输端口分别与电子电路仪（15）的信号传输端口相接。
3.根据权利要求2所述基于工业互联网平台的隔膜压缩机膜片脉动系统故障诊断装置，其特征在于：在所述缸盖（7）与盖板（5）及配油盘（6）上设有引线通道（2）。
4.根据权利要求3所述基于工业互联网平台的隔膜压缩机膜片脉动系统故障诊断装置，其特征在于：所述引线通道（2）采用迷宫螺旋密封结构。
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