CN113236543A - 一种往复压缩机轴系扭振的测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及往复压缩机技术领域，尤其涉及一种往复压缩机轴系扭振的测试方法及系统，包括以下步骤：首先基于编码器构建往复压缩机扭振测量系统，根据实时采集到的采样信号计算得到往复压缩机工作过程中的曲轴的瞬时转速动态值，其中，采样信号为编码器在往复压缩机的预设变速阶段内进行等角度间隔采样得到的脉冲信号；根据瞬时转速动态值以及相对应的曲轴转角生成角域图，并对角域图进行处理后生成包含扭振信息的瀑布图。本发明提出的一种往复压缩机轴系扭振的测试方法及系统，以解决现有的测试方法在实际应用时难于精准采集扭振信息的问题。

Description

一种往复压缩机轴系扭振的测试方法及系统

技术领域

本发明涉及往复压缩机技术领域，尤其涉及一种往复压缩机轴系扭振的测试方法及系统。

背景技术

往复压缩机是一种容积式压缩机，它使用由曲轴驱动的活塞来压缩、输送高压气体。扭转振动(即扭振)是物体的角度振动，在往复压缩机中，旋转曲轴驱动的十字头、活塞杆、活塞部件在实际工作中不能平稳地对转矩做出反应，会引起围绕旋转轴的扭振。压缩机轴系的扭转振动直接影响压缩机的使用寿命，扭振具有潜伏性、高破坏性和迅速性的特点，发生在轴系上的扭振没有明显表征现象，无法通过肉眼观察识别，需要专门的监测系统和相关设备才能实现监测。扭振一旦发生破坏性极大，会造成联轴器断裂、电机轴断裂和曲轴断裂等严重故障，造成极大的破坏，使得整个机组无法运行，严重时还会造成人员伤亡。因此，往复压缩机轴系扭振的测试显得尤为重要，工业应用中需要在压缩机运转过程中识别并发现扭振发生的故障根源，进而提出有效、合理的方法来控制扭振。

由于数值分析模型在柔性联轴器参数上存在一定偏差，因此较难准确预测低阶扭振模态，而往复压缩机自身对实际测试装置尺寸及安装固定要求较高。现有的测试方法如应变片测试法、压电加速度计测试法和激光测试法等方法，在现场实际应用时存在测试精度要求高、安装难度较大、测试设备复杂昂贵等问题，轴系的扭振状态信息难以准确采集。

发明内容

本发明提出一种往复压缩机轴系扭振的测试方法及系统，以解决现有的测试方法在实际应用时难于精准采集扭振信息的问题。

一方面，本发明提供一种往复压缩机轴系扭振的测试方法，包括以下步骤：

S1：根据实时采集到的采样信号计算得到往复压缩机工作过程中的曲轴的瞬时转速动态值，其中，所述采样信号为编码器在往复压缩机的预设变速阶段内进行等角度间隔采样得到的脉冲信号，所述编码器设置在往复压缩机曲轴的末端；

S2：根据瞬时转速动态值以及相对应的曲轴转角生成角域图，并对角域图进行处理后生成包含扭振信息的瀑布图。

优选的是，步骤S2包括：

对所述角域图进行插值重采样得到等时间间隔的时域图；

根据第一预设条件将时域图分成多段时域子图，并对每段时域子图均采用傅里叶变换计算得到各个阶段的频谱，并合并各个阶段的频谱生成包含扭振信息的瀑布图。

优选的是，所述第一预设条件为：按等转速增量进行分段，且保证每个时域子图具有相同的转速增量，将每个时域子图的所截取段的起始转速记为截取段的平均转速，并在每个平均转速下截取固定时间长度的信号。

优选的是，步骤S2包括：

根据第二预设条件将时域图分成多段时域子图，对每段角域子图均采用傅里叶变换计算后生成各个阶段的阶次谱。

优选的是，所述第二预设条件为：按等转速增量进行分段，保证每段角域子图具有相同的转速增量，将每个时域子图的所截取段的起始转速记为截取段的平均转速，每个平均转速下截取固定转数的信号。

另一方面，本发明还提供一种往复压缩机轴系扭振的测试系统，包括依次电连接的测试装置、信号采集模块和信号测试子系统，其中：

所述测试装置包括编码器，所述编码器设置在往复压缩机的曲轴末端，所述编码器用于在往复压缩机的预设变速阶段内进行等角度间隔采样；

所述信号采集模块被配置为：用于采集编码器的采样信号，并将所采样信号处理后反馈至信号测试子系统；

所述信号测试子系统包括计算模块和信号处理模块，所述计算模块用于根据实时采集到的采样信号计算得到曲轴的瞬时转速动态值；所述信号处理模块用于根据瞬时转速动态值以及相对应的曲轴转角生成角域图，并对角域图进行处理后生成包含扭振信息的瀑布图。

优选的是，所述信号处理模块被配置为：

对所述角域图进行插值重采样得到等时间间隔的时域图；

根据第一预设条件将时域图分成多段时域子图，并对每段时域子图均采用傅里叶变换计算得到各个阶段的频谱后，按照转速的高低依次排序，并合并各个阶段的频谱生成包含扭振信息的瀑布图。

优选的是，信号处理模块被配置为：

根据第二预设条件将时域图分成多段时域子图，对每段角域子图均采用傅里叶变换计算后生成各个阶段的阶次谱。

优选的是，所述测试装置还包括依次沿轴向设置的中定位盘、导杆、第一固定盘、联轴器、第二固定盘和轴承座，其中：

所述第一固定盘与往复压缩机机壳的外壁连接，所述第二固定盘的一端面通过四根定位杆与第一固定盘连接，另一端面与轴承座连接；

所述联轴器包括第一端和第二端，所述导杆的一端通过对中定位盘与曲轴连接，另一端依次穿过往复压缩机机壳和第一固定盘后固定在联轴器的第一端上；所述编码器的转轴依次穿过轴承座、第二固定盘后固定在联轴器的第二端上，所编码器为增量式编码器。

优选的是，所述中定位盘在远离所述导杆的一端开设有卡槽，所述卡槽内径与匹配曲轴直径相匹配。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：测试方法可靠性高、采样信号准确性，并且能够在频域范围内对所得的信号分析得到测量对象的扭振固有频率；本发明的测量系统解决了编码器无法在现场方便的测量问题，为判断往复压缩机运转时扭转振动状态是否正常提出解决方案。相较于其他监测方式，选用编码器监测扭振信息，可通过选择高分辨率的编码器(即编码器工作时每圈输出的脉冲数多)实现高转速曲轴的扭振信号监测和分析。将编码器安装在曲轴末端，并通过定位部件和增量式编码器固定成一个整体，结构简单，能方便、快速地安装和卸载增量式编码器，并且能够使增量式编码器保持很好的固定，保证测量精度。

附图说明

图1为本发明轴系扭振的测试系统的流程示意图；

图2为测试装置的结构示意图；

图3为编码器的测试原理图；

图4为等角度采样方式与等时间采样方式转换的示意图；

图5为瞬时转速动态值的时域图；

图6为瞬时转速动态值的频域图；

图7为编码器计数的频域图；

图8为当去除一根定位杆时瞬时转速动态值的时域图；

图9为当去除一根定位杆时瞬时转速动态值的频域图；

图10为当去除一根定位杆时瞬时转速动态值的频域图；

图11为往复压缩机轴系的有限元模型；

图12为升速阶段的时域图；

图13为测试系统生成的包含扭振信息的瀑布图；

图14为测试系统生成的包含扭振信息的瀑布图。

图中：1-编码器，2-中定位盘，3-导杆，4-第一固定盘，5-联轴器，6-第二固定盘，7-轴承座，8-曲轴，9-机壳，10-定位杆，11-电机转子，12-电机轴，13-梅花形联轴器，14-平衡块。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

1、一种往复压缩机轴系扭振的测试系统，如图1所示，包括测试装置、信号采集模块和信号测试子系统，测试装置包括编码器1，编码器1设置在往复压缩机的曲轴8的末端，编码器1用于在往复压缩机的变速阶段内进行等角度间隔采样，编码器1的型号是根据曲轴尺寸、曲轴转速以及测试需求选择的。信号采集模块信号包括采集卡、信号调理模块，设置数据采样频率，以及对应的采集通道。测试子系统包括计算模块和信号处理模块，计算模块用于根据实时采集到的采样信号计算得到曲轴8的瞬时转速动态值；信号处理模块用于根据瞬时转速动态值以及相对应的角度生成角域图，并对角域图进行处理后生成包含扭振信息的瀑布图。

在使用时，将编码器导线中的电源线接入直流电源，将编码器导线中的电源线接入信号采集模块，根据预设参数采集编码器导线信号线的输出信号(脉冲信号)，电路输出的模拟信号经过信号采集模块转换成最终所需要的数字信号存储到计算机硬盘(测试子系统)中供后续分析和处理。其中，计算机除了存储数据外，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，数据采集系统实现信号滤波、放大，调理及A/D转换这一系列功能。

作为本发明一个优选的实施例，信号处理模块被配置为：对角域图进行插值重采样得到等时间间隔的时域图；根据第一预设条件将时域图分成多段时域子图，并对每段时域子图均采用傅里叶变换计算得到各个阶段的频谱后，按照转速从低到高依次排序，合并各个阶段的频谱生成包含扭振信息的瀑布图。

作为本发明一个优选的实施例，信号处理模块被配置为：根据第二预设条件将时域图分成多段时域子图，对每段角域子图均采用傅里叶变换计算，并生成各个阶段的阶次谱。

作为本发明一个优选的实施例，如图2所示测试装置还包括依次沿轴向设置的中定位盘2、导杆3、第一固定盘4、联轴器5、第二固定盘6和轴承座7，其中：

导杆3与曲轴8通过螺纹连接传递曲轴8动力源的旋转运动，导杆3的一端设置有对中定位盘2，通过加工工艺精度可保证中定位盘2的卡槽内径匹配曲轴8直径尺寸，进而确保导杆3与曲轴8同轴；第一固定盘4与往复压缩机机壳9通过螺纹固定，机壳9和第一固定盘4上均设置通孔，通孔直径略大于导杆3直径，通过加工精度保证通孔与导杆3同轴；导杆3依次穿过机壳9和第一固定盘4的通孔后与联轴器5相连接，曲轴8的旋转运动通过导杆3传递至联轴器5；第一固定盘4和第二固定盘6通过四根定位杆10连接，定位杆10为圆柱形细杆，通过定位杆10加工精度和定位保证第二固定盘6与第一固定盘4同轴；轴承座7与第一固定盘4固定，编码器1的转轴穿过轴承座7、第二固定盘6与联轴器5连接。

为了确保编码器1轴的轴线与动力源轴线对中，在导杆3上安装了对中定位盘2，通过加工工艺精度可保证中定位盘2卡槽内径匹配曲轴8尺寸，通过中定位盘2保证导杆与曲轴同轴；然后，通过第一固定盘4和四根定位杆10的加工定位，确保第二固定盘6中轴线对中，进而保联轴器5轴线对中，编码器1的转轴与联轴器5接触位置也位于动力源轴线上，编码器1安装位置对中；然后，通过轴承座5的约束作用，进而使编码器1转轴的轴线与动力源轴线对中。

2、一种往复压缩机轴系扭振的测试方法，包括以下步骤：

S1：根据实时采集到的采样信号计算并实时存储曲轴8的瞬时转速动态值，其中，采样信号为编码器1在往复压缩机的预设变速阶段内进行等角度间隔采样得到的脉冲信号，编码器1设置在往复压缩机曲轴8的末端；如图3所示，编码器1每转过一圈可产生固定数量的脉冲，获得精确的脉冲的相邻上升沿(脉冲电压由低到高)或下降沿(脉冲电压由高到低)的时间差，则可获得相对应的曲轴转角以及精确的瞬时转速动态值。曲轴每转一圈编码器输出1024个脉冲，根据脉冲数量即可得到曲轴转角。

S2：根据瞬时转速动态值以及相对应的曲轴转角生成角域图，并对角域图进行处理后生成包含扭振信息的瀑布图。

作为本发明一个优选的实施例，如图4所示，首先在角度域进行等角度采样，得到转速脉冲信号，再计算时间和角度之间的关系，同时在时间和角度的曲线上确定各采样点所对应的时间，从而转换为等时间采样，利用插值法将角度域转换成时域。

对转速从N1逐渐提高至N2的升速阶段进行分析，每增加△N转速划分为一段，形成一个时域子图，记录每个时域子图的所截取段的起始转速为该段平均转速，每个平均转速下截取时间长度t的信号，获得瀑布图的分辨率为1/t赫兹(Hz)，对每个时域子图采用傅里叶变换(FFT)计算，获得每个时域子图的频谱，按照转速从低到高依次排序，生成一张包含扭振信息的瀑布图。

瀑布图的分析方法：首先沿频率坐标正方向，在第一处各个转速下均出现较大幅值对应的频率值，指示该频率为往复压缩机轴系扭振的一阶固有频率；在第二处各个转速下均出现较大幅值对应的频率值，指示该频率为往复压缩机轴系扭振的二阶固有频率。

作为本发明一个优选的实施例，对转速从N1逐渐提高至N2的升速阶段进行分析，每增加△N转速划分为一段，形成一个时域子图，记录每个时域子图的所截取段的起始转速为该段平均转速，每个平均转速下截取时间长度t的信号，每个平均转速下截取n转作为每个角域的长度，获得阶次分辨率为1/n赫兹(Hz)，对每段角域图采用傅里叶变换(FFT)变换计算，获得各个阶段的阶次谱，按照转速从低到高依次排序，生成一张包含扭振信息的瀑布图。

阶次分析方法：测试之前，确定各个旋转部件与曲轴旋转的阶次关系，分析阶次谱，发现某阶次的响应大，可明确是机组哪个部位产生的响应。

实施例1，扭振测试系统对中性验证。

根据扭振测试要求，利用上述一种往复压缩机轴系扭振的测试系统作为实验装置。

从图5可以看出：在1500r/min额定转速下轴系的A，其最大值约为80r/min；经等时间插值重采样，通过傅里叶变换，可得到转速波动信号的频域图，由图6可以看出，轴系在49.38Hz处幅值最大，对应转速的二倍频，在24.69Hz处也有较大的峰值，对应的是转频的三倍，符合激发频率的倍频处波动幅值大的特性；其次，在图7中，在637Hz和1200Hz处有较大峰值，这和轴系的扭转固有频率有关。

将测试系统中的一根定位杆去除后，对比图5与图8，可以明显看到对中失效后，信号精度明显下降；对比图6与图9相比，图9中其他频段的干扰信号幅值明显上升；对比图8和图10，图10中在637Hz和1200Hz处有较大峰值的特征丢失；因此，失效状态下，编码器输出信号无法满足分析扭振的要求。

综上所述，以上实验验证了本申请测试系统以及方法的可行性。

实施例2：仿真模拟验证。

如图11，对实验压缩机结构建立有限元模型，压缩机结构包括依次连接的电机转子11、电机轴12，梅花形联轴器13，平衡块14和曲轴8，本实施例利用有限元计算往复压缩机轴系的扭转振动模态参数。往复压缩机轴系扭振的一阶主振型是在靠近联轴器的平衡块处，一阶固有频率645.55Hz，是压缩机基频15Hz的43倍；往复压缩机轴系扭振的二阶主振型是在联轴器处，二阶扭振固有频率为1265.5Hz，是基频的84倍。

1、测试分析验证

为了测得往复压缩机轴系的扭振固有频率，采集往复压缩机转动的在200r·min^-1转速到900r·min^-1的升速阶段，得到升速阶段的角域图，然后通过一阶线性插值法得到均匀时间间隔的时域图，见图12。

将得到的升速阶段的时域图，将整个过程分为若干个0.25s时间长度的时域子图，并且保证每个时域子图的转速具有相同的转速间隔。在200r·min^-1转速到900r·min^-1转速的升速阶段内，每增加20r·min^-1转速作为一个时域子图的平均转速，每个平均转速的时间长度取0.25s，瀑布图的频率分辨率为4Hz，然后对每段时域子图采用FFT变换方式，计算出各个阶段的瞬时频谱，各瞬时频谱按转速由低到高的顺序排列。用如图13所示的瀑布图来显示分析结果，可以看出，各转速在频率660Hz附近出现较大的峰值，可以判断该往复压缩机轴系的一阶扭振固有频率为660Hz；同时，各转速在频率1285Hz附近出现较大的峰值，但结果不是很明显，初步可以判断该往复压缩机轴系的二阶扭振固有频率为1285Hz。

升速阶段的角域图，在200r·min^-1转速到900r·min^-1转速的升速阶段内，每增加20r·min^-1转速作为一个角域子图的平均转速，取16转作为每个角域的长度，这样做瀑布图的阶次分辨率为1/16Hz，然后对每段角域子图采用FFT变换方式，计算出各个阶段的阶次谱，各阶次谱按转速由低到高的顺序排列。用三维图来显示分析结果，如图14所示，从图中可以看出，阶次分析结果在2阶幅值最大，即在转速二倍频波动幅值最大。由于该往复压缩机是对动式压缩机，两个气缸，所以在转速二倍频出现的转速波动幅值最大。

以上仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种往复压缩机轴系扭振的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据实时采集到的采样信号计算得到往复压缩机工作过程中的曲轴的瞬时转速动态值，其中，所述采样信号为编码器在往复压缩机的预设变速阶段内进行等角度间隔采样得到的脉冲信号，所述编码器设置在往复压缩机的曲轴的末端；

S2：根据瞬时转速动态值以及相对应的曲轴转角生成角域图，并对角域图进行处理后生成包含扭振信息的瀑布图。

2.根据权利要求1所述的一种往复压缩机轴系扭振的测试方法，其特征在于，步骤S2包括：

对所述角域图进行插值重采样得到等时间间隔的时域图；

根据第一预设条件将时域图分成多段时域子图，并对每段时域子图均采用傅里叶变换计算得到各个阶段的频谱，并合并各个阶段的频谱生成包含扭振信息的瀑布图。

3.根据权利要求2所述的一种往复压缩机轴系扭振的测试方法，其特征在于，所述第一预设条件为：按等转速增量进行分段，且保证每个时域子图具有相同的转速增量，将每个时域子图的所截取段的起始转速记为截取段的平均转速，并在每个平均转速下截取固定时间长度的信号。

4.根据权利要求1所述的一种往复压缩机轴系扭振的测试方法，其特征在于，步骤S2包括：

根据第二预设条件将时域图分成多段时域子图，对每段角域子图均采用傅里叶变换计算后生成各个阶段的阶次谱。

5.根据权利要求4所述的一种往复压缩机轴系扭振的测试方法，其特征在于，所述第二预设条件为：按等转速增量进行分段，保证每段角域子图具有相同的转速增量，将每个时域子图的所截取段的起始转速为截取段的平均转速，每个平均转速下截取固定转数的信号。

6.一种往复压缩机轴系扭振的测试系统，其特征在于，包括依次电连接的测试装置、信号采集模块和信号测试子系统，其中：

所述测试装置包括编码器，所述编码器设置在往复压缩机的曲轴的末端，所述编码器用于在往复压缩机的预设变速阶段内进行等角度间隔采样；

所述信号采集模块被配置为：用于采集编码器的采样信号，并将所采样信号处理后反馈至信号测试子系统；

所述信号测试子系统包括计算模块和信号处理模块，所述计算模块用于根据实时采集到的采样信号计算得到曲轴的瞬时转速动态值；所述信号处理模块用于根据瞬时转速动态值以及相对应的曲轴转角生成角域图，并对角域图进行处理后生成包含扭振信息的瀑布图。

7.根据权利要求6所述的一种往复压缩机轴系扭振的测试系统，其特征在于，所述信号处理模块被配置为：

对所述角域图进行插值重采样得到等时间间隔的时域图；

根据第一预设条件将时域图分成多段时域子图，并对每段时域子图均采用傅里叶变换计算得到各个阶段的频谱后，按照转速的高低依次排序，并合并各个阶段的频谱生成包含扭振信息的瀑布图。

8.根据权利要求6所述的一种往复压缩机轴系扭振的测试系统，其特征在于，信号处理模块被配置为：

根据第二预设条件将时域图分成多段时域子图，对每段角域子图均采用傅里叶变换计算后生成各个阶段的阶次谱。

9.根据权利要求6所述的一种往复压缩机轴系扭振的测试系统，其特征在于，所述测试装置还包括依次沿轴向设置的中定位盘、导杆、第一固定盘、联轴器、第二固定盘和轴承座，其中：

所述第一固定盘与往复压缩机机壳的外壁连接，所述第二固定盘的一端面通过四根定位杆与第一固定盘连接，另一端面与轴承座连接；

所述联轴器包括第一端和第二端，所述导杆的一端通过对中定位盘与曲轴连接，另一端依次穿过往复压缩机的机壳和第一固定盘后固定在联轴器的第一端上；所述编码器的转轴依次穿过轴承座、第二固定盘后固定在联轴器的第二端上，所编码器为增量式编码器。

10.根据权利要求9所述的一种往复压缩机轴系扭振的测试系统，其特征在于，所述中定位盘在远离所述导杆的一端开设有卡槽，所述卡槽内径与匹配曲轴直径相匹配。

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