CN113700639B - 一种往复式压缩机无损故障诊断系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种往复式压缩机无损故障诊断系统及方法，诊断方法包括根据测得的活塞杆在测点处的动态应变值及活塞杆在x、y轴方向的加速度，计算压缩机气体力与活塞杆在x、y轴方向的冲击力随曲轴转角动态变化曲线；根据计算所得压缩机气体力与活塞杆在x、y轴方向的冲击力随曲轴转角动态变化曲线，通过与正常运行工况下的气体力及冲击力随曲轴转角动态变化曲线对比，分析确定往复式压缩机存在的故障问题：如果气体力曲线出现异常，则判定气缸组件出现了故障；如果冲击力随曲轴转角动态变化曲线出现相应的冲击信号异常，则说明对应运动副磨损较为严重，判定运动机构出现故障。本发明可以同时监测诊断气缸工作机构和运动机构的故障，并且不破坏压缩机。

Description

一种往复式压缩机无损故障诊断系统及方法

技术领域

本发明属于往复式压缩机领域，具体涉及一种往复式压缩机无损故障诊断系统及方法。

背景技术

往复压缩机广泛应用于加气站、食品、电厂、石油化工、天然气运输等行业。往复式压缩机的零部件多、工作环境复杂。根据不完全统计，在石油、炼化行业的重大事故中，15％左右的事故由往复压缩机故障所致。大中型往复压缩机成本较高，工业现场的压缩机不易检修、更换。往复式压缩机的故障或损坏，直接影响着整个工业生产过程。

往复式压缩机的故障主要分为两类，一类是气缸工作机构故障，包含诸如阀门失效、填料磨损和活塞环泄露等故障；另一类是运动机构故障，包含诸如活塞杆断裂、大小头轴瓦磨损等故障。其中，气缸工作机构故障，主要通过热力过程可以分析得到，经典的诊断方法为P-V图监测法；运动机构故障的经典诊断方法为活塞杆沉降位移激振动信号的测量分析，而这两种诊断方法均只能识别单类故障，无法将气缸工作机构与运动机构故障综合起来，而实现压缩机故障的诊断与监测。此外，传统的P-V图监测法，在气缸上安装压力传感器需要开凿测压孔，这会影响气缸的强度，并且部分压缩机不允许在气缸上加工测压孔。因此，提出可以综合反应两类故障并且对气缸无损坏的故障诊断方法十分必要。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种往复式压缩机无损故障诊断系统及方法，基于无损的技术手段，利用活塞杆应变以及加速度信号的监测过程，将工作机构故障与运动机构故障综合起来，实现对压缩机早期故障的诊断与监测。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种往复式压缩机无损故障诊断系统，包括安装在滑道内部的十字头，所述十字头的一侧与往复式压缩机的活塞杆相连，在滑道的限位作用下，十字头能够运动的方向与活塞杆的运动方向一致；所述十字头的另一侧通过连杆与曲轴的一端相连，曲轴在其飞轮的带动下做圆周运动，所述的飞轮处安装光电传感器，用于通过得到外止点信号，进而确定出曲轴的转角；所述的活塞杆上设置有测点，测点通过应变传感器测量出其上和下两点处的应变值，进而测得往复式压缩机运行过程中活塞杆上下点动态应变值；所述的活塞杆上安装加速度传感器，用于测量活塞杆在x、y轴方向的动态加速度；所述的光电传感器、应变传感器以及加速度传感器采集到的信息发送至故障诊断模块，故障诊断模块根据计算所得气体力与活塞杆在x、y轴方向的冲击力随曲轴转角动态变化曲线，通过与正常运行工况下的气体力及冲击力曲线对比，分析确定往复式压缩机存在的故障。

第二方面，本发明实施例还提供了一种使用所述往复式压缩机无损故障诊断系统的故障诊断方法，包括以下步骤：

根据测得的活塞杆在测点处的动态应变值及活塞杆在x、y轴方向的加速度，计算压缩机气体力与活塞杆在x、y轴方向的冲击力随曲轴转角动态变化曲线；

根据计算所得压缩机气体力与活塞杆在x、y轴方向的冲击力随曲轴转角动态变化曲线，通过与正常运行工况下的气体力及冲击力随曲轴转角动态变化曲线对比，分析确定往复式压缩机存在的故障问题，具体的判断方式如下：如果气体力曲线出现异常，则判定气缸组件出现了故障；如果冲击力随曲轴转角动态变化曲线出现相应的冲击信号异常，则说明对应运动副磨损较为严重，判定运动机构出现故障。

作为本发明的一种优选方案，所述计算压缩机气体力与活塞杆在x、y轴方向的冲击力随曲轴转角动态变化曲线具体方法如下：

为压缩机的活塞杆建立等效悬臂梁模型，将压缩机的活塞所在端视为固定端，将十字头连接端视为自由端，并将连杆以及滑道对十字头的作用力均视为作用在十字头的质心，然后对活塞杆进行受力分析；

在建立的等效悬臂梁模型中，计算轴向载荷产生的应变，计算活塞杆的内部弯矩，并且根据活塞杆的加速度、应变和内部弯矩推导出等效活塞杆与十字头相连的另半部分在x、y轴方向的受力及作用在活塞上的气体力表达式；

计算得到气体力以及等效活塞杆与十字头相连的另半部分所受冲击力。

进一步的，在本发明的一种优选方案中，在建立的等效悬臂梁模型中，活塞杆在x、y轴方向的加速度表示为：

式中，m₁、m₂、m₃分别为活塞、活塞杆、十字头的质量；G₂、G₃分别为活塞杆、十字头的重力；F_g为气体力；F_x、F_y分别为活塞杆在x、y轴方向的冲击力；F_N1为活塞对活塞杆的侧向力。

进一步的，在本发明的一种优选方案中，在建立的等效悬臂梁模型中，按下式计算轴向载荷产生的应变：

式中，L为活塞杆的长度；d为活塞杆的横截面直径；E为活塞杆的弹性模量；x为应变测点位置的数值；σ_P(x)为活塞杆轴向载荷产生的应力。

进一步的，在本发明的一种优选方案中，在建立的等效悬臂梁模型中，按下式计算活塞杆的内部弯矩：

式中，L为活塞杆的长度；L_Δ为十字头的质心到活塞杆端点的距离；

σ_M(x，y)为活塞杆的弯矩产生应力；I为截面惯性矩。

进一步的，在本发明的一种优选方案中，所述活塞杆在x、y轴方向的冲击力和压缩机气体力表达式如下：

式中，x、y为测点坐标值。

进一步的，在本发明的一种优选方案中，对活塞杆同一横截面的表面应力测点而言，存在y＝d/2或-d/2；测点应力有如下关系式，σ_up和σ_down由应变传感器测量获得：

式中，σ_P为活塞杆轴向载荷产生的应力；σ_M为活塞杆弯矩产生应力；

σ_M(x,d/2)与σ_M(x,-d/2)大小相等方向相反；

σ_up和σ_down分别为同一测点up和down两个应变片的应力；

所述的气体力表达式还能够表示为：

式中，矩阵T_F为双源系数阵，表达式如下：

式中，A_L为活塞杆横截面积；

据此，气体力以及等效活塞杆与十字头相连的另半部分所受冲击力通过应力及加速度计算得到。

相较于现有技术，本发明具有如下的有益效果：提出了双源系数阵算法，根据测得的活塞杆在测点处的动态应变值及活塞杆在x、y轴方向的加速度，计算压缩机气体力与活塞杆在x、y轴方向的冲击力随曲轴转角动态变化曲线，根据计算所得气体力与活塞杆在x、y轴方向的冲击力随曲轴转角动态变化曲线，通过与正常运行工况下的气体力及冲击力曲线对比，分析确定往复式压缩机存在的故障。如果气体力曲线出现异常，则判定气缸组件出现了故障；如果冲击力随曲轴转角动态变化曲线出现相应的冲击信号异常，则说明对应运动副磨损较为严重，判定运动机构出现故障。本发明可以同时监测诊断气缸工作机构和运动机构的故障，并且不破坏压缩机，保证了气缸的结构强度及无损的特殊要求。

附图说明

图1本发明实施例往复式活塞压缩机结构示意图；

图2本发明实施例活塞杆受力及应力测点分布示意图；

图3本发明实施例故障诊断方法流程图；

附图中：11-活塞；12-气缸；13-活塞杆；14-十字头；15-连杆；16-曲轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明往复式压缩机无损故障诊断系统的一种实施例，包括安装在滑道内部的十字头14，十字头14的一侧与往复式压缩机的活塞杆13相连，在滑道的限位作用下，十字头14能够运动的方向与活塞杆13的运动方向一致；十字头14的另一侧通过连杆15与曲轴16的一端相连，曲轴16在其飞轮的带动下做圆周运动，飞轮处安装光电传感器，用于通过得到外止点信号，进而确定出曲轴16的转角；活塞杆13上设置有测点，测点通过应变传感器测量出其上和下两点处的应变值，进而测得往复式压缩机运行过程中活塞杆13上下点动态应变值；活塞杆13上安装加速度传感器，用于测量活塞杆13在x、y轴方向的动态加速度；光电传感器、应变传感器以及加速度传感器采集到的信息发送至故障诊断模块，故障诊断模块根据计算所得气体力与活塞杆13在x、y轴方向的冲击力随曲轴16转角动态变化曲线，通过与正常运行工况下的气体力及冲击力曲线对比，分析确定往复式压缩机存在的故障。

另一个实施例，使用所述的往复式压缩机无损故障诊断系统的故障诊断方法，包括：

提出双源系数阵算法，根据测得的活塞杆13应变及活塞杆13在x、y轴方向的加速度，计算压缩腔内气体动态压力曲线与活塞杆13受到的x、y轴方向冲击力动态曲线。

具体步骤如下，其中由于测点在活塞杆13和十字头14连接端，因此x＝L：

a)为活塞杆13建立等效悬臂梁模型，将所述活塞端视为固定端。其中，由于活塞11与十字头14相对于活塞杆13不易变形，视为刚体。十字头14视为自由端，并将连杆15及滑道对十字头14的作用力均视为作用在十字头14质心。如图2，对活塞杆13进行受力分析。

b)在悬臂梁模型中，活塞杆13在x、y轴方向的加速度可表示为：

式中，m₁、m₂、m₃分别为活塞11、活塞杆13、十字头14的质量；G₂、G₃分别为活塞杆13、十字头14的重力；F_g为气体力；F_x、F_y为活塞杆13在x、y方向的冲击力；F_N1为活塞11对活塞杆13及活塞组件的侧向力。

c)在悬臂梁模型中，计算轴向载荷产生应变：

式中，L为活塞杆13长度；d为活塞杆13横截面直径；E为活塞杆13的弹性模量；σ_P为活塞杆13轴向载荷产生的应力。

d)在悬臂梁模型中，计算活塞杆13的内部弯矩：

式中，L为活塞杆13长度；L_Δ为十字头14质心到活塞杆13右端点的距离，σ_M为活塞杆13弯矩产生应力，测点位于活塞杆13表面，y可取d/2或-d/2,此处取y＝d/2；I为截面惯性矩。

e)在悬臂梁模型中，根据活塞杆13加速度、应变和弯矩表达式推导出等效活塞杆13右半部分x、y方向受力及作用在活塞上的气体力。

因测点在活塞杆与十字头连接处，因此取x＝L作为应力研究对象，计算表达式如下：

式中，x、y为测点坐标值。

f)对活塞杆13同一横截面的表面应力测点而言，应力有如下关系式，σ_up和σ_down由应变片测量获得：

式中，σ_P(L)为活塞杆13轴向载荷产生的应力；σ_M为活塞杆13弯矩产生应力，σ_M(L，d/2)与σ_M(L，-d/2)大小相等方向相反；σ_up和σ_down为同一测点up和down两个应变片的应力。

g)在悬臂梁模型中，根据活塞杆13加速度、应变和弯矩表达式推导出等效活塞杆13右半部分x、y方向受力及作用在活塞11上的气体力：

式中，将矩阵T_F称为双源系数阵，表达式如下：

式中，A_L为活塞杆横截面积。

据此，气体力以及等效活塞杆13右端所受冲击力可通过应力及加速度计算得到。

如图3所示，根据计算所得气体力与活塞杆13x、y方向冲击力随主轴转角动态变化曲线，通过与正常运行工况下的气体力及冲击力曲线对比，分析确定往复式压缩机存在的故障问题：其中若气体压力曲线出现异常，则说明压缩机气缸工作机构出现了部分故障；冲击作用力曲线出现相应的冲击信号异常，则说明对应运动副磨损较为严重，压缩机运动机构出现故障。

本发明提供了一种基于无损的技术手段，利用活塞杆应变及加速度信号的监测方法，并且将工作机构故障与运动机构故障综合起来，实现对压缩机早期故障的诊断与监测。

以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种往复式压缩机无损故障诊断系统，其特征在于：包括安装在滑道内部的十字头(14)，所述十字头(14)的一侧与往复式压缩机的活塞杆(13)相连，在滑道的限位作用下，十字头(14)能够运动的方向与活塞杆(13)的运动方向一致；所述十字头(14)的另一侧通过连杆(15)与曲轴(16)的一端相连，曲轴(16)在其飞轮的带动下做圆周运动，所述的飞轮处安装光电传感器，用于通过得到外止点信号，进而确定出曲轴(16)的转角；所述的活塞杆(13)上设置有测点，测点通过应变传感器测量出其上和下两点处的应变值，进而测得往复式压缩机运行过程中活塞杆(13)上下点动态应变值；所述的活塞杆(13)上安装加速度传感器，用于测量活塞杆(13)在x、y轴方向的动态加速度；所述的光电传感器、应变传感器以及加速度传感器采集到的信息发送至故障诊断模块，故障诊断模块根据计算所得气体力与活塞杆(13)在x、y轴方向的冲击力随曲轴(16)转角动态变化曲线，通过与正常运行工况下的气体力及冲击力曲线对比，分析确定往复式压缩机存在的故障；计算压缩机气体力与活塞杆(13)在x、y轴方向的冲击力随曲轴(16)转角动态变化曲线具体方法如下：

为压缩机的活塞杆(13)建立等效悬臂梁模型，将压缩机的活塞(11)所在端视为固定端，将十字头(14)连接端视为自由端，并将连杆(15)以及滑道对十字头(14)的作用力均视为作用在十字头(14)的质心，然后对活塞杆(13)进行受力分析；

在建立的等效悬臂梁模型中，计算轴向载荷产生的应变，计算活塞杆(13)的内部弯矩，并且根据活塞杆(13)的加速度、应变和内部弯矩推导出等效活塞杆(13)与十字头(14)相连的另半部分在x、y轴方向的受力及作用在活塞(11)上的气体力表达式；

计算得到气体力以及等效活塞杆(13)与十字头(14)相连的另半部分所受冲击力。

2.一种使用权利要求1所述的往复式压缩机无损故障诊断系统的故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据测得的活塞杆(13)在测点处的动态应变值及活塞杆(13)在x、y轴方向的加速度，计算压缩机气体力与活塞杆(13)在x、y轴方向的冲击力随曲轴(16)转角动态变化曲线；

根据计算所得压缩机气体力与活塞杆(13)在x、y轴方向的冲击力随曲轴(16)转角动态变化曲线，通过与正常运行工况下的气体力及冲击力随曲轴(16)转角动态变化曲线对比，分析确定往复式压缩机存在的故障问题，具体的判断方式如下：如果气体力曲线出现异常，则判定气缸(12)组件出现了故障；如果冲击力随曲轴(16)转角动态变化曲线出现相应的冲击信号异常，则说明对应运动副磨损较为严重，判定运动机构出现故障。

3.根据权利要求2所述的故障诊断方法，其特征在于，计算压缩机气体力与活塞杆(13)在x、y轴方向的冲击力随曲轴(16)转角动态变化曲线具体方法如下：

为压缩机的活塞杆(13)建立等效悬臂梁模型，将压缩机的活塞(11)所在端视为固定端，将十字头(14)连接端视为自由端，并将连杆(15)以及滑道对十字头(14)的作用力均视为作用在十字头(14)的质心，然后对活塞杆(13)进行受力分析；

在建立的等效悬臂梁模型中，计算轴向载荷产生的应变，计算活塞杆(13)的内部弯矩，并且根据活塞杆(13)的加速度、应变和内部弯矩推导出等效活塞杆(13)与十字头(14)相连的另半部分在x、y轴方向的受力及作用在活塞(11)上的气体力表达式；

计算得到气体力以及等效活塞杆(13)与十字头(14)相连的另半部分所受冲击力。

4.根据权利要求3所述的故障诊断方法，其特征在于：

在建立的等效悬臂梁模型中，活塞杆(13)在x、y轴方向的加速度表示为：

式中，m₁、m₂、m₃分别为活塞(11)、活塞杆(13)、十字头(14)的质量；G₂、G₃分别为活塞杆(13)、十字头(14)的重力；F_g为气体力；F_x、F_y分别为活塞杆(13)在x、y轴方向的冲击力；F_N1为活塞(11)对活塞杆(13)的侧向力。

5.根据权利要求4所述的故障诊断方法，其特征在于：

在建立的等效悬臂梁模型中，按下式计算轴向载荷产生的应变：

式中，L为活塞杆(13)的长度；d为活塞杆(13)的横截面直径；E为活塞杆(13)的弹性模量；x为应变测点位置的数值；σ_P(x)为活塞杆(13)轴向载荷产生的应力。

6.根据权利要求5所述的故障诊断方法，其特征在于：

在建立的等效悬臂梁模型中，按下式计算活塞杆(13)的内部弯矩：

式中，L为活塞杆(13)的长度；L_Δ为十字头(14)的质心到活塞杆(13)端点的距离；

σ_M(x,y)为活塞杆(13)的弯矩产生应力；I为截面惯性矩。

7.根据权利要求6所述的故障诊断方法，其特征在于，所述活塞杆(13)在x、y轴方向的冲击力和压缩机气体力表达式如下：

式中，x、y为测点坐标值。

8.根据权利要求7所述的故障诊断方法，其特征在于：

对活塞杆(13)同一横截面的表面应力测点而言，存在y＝d/2或-d/2；

测点应力有如下关系式，σ_up和σ_down由应变传感器测量获得：

式中，σ_P为活塞杆(13)轴向载荷产生的应力；σ_M为活塞杆(13)弯矩产生应力；

σ_M(x,d/2)与σ_M(x,-d/2)大小相等方向相反；

σ_up和σ_down分别为同一测点up和down两个应变片的应力；

所述的气体力表达式还能够表示为：

式中，矩阵T_F为双源系数阵，表达式如下：

式中，A_L为活塞杆横截面积；

据此，气体力以及等效活塞杆(13)与十字头(14)相连的另半部分所受冲击力通过应力及加速度计算得到。

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