巴鵬，江澤磊,2，李睿

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110159；2.山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西長(zhǎng)治 046012；3.遼河油田特種油開(kāi)發(fā)公司安全環(huán)?？?，遼寧盤(pán)錦 124000)

0 前言

往復(fù)壓縮機(jī)是一種在石油、化工、新能源等行業(yè)中廣泛使用的重要機(jī)械。因?yàn)槠淞慵^多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以故障頻發(fā)。故障會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)巨大損失，甚至造成人員傷亡。氣閥作為往復(fù)壓縮機(jī)中最關(guān)鍵的零件，其故障在往復(fù)壓縮機(jī)故障類型中約占36%。因此，對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)氣閥故障的在線監(jiān)測(cè)與模擬實(shí)驗(yàn)顯得尤為重要。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者在氣閥故障領(lǐng)域進(jìn)行了很多研究。楊菲和蘇永升對(duì)進(jìn)氣閥漏氣故障進(jìn)行模擬，采用熱力參數(shù)、示功圖和振動(dòng)的方法對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。畢文陽(yáng)等利用BH5000R在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組氣閥進(jìn)行模擬、識(shí)別和分析。徐豐甜等采用主成分分析法(PCA)從氣閥閥蓋溫度數(shù)據(jù)中提取故障特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了故障異常自動(dòng)監(jiān)測(cè)。張思陽(yáng)等提出一種基于四次Hermite插值EEMD(QH-EEMD)與功率譜熵(PSE)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了常見(jiàn)故障的準(zhǔn)確診斷。張謙等人通過(guò)建模仿真獲得氣閥泄漏理論數(shù)據(jù)，基于實(shí)驗(yàn)臺(tái)故障模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)合壓力、溫度數(shù)據(jù)分析故障特征，提出了一種融合多參數(shù)實(shí)現(xiàn)氣閥泄漏故障分析診斷的方法。本文作者通過(guò)在2D-90MG往復(fù)壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)進(jìn)氣閥、排氣閥設(shè)計(jì)一系列破壞實(shí)驗(yàn)，在氣閥底座上安裝加速度傳感器，采集并分析振動(dòng)信號(hào)，同時(shí)監(jiān)控進(jìn)氣閥、排氣閥溫度的變化，對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)不同工況的特征進(jìn)行了有效提取，為往復(fù)壓縮機(jī)故障診斷提供參考。

1 氣閥故障原理

在壓縮機(jī)工作過(guò)程中，每一次進(jìn)行氣體的壓縮，氣閥閥片都會(huì)運(yùn)動(dòng)，并且閥片、彈簧和升程限制器會(huì)產(chǎn)生撞擊。無(wú)論哪一種機(jī)械零部件，在長(zhǎng)期高頻率的工作狀態(tài)下，在交變應(yīng)力、氣流沖擊以及高溫腐蝕的狀態(tài)下，都很容易發(fā)生故障，使得排氣量降低，影響工作效率，情況嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)档蛪嚎s機(jī)的壽命，導(dǎo)致壓縮機(jī)無(wú)法正常工作。因此，氣閥的閥片和彈簧是壓縮機(jī)最容易發(fā)生故障的零件。氣閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣閥實(shí)物

結(jié)合氣閥的工作原理以及記錄現(xiàn)場(chǎng)壓縮機(jī)氣閥故障的實(shí)例，氣閥的故障通常分為以下幾類：

(1)閥片斷裂

閥片在長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度的工作后，會(huì)存在一些輕微的磨損，導(dǎo)致較小的漏氣現(xiàn)象。由于此時(shí)的磨損還較小，氣缸內(nèi)外壓力差變化不大，這時(shí)的故障現(xiàn)象還較難觀測(cè)出，屬于輕微故障的范疇。但在這種狀態(tài)下，再經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的磨損，會(huì)出現(xiàn)閥片裂紋、甚至斷裂的現(xiàn)象。此時(shí)，氣缸內(nèi)外的壓力差變化較為明顯，氣閥剛度大幅下降，結(jié)構(gòu)較為松散，會(huì)出現(xiàn)非常明顯的漏氣現(xiàn)象。閥片斷裂這種故障通常不會(huì)損壞氣閥其他零件，換裝一個(gè)閥片即可解決這種故障。

(2)彈簧失效

在氣閥故障種類中，彈簧失效是主要失效形式。彈簧在工作時(shí)主要起到對(duì)閥片與升程限制器的緩沖作用。當(dāng)彈簧失效時(shí)，彈簧無(wú)法對(duì)閥片起到緩沖作用，對(duì)閥片緩沖的作用只能由升程限制器和閥座承擔(dān)，此時(shí)閥片會(huì)劇烈撞擊升程限制器，從而在升程限制器上停留的時(shí)間大于彈簧正常時(shí)的狀態(tài)，這樣會(huì)導(dǎo)致閥片延時(shí)關(guān)閉。閥片延時(shí)關(guān)閉的危害有：造成氣體泄漏、降低排氣量、影響工作效率；加速閥片的磨損、斷裂，還有可能會(huì)造成閥蓋、閥座的磨損；加劇振動(dòng)，產(chǎn)生更大的噪聲。操作者應(yīng)該及時(shí)發(fā)現(xiàn)這種情況，更換較為合適的彈簧。

(3)閥片密封面失效

氣閥工作環(huán)境惡劣，長(zhǎng)期運(yùn)行必然會(huì)造成閥片表面的腐蝕。當(dāng)腐蝕達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生漏氣的現(xiàn)象，即閥片密封面失效。這種情況會(huì)降低氣閥的排氣量，降低壓縮機(jī)的工作效率。通常，緩解這個(gè)問(wèn)題的辦法有：網(wǎng)狀閥片和閥座之間的接觸面必須經(jīng)過(guò)高精度加工和高精度打磨；安裝彈簧必須均勻分布，且排列整齊；彈簧的彈力大小也必須盡可能一致。因?yàn)槿绻麖椈砂惭b出現(xiàn)歪斜或者彈力不一致，在工作時(shí)，很容易導(dǎo)致閥片受力不一致，從而加速磨損。此外，壓縮機(jī)傳輸?shù)慕橘|(zhì)不同，也會(huì)影響閥片磨損的程度。

(4)其他故障

氣閥其他故障通常包括閥片厚度及彈簧彈力不同引起的故障、空氣中油水介質(zhì)形成油膜引起的故障。如果閥片太厚且彈簧的質(zhì)量過(guò)大，會(huì)造成氣閥開(kāi)啟不及時(shí)、關(guān)閉延時(shí)，降低排氣量，影響壓縮機(jī)工作效率。因此，通常選取厚度較薄的高分子材料做成的閥片。另外，如果傳輸?shù)慕橘|(zhì)中混有油水，形成油膜附著在氣閥表面，也會(huì)影響氣閥的正常工作。因此在傳輸介質(zhì)時(shí)，通常會(huì)對(duì)油水進(jìn)行分離。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

文中實(shí)驗(yàn)裝置為2D-90MG往復(fù)式壓縮機(jī)，此型號(hào)為兩列一級(jí)立式空氣壓縮機(jī)，兩列分別為活塞環(huán)式和迷宮環(huán)式。該往復(fù)式壓縮機(jī)與石油、天然氣煉化企業(yè)中常用的壓縮機(jī)較為相似，以該壓縮機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)進(jìn)氣閥、排氣閥進(jìn)行一系列的破壞性實(shí)驗(yàn)，能夠盡可能地模仿實(shí)際工程中往復(fù)式壓縮機(jī)真實(shí)的工作狀態(tài)，采集到的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)有較高的理論意義與參考價(jià)值。2D-90MG往復(fù)式壓縮機(jī)實(shí)物如圖2所示，參數(shù)如表1所示。

圖2 2D-90MG往復(fù)式壓縮機(jī)

表1 2D-90MG往復(fù)式壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù)

(1)振動(dòng)傳感器的選取

文中所采集的振動(dòng)信號(hào)是隨時(shí)間變化的加速度值。隨著氣閥振動(dòng)頻率越來(lái)越高，可以選取的測(cè)量參數(shù)有位移、速度以及加速度，選取哪個(gè)參數(shù)主要取決于氣閥的振動(dòng)頻率。在故障診斷中，常用的傳感器有振動(dòng)位移傳感器、振動(dòng)速度傳感器、振動(dòng)加速度傳感器。2D-90MG往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥振動(dòng)頻率較高，且伴隨著低頻振動(dòng)，綜合分析之后，選擇振動(dòng)加速度傳感器作為測(cè)量參數(shù)對(duì)2D-90MG往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥進(jìn)行監(jiān)測(cè)。傳感器型號(hào)為CT1010L ICP壓電式加速度傳感器，該傳感器體積較小、質(zhì)量較小，比較適合安裝在氣閥內(nèi)部，具體參數(shù)如表2所示。傳感器的安裝方式為磁座安裝，傳導(dǎo)線引出方式為在閥蓋上打孔并灌膠密封，如圖3所示。

表2 CT1010L傳感器參數(shù)

圖3 傳導(dǎo)線引出方式

(2)采集卡的選取

選取USB2830高速數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡可以直接和計(jì)算機(jī)的USB接口相連接，將加速度傳感器采集到的電壓信號(hào)傳輸?shù)焦た貦C(jī)上。USB2830采集卡的參數(shù)如表3所示,連接方式如圖4所示。

表3 USB2830采集卡參數(shù)

圖4 USB2830采集卡

(3)振動(dòng)信號(hào)采集界面的設(shè)計(jì)

由于要同時(shí)采集進(jìn)氣閥、排氣閥的振動(dòng)信號(hào)，必須在采集界面上體現(xiàn)雙路采集的波形圖。另外，還在采集界面上加了2個(gè)計(jì)時(shí)器(手動(dòng)和自動(dòng)),這樣可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的自動(dòng)采集以及實(shí)時(shí)保存，使氣閥故障模擬實(shí)驗(yàn)更加便捷以及智能化。振動(dòng)信號(hào)采集程序界面如圖5所示。

圖5 采集程序界面

(4)其他設(shè)備

其他設(shè)備包括：CT5201恒流適配器，主要負(fù)責(zé)給CT1010L加速度傳感器供電；PLC控制柜，用來(lái)監(jiān)控壓縮機(jī)的壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。恒流適配器和PLC控制柜如圖6所示。

圖6 恒流適配器和PLC控制柜

(5)氣閥故障狀態(tài)模擬

對(duì)氣閥進(jìn)行閥片斷裂、彈簧失效、閥片密封面失效3種狀態(tài)模擬，從而得到實(shí)驗(yàn)所需閥片工作狀態(tài)，以進(jìn)行氣閥振動(dòng)信號(hào)采集。模擬效果如圖7所示。

圖7 氣閥故障模擬效果

2D-90MG往復(fù)式壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建完成后，進(jìn)行氣閥振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集。采樣頻率設(shè)置為25 600 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為4 096個(gè)，通道為0-1通道，計(jì)時(shí)器時(shí)間間隔為1 000 ms。啟動(dòng)2D-90MG往復(fù)式壓縮機(jī)，將往復(fù)式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)到750 r/min,待壓縮機(jī)運(yùn)行2 h及以上達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，采集氣閥振動(dòng)信號(hào)。

3 氣閥振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)分析

3.1 氣閥振動(dòng)信號(hào)時(shí)域分析

(1)氣閥正常振動(dòng)信號(hào)時(shí)域分析

從圖8可以看出:往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥的振動(dòng)具有周期性沖擊規(guī)律。以振動(dòng)信號(hào)波形圖的一個(gè)周期為例，結(jié)合往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥工作一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)形式：氣閥開(kāi)啟→進(jìn)氣保持→氣閥關(guān)閉→排氣保持,可以觀察到：氣閥在進(jìn)氣保持階段和排氣保持階段都伴有一段持續(xù)輕微的振顫，這是由于氣閥在開(kāi)啟和閉合時(shí)，氣體進(jìn)入氣閥，對(duì)閥片造成一定的沖擊力，壓縮彈簧導(dǎo)致的。還可以看出，進(jìn)氣階段比排氣階段的持續(xù)振顫的強(qiáng)度小。氣閥振動(dòng)信號(hào)在氣閥開(kāi)啟和氣閥關(guān)閉這兩個(gè)階段的振動(dòng)作用最強(qiáng)烈，這時(shí)氣體對(duì)閥片和彈簧的沖擊作用力最大，閥片會(huì)撞擊升程限制器，所以產(chǎn)生的振動(dòng)最強(qiáng)烈。另外，氣閥關(guān)閉瞬間的振動(dòng)比氣閥開(kāi)啟瞬間的振動(dòng)小。因?yàn)闅忾y在開(kāi)啟瞬間會(huì)受到氣體對(duì)閥片的沖擊作用力和閥片對(duì)彈簧的瞬間作用力，相對(duì)于氣閥關(guān)閉瞬間作用力大。在氣閥關(guān)閉之后會(huì)有一段二次振顫，這是由于彈簧的作用力導(dǎo)致閥片反彈，引起振顫。除此之外，對(duì)比進(jìn)氣閥和排氣閥的時(shí)域波形，可知進(jìn)氣閥和排氣閥的波形圖包括運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和振動(dòng)形式大體一致，不同的是，排氣閥的振動(dòng)強(qiáng)度整體上比進(jìn)氣閥大10%～20%。

圖8 氣閥正常振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖

(2)閥片斷裂振動(dòng)信號(hào)時(shí)域分析

從圖9可以看出：在氣閥開(kāi)啟和關(guān)閉仍然具有較高的振動(dòng)，在進(jìn)氣保持和排氣保持階段振動(dòng)的幅度明顯增加，幾乎達(dá)到了氣閥開(kāi)啟和閉合瞬間的振動(dòng)大小，導(dǎo)致氣閥的4個(gè)工作過(guò)程變得難以區(qū)分。這是由于閥片斷裂，氣閥漏氣情況較為嚴(yán)重，一部分氣體直接作用在閥片、彈簧和升程限制器上，引起較高的振顫，導(dǎo)致進(jìn)氣保持和排氣保持階段的振動(dòng)大幅度增加。在氣閥開(kāi)啟和氣閥關(guān)閉前后，振動(dòng)次數(shù)明顯增多，這是由于閥片斷裂后的碎塊會(huì)掉落在彈簧或者升程限制器上，引起氣閥的共振。對(duì)比進(jìn)氣閥和排氣閥的時(shí)域波形圖，發(fā)現(xiàn)排氣閥的振動(dòng)明顯高于進(jìn)氣閥，但振動(dòng)波形的總體規(guī)律與進(jìn)氣閥相似；不同的是，排氣閥在氣閥開(kāi)啟和關(guān)閉階段的振動(dòng)比進(jìn)氣保持和排氣保持階段的振動(dòng)更明顯，與進(jìn)氣閥相比更容易觀測(cè)到氣閥的工作過(guò)程和完整周期。

圖9 閥片斷裂振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖

(3)彈簧失效振動(dòng)信號(hào)時(shí)域分析

從圖10可以看出：氣閥開(kāi)啟與關(guān)閉瞬間的振動(dòng)幅度基本相同，這與氣閥正常狀態(tài)的時(shí)域波形有區(qū)別。氣閥開(kāi)啟和閉合瞬間伴隨一段時(shí)間的輕微振顫，這可能是彈簧失效后，彈簧對(duì)閥片的彈力作用減小，閥片對(duì)閥座底部的沖擊作用力變大，導(dǎo)致氣閥開(kāi)啟和閉合瞬間伴隨一段振顫。相對(duì)于氣閥正常的時(shí)域波形，彈簧失效狀態(tài)氣閥關(guān)閉瞬間沒(méi)有二次反彈；在進(jìn)氣保持和排氣保持階段，會(huì)伴有許多較為雜亂的振動(dòng)，這是由于彈簧失效，閥片運(yùn)動(dòng)可能會(huì)出現(xiàn)偏移等現(xiàn)象造成的。另外，對(duì)比進(jìn)氣閥和排氣閥，兩者的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形大致相似，同其他運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一樣的是，排氣閥振動(dòng)幅度比進(jìn)氣閥大約20%。

圖10 彈簧失效振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖

(4)閥片密封面失效振動(dòng)信號(hào)時(shí)域分析

從圖11可以看出：進(jìn)氣閥的時(shí)域波形在氣閥開(kāi)啟和關(guān)閉瞬間振動(dòng)幅度較接近，在進(jìn)氣保持階段和排氣保持階段振動(dòng)幅度也較相似，都伴隨輕微的振顫。在氣閥關(guān)閉瞬間未出現(xiàn)二次振顫現(xiàn)象，主要原因是閥片磨損導(dǎo)致密封面失效，當(dāng)氣體進(jìn)入氣閥作用在閥片上時(shí)，閥片表面受力不均勻，從而導(dǎo)致在進(jìn)氣保持階段和排氣保持階段會(huì)出現(xiàn)輕微的振顫。從圖11(b)還可以看出：氣閥開(kāi)啟階段比氣閥關(guān)閉階段振動(dòng)幅度大，除此之外，排氣閥振動(dòng)規(guī)律基本與進(jìn)氣閥相似；排氣閥振動(dòng)幅度總體比進(jìn)氣閥大約20%。

圖11 閥片密封面失效振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖

經(jīng)過(guò)氣閥振動(dòng)信號(hào)時(shí)域分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)氣閥正常狀態(tài)下氣閥開(kāi)啟階段比關(guān)閉階段振動(dòng)幅度大；進(jìn)氣保持階段和排氣保持階振動(dòng)幅度較小且穩(wěn)定；氣閥關(guān)閉階段之后會(huì)出現(xiàn)較為明顯的二次振顫現(xiàn)象?？傮w來(lái)說(shuō)，氣閥正常狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形較為清晰，可以很直觀地看到氣閥保持氣閥開(kāi)啟→進(jìn)氣保持→氣閥關(guān)閉→排氣保持的周期運(yùn)行狀態(tài)。

(2)閥片斷裂狀態(tài)下一個(gè)很明顯的特征是振動(dòng)幅度顯著減小，約為其他狀態(tài)的1/2。另一個(gè)特征是氣閥一個(gè)周期內(nèi)各個(gè)階段的運(yùn)行狀態(tài)不清晰。閥片斷裂會(huì)產(chǎn)生碎片，氣閥工作時(shí)碎片與閥片發(fā)生共振，同時(shí)氣體通過(guò)裂痕直接作用于彈簧和閥座，將導(dǎo)致周期內(nèi)氣閥各個(gè)階段運(yùn)動(dòng)狀態(tài)混淆。由此，能夠判斷出閥片斷裂的故障狀態(tài)。

(3)與氣閥正常狀態(tài)相比較，彈簧失效和閥片密封面失效這2種故障狀態(tài)的進(jìn)氣保持階段和排氣保持階段振動(dòng)較為雜亂，且在氣閥關(guān)閉階段之后未出現(xiàn)二次振顫的現(xiàn)象，這是判斷這2種故障狀態(tài)的重要依據(jù)。但對(duì)于彈簧失效和閥片密封面失效，這2種故障狀態(tài)的時(shí)域波形較相似，很難通過(guò)時(shí)域波形圖來(lái)對(duì)這2種故障狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分。

3.2 氣閥振動(dòng)信號(hào)頻譜分析

通過(guò)對(duì)氣閥振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域分析，對(duì)氣閥故障狀態(tài)有了初步判斷。通過(guò)對(duì)氣閥振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，觀察氣閥振動(dòng)信號(hào)在不同頻率范圍內(nèi)的振幅大小，進(jìn)一步加深對(duì)氣閥故障狀態(tài)的判斷。

(1)氣閥正常振動(dòng)信號(hào)頻譜分析

氣閥正常狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)頻譜如圖12所示?？梢钥闯觯涸谕瑯拥念l帶上，振動(dòng)信號(hào)的能量分布雜亂無(wú)章，很難找到良好的規(guī)律來(lái)反映氣閥運(yùn)行狀態(tài)，只能通過(guò)不同頻帶上的細(xì)微差別進(jìn)行區(qū)分，以加深對(duì)氣閥運(yùn)行狀態(tài)的認(rèn)識(shí)。從圖12(a)可以看出:在0～2 500 Hz內(nèi)，振幅變化較小;在2 500～8 500 Hz范圍內(nèi)，氣閥振幅變化較大，且在2 500～3 000 Hz、4 500～5 500 Hz、8 000～8 500 Hz范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)峰值；在8 500～12 500 Hz內(nèi)，振幅逐漸變小?？傮w來(lái)說(shuō)，氣閥正常狀態(tài)下，進(jìn)氣閥能量在一定的頻帶內(nèi)分布比較均勻，在中頻帶達(dá)到峰值。與圖12(a)相比，圖12(b)中的振幅明顯較大，最高峰值約是進(jìn)氣閥的2倍。由圖12(b)可知：在0～6 000 Hz，排氣閥振動(dòng)信號(hào)幅值較小，但在0～1 000 Hz、2 000～3 000 Hz、4 500～5 000 Hz內(nèi)都出現(xiàn)了局部峰值；在6 000～11 100 Hz內(nèi)，排氣閥振動(dòng)信號(hào)能量比較集中，幅值明顯增大；在11 100～12 500 Hz內(nèi)，排氣閥振動(dòng)信號(hào)振幅逐漸降低?？傮w來(lái)說(shuō)，排氣閥振動(dòng)信號(hào)的特征是能量向高頻段移動(dòng)，在中高頻段內(nèi)能量集中且振幅較高。

圖12 氣閥正常振動(dòng)信號(hào)頻譜圖

(2)閥片斷裂振動(dòng)信號(hào)頻譜分析

閥片斷裂狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)頻譜如圖13所示。

圖13 閥片斷裂振動(dòng)信號(hào)頻譜圖

從圖13可以看出：進(jìn)氣閥振動(dòng)信號(hào)振幅在1 500～2 500 Hz、4 500～5 500 Hz范圍內(nèi)出現(xiàn)了局部峰值；在6 000～8 000 Hz內(nèi)能量比較集中；在8 000～12 500 Hz內(nèi)振幅較低。閥片斷裂狀態(tài)下進(jìn)氣閥的振動(dòng)信號(hào)主要呈現(xiàn)能量向中低頻段移動(dòng)的特點(diǎn)。排氣閥相比于進(jìn)氣閥，最大的區(qū)別是振幅較高，約是進(jìn)氣閥的2倍。此外，排氣閥的振幅分布比較規(guī)律，每間隔3 000 Hz振幅大小相似，但在5 000 Hz左右達(dá)到峰值?？傮w來(lái)說(shuō)，閥片斷裂狀態(tài)下排氣閥的頻譜在0～12 500 Hz上能量分布較為規(guī)律。

(3)彈簧失效振動(dòng)信號(hào)頻譜分析

彈簧失效狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)頻譜如圖14所示?？芍涸?～12 500 Hz上，進(jìn)氣閥的能量大小分布比較接近，在7 000 Hz左右能量達(dá)到峰值；排氣閥的振動(dòng)信號(hào)頻譜與進(jìn)氣閥較為接近，不同的是排氣閥振動(dòng)信號(hào)約在5 000 Hz和7 000 Hz處出現(xiàn)2個(gè)峰值，且振幅最大時(shí)為進(jìn)氣閥的1.2倍?？傮w來(lái)說(shuō)，彈簧失效狀態(tài)下氣閥振動(dòng)信號(hào)能量主要分布在5 000～7 500 Hz中頻帶上，在低頻段和高頻段能量分布均勻且較低。

圖14 彈簧失效振動(dòng)信號(hào)頻譜圖

(4)閥片密封面失效振動(dòng)信號(hào)頻譜分析

閥片密封面失效狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)頻譜如圖15所示。

圖15 閥片密封面失效振動(dòng)信號(hào)頻譜圖

從圖15可以看出：進(jìn)氣閥在0～3 000 Hz、4 500～7 500 Hz頻帶上，振動(dòng)信號(hào)的振幅較接近且能量較低；在4 500、8 500、11 000 Hz附近，振幅出現(xiàn)峰值；頻率大于11 000 Hz后，能量逐漸降低。排氣閥振動(dòng)信號(hào)頻譜與進(jìn)氣閥比較相似。排氣閥振動(dòng)信號(hào)在4 500～5 000 Hz、7 500～8 500 Hz內(nèi)能量分布比較集中，振幅出現(xiàn)峰值；頻率大于8 000 Hz后，能量逐漸降低。此外，排氣閥振動(dòng)信號(hào)頻譜的最大能量比進(jìn)氣閥高?？傮w來(lái)說(shuō)，閥片密封面失效狀態(tài)下氣閥振動(dòng)信號(hào)能量主要集中在4 500～8 000 Hz中頻段。

經(jīng)過(guò)氣閥振動(dòng)信號(hào)頻譜分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)氣閥正常狀態(tài)下的頻譜特征是能量向高頻移動(dòng)，頻率在6 000～11 000 Hz范圍內(nèi)振動(dòng)信號(hào)能量較高且分布集中。

(2)閥片斷裂狀態(tài)下的頻譜特征是頻率在5 000 Hz附近時(shí)，能量達(dá)到最大，在其余頻帶上能量較小且分布均勻。

(3)彈簧失效狀態(tài)下的頻譜特征是在0～4 000 Hz低頻帶時(shí)能量較小、4 000～7 000 Hz中頻帶內(nèi)能量較大、在7 000～12 500 Hz高頻帶內(nèi)能量也較小。總體來(lái)說(shuō)，彈簧失效狀態(tài)下能量向中頻移動(dòng)。

(4)閥片密封面失效狀態(tài)下的頻譜特征是在0～4 000 Hz低頻帶能量分布較低、在4 000～9 000 Hz中頻帶能量較高?？傮w來(lái)說(shuō)，閥片密封面失效狀態(tài)下，能量向中高頻移動(dòng)，在中頻帶內(nèi)能量最大。

彈簧失效和閥片密封面失效狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)頻譜圖較相似，區(qū)別是在中頻帶的能量分布有細(xì)微差別。因此，用頻譜圖對(duì)這兩類故障狀態(tài)進(jìn)行診斷比較困難，不能保證較高的準(zhǔn)確率。

4 結(jié)論

本文作者基于2D-90MG兩列一級(jí)往復(fù)式壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)設(shè)計(jì)氣閥故障模擬實(shí)驗(yàn)、搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、采集氣閥振動(dòng)信號(hào)、對(duì)氣閥振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)介紹往復(fù)式壓縮機(jī)的工作原理和故障機(jī)制，得出氣閥故障占往復(fù)式壓縮機(jī)故障種類的60%以上，因此研究氣閥故障具有重要意義。通過(guò)分析往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥運(yùn)行過(guò)程和失效形式，得出氣閥常見(jiàn)的4種工作狀態(tài)：氣閥正常、閥片斷裂、彈簧失效、閥片密封面失效,為往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥故障模擬實(shí)驗(yàn)提供參考。

(2)通過(guò)分析氣閥振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形和頻譜，可知：往復(fù)壓縮機(jī)氣閥出現(xiàn)不同故障時(shí)，其振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜的能量分布存在一定差別。但這種診斷方法只適用于對(duì)氣閥故障狀態(tài)進(jìn)行初步診斷，如需提高診斷結(jié)果準(zhǔn)確性，還需引入其他的診斷方法。