往复式压缩机振动信号特征分析及故障诊断方法探究

高亮（中国石油化工股份有限公司华北分公司第一采气厂，陕西 榆林 719000）

往复式压缩机作为石油化工生产过程的关键性设备，它的运行效果影响着石油业的健康发展。往复式压缩机具有结构型式各异、运动部件多、故障发生率高的特点，且工作环境相当恶劣。考虑到往复式压缩机的结构特征及运行工况均十分复杂，因此压缩机工作过程必定产生振动，即压缩机内部构件的性能状态经某种传统途径由壳体表面的振动信号反映出来。可见，借助振动信号来诊断压缩机的故障具有可行性。本文笔者结合实践经验，就往复式压缩机振动信号的特征及故障诊断方法进行研究，以便准确确定出压缩机的故障，进而实现往复式压缩机的安全稳定运行。

1 往复式压缩机振动信号的特征

据相关研究结果表明，往复式压缩机的振动信号具有周期性、冲击响应两大特征，即压缩机振动信号的核心成份均表现出显著的周期性特征，且此周期均属曲轴旋转周期（倍频），同时压缩机振动信号的成份为冲击响应信号，因此表现出显著的冲击响应特征。本章节试图从此两方面探究往复式压缩机振动信号的特征，以便为往复式压缩机的故障诊断提供参考依据。

往复式压缩机振动信号的核心成份均属周期性函数，且此周期函数的基本周期为曲轴旋转周期，因此压缩机振动信号的任意整周期信号反映出的压缩机工况信息均相同，则仅需获取到任意整周期的振动信号，便可确定压缩机的运行故障，如此实现工作量的降低。考虑到往复式机械振动信号的循环平稳性由该机械运动部件的周期性决定，因此可采用循环平稳法来分析压缩机振动信号的特征。研究表明，往复式压缩机振动信号属来自若干激励源的响应信号的叠加，且频域内此响应信号的分布位置各不相同，因此可借助振动信号的频域能量特征来确定来自任意激励源的响应信号所对应的特征频带，然后再对该频带信号的特征进行提取，以监测往复式压缩机的运行工况。就往复式压缩机的运行故障而言，故障的类型定会改变振动信号的整体时域波形，因此此波形变化的信息可从整体振动信号内提取出来，由此确定压缩机的工况特征。总之，往复式压缩机具有复杂的结构、较多的振动激励源及多样化的故障类型，因此对往复式压缩机振动信号特征的研究能为压缩机的故障诊断提供参考依据。

2 往复式压缩机的故障诊断方法

从机理角度而言，往复式压缩机故障可分成流体性质的故障及机械性质的故障两种类型，其中前者属机器热力性能故障，后者属机械功能故障。考虑到往复式压缩机故障的成因各不相同，因此压缩机振动信号及诊断方法亦有所不同。结合多年实践经验可知，往复式压缩机热力性能故障多由易损件（比如填料函等）损坏所致，而往复式压缩机机械功能故障多由压缩机内部运动部件损坏所致，比如阀门碎裂、活塞杆断裂等。考虑到往复式压缩机的运动部件多，因此压缩机故障多属机械性能故障。结合前文可知，振动信号能为往复式压缩机故障诊断提供参考依据。为此，本章节结合振动信号特征，探究往复式压缩机的故障诊断方法。

2.1 对热力性能参数进行测量，以此掌握往复式压缩机的运行状态信息，然后再对压缩机的运行故障进行诊断研究，即运用仪表来测量出往复式压缩机的水温、油温、排气压力、排气量及冷却水量等，以此为压缩机相关运动部件的故障诊断提供依据。考虑到此诊断方法尚不能准确预测出压缩机的故障点，因此仅用来检测往复式压缩机的运行状态及工艺参数。

2.2 对振动噪声进行测量，即借助往复式压缩机的振动信号来诊断气缸及活塞的磨损程度、主轴承的状态及气阀的漏气情况；汽缸头装设振动传感器，如此对振动信号进行分析后，再依据分析结果对缸内故障进行诊断；借助振动信号对压缩机主轴承故障进行诊断；借助润滑油管路内压力波信号来诊断压缩机轴承故障等。

2.3 往复式压缩机的工况变化多，由此导致振动信号的平稳性较差，因此该诊断方法的应用面尚待商榷。

2.4 目前，往复式压缩机故障诊断领域开始应用到人工智能领域的神经网络技术及专家系统。所谓故障诊断专家系统，是指智能化计算机程序系统，该系统囊括大量的领域专家知识及实践经验，且多用来对高难度且复杂的系统故障进行诊断。实践表明，此诊断方法具有使用方便、解释机制强、推理预测简单及易建造等优点，同时也具有推理机制过度简单、专家知识准确性无保证、知识获取难度大等缺点，因此应用过程需扬长避短，以增强实际应用效果。

3 结语

结合前文内容，本文笔者认为往复式压缩机故障诊断过程应特别注意下列事项：1.考虑到往复式压缩机具有复杂的结构、较多的振动激励源及干扰源，因此必须突出对非定常信号及非线性信号的处理。2.往复式压缩机采用在线监测手段收集到的故障信息多属间接采集，则存在某种不确定性因素，因此必须重视某些识别技术的研究及应用。3.往复式压缩机故障诊断的成功经验均难以归纳成通用的诊断规则，因此专家系统知识库尚待充实，比如突出对典型故障特征的实验研究等。

[1]田智,朱琴,练兴元等.基于多尺度样本熵的往复式压缩机故障诊断方法研究[J].机械设计与制造工程,2014.

[2]秦强.基于基追踪、波形匹配和支持向量机的往复式压缩机气阀故障诊断研究[D].北京化工大学,2011.