基于小波理论的活塞制冷压缩机故障分析

金洪文

（1.长春工程学院，吉林长春130012；2.吉林省建筑能源供应及室内环境控制工程研究中心，吉林长春130012）

基于小波理论的活塞制冷压缩机故障分析

金洪文1,2

（1.长春工程学院，吉林长春130012；2.吉林省建筑能源供应及室内环境控制工程研究中心，吉林长春130012）

活塞制冷压缩机广泛的应用于电力、冶金、石油化工等行业中，工作环境恶劣，故障频发，造成了严重的损失。鉴于此，以活塞制冷压缩机的故障分析为研究对象，并利用小波理论对活塞制冷压缩机最常见的故障--气阀故障进行诊断，分析其故障及程度，最后提出活塞制冷压缩机故障的维护建议。

活塞制冷压缩机；故障；机理；维护

1 引言

活塞制冷压缩机具有效率高、适应性强等特点，其工作原理主要是当活塞制冷压缩机的曲轴旋转时，通过连杆的传动，活塞便做往复运动，由气缸内壁、气缸盖和活塞顶面所构成的工作容积则会发生周期性变化。活塞制冷压缩机工作原理简图见图1所示。

通过图1可知，活塞制冷压缩机主要有曲轴、连杆、活塞、气缸座、阀板、活塞盖、吸气阀板、排气阀板等组件组成。由于活塞制冷压缩机机结构复杂、零部件多，任何一个部件出现问题都会使压缩机产生故障。因此，活塞制冷压缩机的故障存在多元性、并发性、不确定性等特征。

活塞制冷压缩机结构复杂，产生故障的原因很多，主要分为机械性能故障和动力性能故障。机械性故障主要有曲轴、气阀、活塞组件、气缸等方面的；动力性能故障则主要是压力、温度、润滑系统、工况改变造成的。其中气阀故障率占60%以上，因此，以小波理论对气阀故障为例进行分析和提出解决办法。

图1 活塞制冷压缩机工作原理

2 气阀故障分析

通常活塞制冷压缩机有60%以上的故障发生在气阀上。气阀设计的好坏，直接影响到阀片的使用。

活塞制冷压缩机在吸、排气过程中，从吸气管吸入低温低压的制冷剂气体，通过电机运转带动活塞对其进行压缩后，向排气管排出高温高压的制冷剂气体，为制冷循环提供动力，在这个过程中，气阀阀片的开启和关闭不是瞬时的；气阀阀片随曲柄转角的变化而发生位移。具体来说，气缸中和吸排气阀腔中的气体压力、气阀运动元件的质量、气阀弹性元件的刚性、气阀的结构、曲轴旋转速度共同影响气阀阀片的位移。活塞制冷压缩机气阀运动受力图见图2所示。

活塞制冷压缩机气阀运动受弹簧力、气体压力、气体阻力、升程限制器的油粘着力以及阀片自身重力等因素的影响。当阀片异常时，弹簧力过强，当活塞速度到达到最大值，阀片将在阀座与升程限制器之间出现颤振现象，气阀有效面积减小，阻力损失增大，阀片的撞击次数也相应增加，从而缩短活塞制冷压缩气阀的寿命；另一方面，弹簧力过弱，阀片较长时间停留在升程限制器上，并且时间不断延长，此时，活塞已经处于止点位置。但是阀片却仍未落到阀座，阀片出现滞后关闭现象。气阀正常与异常时的启闭曲线见图3所示。

本节主要采用小波理论对活塞制冷压缩机的气阀故障进行分析，并提出维修建议。

利用小波理论对活塞制冷压缩机的气阀故障进行诊断时，可以对气阀阀盖的各种噪声信号进行分离与分析，了解噪声信号中带有大量设备运行状态信息，为气阀的故障诊断提供依据。小波对活塞制冷压缩机气阀阀盖各种噪声信号的分离与分析流程见图4所示。

图2 活塞制冷压缩气阀运动受力图

图3 气阀正常时（左）与异常时的启闭曲线

图4 小波对活塞制冷压缩机气阀阀盖各种噪声信号的分离流程

从本质上来说，活塞制冷压缩机气阀阀盖振动信号是一个非稳定信号，特别是在气阀异常时，活塞制冷压缩机气阀阀盖振动信号会出现时变性，并且这种时变性非常强烈。一般情况下，气阀主要是在一个正常的工作周期出现3次较大的振动，当气阀泄漏时，从信号的低频到高频带能量分布较为分散。

时域分析可以通过提取活塞制冷压缩机气阀阀盖的振动信号，根据信号的幅值变化、出现时间的变化，判断气阀的稳定性、瞬态和稳态性能。由于信号的小波变换能同时给出信号的时域信息，具有良好的时频局部化性质。而活塞制冷压缩机气阀阀盖信号具有多冲击特点，采用基于小波理论的时域分析能更好地反映活塞制冷压缩机气阀阀盖的运作状态。本节利用图4中小波对活塞制冷压缩机气阀阀盖各种噪声信号的分离流程对气阀故障进行诊断。

正常情况下，利用小波理论可以检测到的活塞制冷压缩机气阀阀盖振动加速度信号时域波形见图5所示。

图5显示，气阀正常时，活塞制冷压缩机气阀振动加速度信号的采样频率为3000 Hz，分析频率1500 Hz。

当阀片变形时，活塞制冷压缩机振动加速度幅值变化大，具体加速度时域波形见图6所示。

图6中，阀片变形时活塞制冷压缩机振动加速度信号幅值在-300到300之间。

同时，小波变换可以进行更细致的时频分析，通过谱分析可提取某些特定的谱峰及能量的变化，判断气阀的运行状态等。

阀片正常情况下，活塞制冷压缩机振动加速度频域波形见图8所示。

当阀片变形时，活塞制冷压缩机振动加速度频域波形见图9所示。

图5 气阀正常时活塞制冷压缩机振动加速度时域波形

图6 阀片变形时活塞制冷压缩机振动加速度时域波形

图7 阀片折断时活塞制冷压缩机振动加速度时域波形

图8 阀片正常时活塞制冷压缩机振动加速度频域波形

图9 阀片变形时活塞制冷压缩机振动加速度频域波形

图10 阀片折断时活塞制冷压缩机振动加速度频域波形

当阀片折断时，活塞制冷压缩机振动加速度频域波形见图10所示。

通过对阀片正常、阀片变形、阀片折断等状态下活塞制冷压缩机阀片振动加速度的时域和频域分析可知，阀片变形时活塞制冷压缩机振动加速度频域波形出现了一些低频信号以及少数的倍频，低频信号说明存在碎屑。阀片断裂时，出现了很多高频信号，而且倍频处峰值比较明显，这是因为阀片断裂后会造成高低压“窜气”的同时与阀板或阀座产生严重周期性的撞击所致；低频信号大部分得以消除，说明低频信号是由于阀片变形之后，而且存在的碎屑导致阀片关闭延迟。

小波理论可以很好的检测活塞制冷压缩机气阀故障，不同的故障和不同程度的故障信号可以存在于不同的频段内，但只要是故障，就有频带上的突变，小波就可以将它检测出来。通过小波理论对故障的诊断，我们可以分析故障形成的机理。造成气阀故障的主要原因在于弹簧故障、阀片断裂等。

弹簧制造缺陷、材质缺陷、加工缺陷；弹簧处于气缸中高温高压的工作状态，高温改变弹簧的组织导致弹簧变脆；加上弹簧处于周期性受力状态，承受脉动循环载荷等都会使弹簧失效。弹簧失效后会引起阀片开启或关闭时的振动特性发生；同时，弹簧失效会引起弹力发生变化，影响气阀启闭的及时性，从而影响阀片落座位置或撞击的准确性，使阀片歪斜、卡滞，进一步导致阀片断裂或变形。一旦阀片断裂，不能保证气体通道的正常开启与闭合，因此会造成气体泄漏与回流。

阀片断裂或变形大多数与弹簧不同形式的折断或严重锈蚀有关。阀片材料缺陷、阀片磨损、阀片疲劳断裂、介质中的杂质腐蚀都会造成阀片断裂，造成阀片工况的变化。阀片工况的变化会使阀片受力不均，气阀启闭时冲击变大，容易使阀片在短时间内造成变形和断裂。

针对气阀故障，应从以下几个方面着手解决：一方面，加强对弹簧的检测，检查弹簧是否有折断，对弹力小不合格的弹簧要进行更换；另一方面，检查吸、排气阀，若吸气有故障，检查出有问题后拆开气阀修理或者立即更正存在故障的吸、排气阀；对磨损的阀座、阀片加以修理或更换新的阀座、阀片。

3 结语

活塞制冷压缩机结构复杂，工作环境恶劣，故障频发并呈现多元性、并发性、不确定性等特征。通过应用小波理论对活塞制冷压缩机的故障进行诊断，并分析其故障对机器运转的影响程度，为活塞制冷压缩机故障的分析与维护提供借鉴和参考。

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Fault Analysis of Piston Refrigeration Compressors Based on Wavelet Theory

JIN Hong-wen1，2
（1.Changchun Institute of Technology,Changchun 130012,China；2.Jilin Province Building Energy Supply and Indoor Environment Control Engineering Research Center,Changchun 130012,China）

Piston refrigeration compressors are widely used in electric power,metallurgy,petrochemical and other industries,poor working conditions and failure-prone will cause serious damages.In view of this,this paper analyzes the fault in piston refrigeration compressor for the study of dynamic performance failure.Wavelet theory is used to diagnose the most common valve fault in piston refrigeration compressor and analyze the fault and extent.Finally,the maintenance recommendations aimed at piston refrigeration compressor faults are pointed out.

piston refrigeration compressors;fault;mechanism;maintenance

TH457

B

1006-2971（2015）03-0053-04

金洪文（1970-），男，辽宁建平人，硕士，副教授，主要从事空调制冷工程研究工作。E-mail：ccjinhongwen@163.com

2014-12-08