基于VR技术的压缩机故障分析与诊断仿真系统的设计

摘要：VR（虚拟现实技术）是21世纪发展起来的一项全新的实用技术。VR囊括计算机、电子信息、仿真技术，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。结合产业数字化发展过程中传统压缩机故障检修行业与VR技术的深入融合，系统地介绍了基于VR技术的压缩机故障分析与诊断仿真系统设计项目的背景、技术分析、定位和创新点、项目可行性分析、项目运营实施方案以及预期成果。

关键词：VR技术;压缩机故障;分析与诊断;仿真系统设计中图分类号：TH45

收稿日期：2022—03—17DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.024

1 设计项目背景

VR（虚拟现实技术）是21世纪逐渐发展起来的一项全新技术，其概念于1980年首次提出，它是一项以计算机仿真技术为基础的、与许多技术相关联的综合型技术。由于其发展历史较短，目前还没有统一的标准定义。

笼统地讲，VR技术就是一个通过计算机仿真、计算机处理以及信息处理等技术手段，对生活中的真实对象及其物质运动过程进行虚拟模仿的技术，它能够为我们建成一个形象逼真的虚拟环境，使我们能够在这一环境内进行工程上的操作，并感受真实的运动过程。通过VR技术可以实现人机交互，对一些工程实例进行逼真模仿，为后续的制作工作奠定良好的基础。

三維仿真能够在视觉上给人带来身临其境的感受，突破传统平面图形的呆板特点。利用三维虚拟和仿真技术相结合，不仅可以对现场环境进行再现，还可以通过搭建数学模型，通过连接仿真平台和虚拟现实平台，形成一套交互式的仿真系统。

例如，逼真、立体的表现形式可以形象、直观地演示出抽象的压缩机故障分析和诊断过程，可以突破各种在传统实验室或工作现场无法完成的试验或工作，如复杂试验、危险性试验、极端破坏性试验、反应周期过长试验、无法控制反应过程等，可以安全、直观地展示各种模拟效果。同时，借助于对多媒体（音频、视频、图像）技术、虚拟仿真技术、传感技术、输入输出技术，构建一种高度现实仿真的实验教学环境，使学习者或工作者体验身在其中的感觉，能最大限度地激发学习者或工作人员的自主试验兴趣，以及解开实践技能奥秘的冲动，有利于开发学习者或工作人员的构建思维，具有独特的实验教学的实践作用。因为压缩机较复杂，本文针对压缩机的故障分析和诊断分析通过VR技术进行研究。

活塞式压缩机是通过活塞之间的往复运动来增加气体的压力，并实现气体的输送，又称往复活塞式压缩机或往复式压缩机，其组成元件有工作腔、传动部件、机身以及次要元件。其中，工作腔用于压缩气体，由气缸、缸套、气阀、填料、活塞、活塞杆等组成;活塞由活塞杆驱动，在气缸内来回移动;活塞两侧工作腔体积呈反比变化，当体积减小时，侧压力增大，气体通过气体阀排出，另一侧压力减小，气体通过气体阀吸收;传动部件用于实现往复运动，包括曲轴连杆、偏心滑块、斜盘等，由十字头、连杆和曲轴组成。

传统压缩机故障分析与诊断的缺点是：首先，运动零件的表面多为曲面，加工和检测更加复杂，有的还需要用到专业设备;其次，零部件之间需要保持一定的运动间隙，才能更好地运行。由于转速高再加上工作容积与吸排气口周期性的通断，因而压缩机噪声较高，常需采用减噪消声措施，同时也难以实现在线实时监测压缩机的工作部分。压缩机的任何一个部件出现故障，都有可能导致整个设备瘫痪，造成经济损失甚至造成安全事故。

因此，国内外学者对压缩机故障诊断技术进行了大量的研究：为了实现对气门失效和活塞环磨损的判断，国外研究人员对气缸内测量的压力信号图像进行分析;为了实现对压缩机工作状态的判断，一些学者建立了通用参数数据库，通过收集大量数据，构建模型对压缩机状态进行评价。为了更加高效准确地对压缩机的故障进行诊断，我们运用日趋成熟的VR技术对压缩机的常见故障进行分析和诊断。

在计算机技术、传感器与检测技术、信号处理技术和控制论、机械制造与自动化等相关领域基础上，基于VR技术的压缩机故障分析与诊断仿真系统形成了一种新的现代技术系统平台。根据压缩机在运作过程中的压力、温度、噪声、振动、功耗和排气变化等信息，压缩机故障诊断判断其是否存在故障。压缩机故障或事故后的分析称之为故障分析，它是压缩机故障诊断的一个方面。

压缩机故障诊断的结果，不仅能及时排查故障，防止事故的发生，避免人身事故、环境污染和巨大的经济损失，还可以改变设备的维护制度，将被动的定期维修变为主动的预测性维修。现在大多数企业的维修制度都是定期维修，不管有没有故障，都要按照预定的时间和维修计划进行维修，因此造成了很大的浪费。应用故障诊断技术后，可以在发现故障警报时及时停机，并能根据故障的性质和位置进行诊断，并进行有针对性的维护。这种预测性的维护节省了维护成本，减少了不必要的维护时间，保障了正常运转时间，显著提高了生产率。

2 技术分析以及定位和创新点

2.1 故障类型

排气差是压缩机最常见的故障之一，主要是由以下原因引起：

a.进气滤清器故障：水垢堵塞，排气量减少;吸引管过长，直径过小，增强吸入阻力，影响风量。过滤器应定期清洗。

b.压缩机转速低沉，排气减少：空气压缩机不能正常使用，空气压缩机的排气设计是基于必然的高度、压缩机吸入热度和湿度，一旦超过上述标准，吸入压力会降低，排气量必然降低。

c.气缸、活塞、活塞环磨损严重、超差使有关间隙增大，泄漏量增大，影响到了排气量。属于正常磨损时，需及时更换易损件，如活塞环等;属于安装不正确，间隙留的不合适时，应按图纸给予纠正，如无图纸时，可取经验值。对于活塞与气缸之间沿圆周的间隙，如为铸铁活塞时，间隙值为气缸直径的0.06/100～0.09/100，对于铝合金活塞，间隙为气径直径的0.12/100～0.18/100，钢活塞可取铝合金活塞的较小值。1C6757A9-D062-4453-9ED0-800517C03459

d.填料函不严产生漏气使气量降低。其原因首先是填料函本身制造时不合要求;其次可能是由于在安装时，活塞杆与填料函中心对中不好，产生磨损、拉伤等造成漏气，一般在填料函处加注润滑油，它起润滑、密封、冷却作用。

e.压缩机吸、排气阀故障会对排量产生影响。阀座与阀片落入金属杂物或其他杂物中，导致密封松动、漏气。这不仅影响排气量的含量，也影响阶段间压力和温度热的变化。这种问题可能是制造质量问题造成，如阀板翘曲、阀座、阀板磨损严重造成漏气等。

f.压缩机的吸排阀对排量有很大影响。当阀座和阀板落入金属杂物或其他杂物中时，将导致密封松动和漏气。这不仅会影响排气量，还会影响阶段间压力和温度的热变化。这种问题的发生有两种：一是由于质量问题，如阀板翘曲产生的变形;二是由于阀座和阀板磨损惨重所形成漏气。

g.压缩空气阀压力不适当。一般压缩力可以通过公式计算，P=Kπ/4D2P2，D2为阀腔的长度，P2为气体的有限压力，K为大于1的函数值，一般取1.5～2.5，低压时K=1.5～2.0，高压时K=1.5～2.5。当阀门有故障，阀盖会随之发热，且压力不正常。异常温度的异常排气在于热度高于设计的辅助值。

2.2 解决方案

应用仿真系统可以很容易地找出故障，如：压缩机传动部件的磨损是一个常见问题，主要包含这几个部位的磨损：轴承、轴承、轴承腔、沟槽和斗箕。在压缩机等领域的传统方法中，修补焊接和刷涂是主要方法，但都有一定的缺点，比如：维修焊接的高温热应力不可以完全消弭，易造成质料损坏而导致弯曲或断裂;电刷镀受镀层厚薄的限定，易于剥落。修补焊接和刷涂两种方式都是使用金属修补金属，改变不了“硬到硬”的这种现象，在各种力量的集体作用下，仍然可能会引起再磨损。

当代西方国家采用高分子复合材料修复压缩机传动部件的磨损。目前，美国最先进的美嘉华技术体系具有附着力强、抗压强度高等优良综合性能，同时该材料还具有金属所不具备的其它的让步特性。如，它能经受设备的打击，幸免造成再次磨损的可能性。

压缩机腐蚀可分为两种类型：综合（均匀）腐蚀和局部腐蚀。前者更平均地发生在压缩机的所有表面，而后者只发生在部分，如点蚀、漏洞销蚀、晶间销蚀、应力腐蚀等。高分子复合质料在压缩机外貌涂覆有机涂层是最有用的防腐措施之一，它具有杰出的耐化学性、优异的机械本能和附着力。

与传统的压力器皿焊接修补相比，新型冷焊工艺具有动工简单、本钱低、修复效果好等特点。压缩机零件常因铸造、加工缺陷、内应力、过载运行等原因产生裂纹或断裂，在一些容易发生爆炸的危险场合，不宜采用焊接修补方法。而新型冷焊工艺可以避免热应力和变形，让材料具有更加良好的附着力和抗压、防腐等综合性能，有效且低成本地让压缩机更好的運行。基于VR技术的压缩机故障分析与诊断仿真系统操作录屏链接如下：https：//share.weiyun.com/SATbw397（腾讯微云平台）。

2.3 项目定位

该项目专注于VR的压缩机故障分析与诊断，帮助企业安全而方便地进行压缩机故障分析与诊断，能为企业提供安全和便捷的技术服务，且排查效率高、费用低。该项目立足于湖北，面向全国。

2.4 项目创新点

该项目采取智能的管理模式，利用各种现代化的技术，实现工厂的办公、管理及生产自动化，达到了加强及规范企业管理、减少工作失误、堵塞各种漏洞、提高工作效率、进行安全生产、提供决策参考、加强外界联系、达到拓宽国际市场的目的。该项目可实现定制化检查，整合国内外的资源。

3 技术优势

首先，基于VR技术的压缩机故障分析和研究系统，能帮助企业节约能源，减少环境污染，提高工作效率，改善工作质量，提升市场竞争力，获得更好的效益。同时，该技术还能有效提高安全性，能够更方便地检查，且具有操作简单的特点，新工艺的应用也是产业数字化未来发展的必由之路。

其次，未使用仿真系统与使用仿真系统的压缩机维修培训完成率对比发现，压缩机故障分析与诊断系统更加省时、省力、节约成本，而且安全有保障。

另外，在马洛斯需求层次方面，归属需求除了满足企业使用初衷要求之外，要有一定的拓展优势，应加强系统对安全的自动检测等。自我实现方面，将注重品牌效应，且有大型企业提供支持。

4 结语

在信息化高速发展的时代，仿真虚拟系统带动传统压缩机行业进步不是朝夕之功。项目组用融会贯通的互补思路，将检查压缩机故障产业的硬核生产功能和实际运用领域的灵活营销模式相融合，最终达成优势生产源头和高效营销资源的优势互补。同时为我国加快推进产业数字化转型升级，实现产业的高质量发展做出了应有的贡献。

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作者简介：

肖凯，男，1984年生，副教授，研究方向为电子商务、商务数据分析与应用。1C6757A9-D062-4453-9ED0-800517C03459