化工制冷压缩机异常振动的非线性补偿方法研究

华 雷

（浙江省天正设计工程有限公司）

随着我国经济的持续增长，化工行业得到了飞速发展。 化工制冷压缩机作为化工行业核心应用产品之一，其工作性能至关重要，因此，化工制冷压缩机的安全稳定运行一直是行业研究的重点［1］。目前，化工行业内的制冷压缩机故障检测方法正在逐步发生变化，由传统的定期维修转向预知性维修，要想实现对化工制冷压缩机的预知性维修，最重要的就是掌握其实时运行状态，只有对机组进行实时检测，提前预知制冷压缩机的运行趋势，准确判断出维修时机，及时对设备进行维修才能避免事故的发生［2］。 如果现场的制冷压缩机发生异常振动， 说明压缩机存在故障隐患，但这是一个缓慢的发展过程，足以通过研究确定其异常振动的发展规律，进而确定维修机器的准确时机［3］。相对于突发类的故障来说，如果可以通过异常振动的补偿，提前检测到异常状态并及时发出预警，进而开启联锁保护，可避免重大事故的发生。

付楚琪等提出一种振动环境下化工制冷压缩机异常振动补偿方法，利用动态误差构建制冷压缩机异常模型，根据对制冷压缩机异常模型的误差因素进行分析，在制冷压缩机上加上振动输入动态误差值，减少异常振动的误差，提高制冷压缩机运行稳定性。 通过多组实例进行实验并采集数据进行对比，结合实例验证结果证明该补偿方法的可行性［4］。 李雅婷等及时检测出制冷压缩机的异常工作状态，提出一种制冷压缩机异常振动补偿方法，首先利用混频技术采集制冷压缩机正常运行过程中的振动信号和反向扫描新频率信号，并计算出两种振动信号的阈值，分别采集振动信号为10、20 Hz的异常振动信号， 通过对其进行反向扫描（扫描带宽设置为20 nm，两种振动信号待测距离为6 m），计算出制冷压缩机工作状态下的周期性位移，再根据混频技术消除制冷压缩机异常振动状态下的测距影响，将误差降至补偿前的1.052 mm［5］。 该方法可以直接检测出制冷压缩机的异常振动信号并进行补偿，有效降低事故的发生率。 但是，当前方法针对振动的非线性干扰，没有进一步研究，只是简单地把非线性转化成线性的， 随着化工现场复杂程度的增加，这种针对振动的非线性干扰越来越明显。

基于以上研究背景，笔者针对化工制冷压缩机异常振动情况， 设计一种非线性补偿方法，以保证化工制冷压缩机运行的稳定性。

1 化工制冷压缩机异常振动非线性补偿方法设计

1.1 制冷压缩机异常振动的规律非线性特征分解

化工制冷压缩机在运行过程中， 受加工材料、现场复杂程度等因素的影响，会造成压缩机的质量偏心［6］，图1所示为化工制冷压缩机质量偏心示意图。

图1 化工制冷压缩机质量偏心示意图

由式（4）可知，由于压缩机的异常振动导致坐标系中的α、β发生非线性振荡干扰， 使制冷压缩机发生异常振动， 以异常振动频率为曲线，形成不平衡的异常振动频率，根据选取的异常振动频率， 推算出异常振动规律分解后的非线性特征。

1.2 计算制冷压缩机异常振动特征补偿偏移值

化工现场的制冷压缩机异常振动补偿装置由2组补偿梁和激光摄像传感器组成（图2）［9］。 2#和3#激光摄影传感器主要用于记录制冷压缩机运行过程中压缩机梁体的振动规律特征，以制冷压缩机静止状态为基准，计算动态过程中化工制冷压缩机姿态变化所产生的水平、垂向偏移和偏移角，方便后期及时补偿异常振动误差［10］。

图2 化工制冷压缩机异常振动补偿装置

如图3所示，根据制冷压缩机2组补偿梁的中心点构建坐标系Owxwyw：水平坐标轴为Owxw，垂直坐标轴为Owyw。

图3 坐标系简图

当化工制冷压缩机发生异常振动时，检测到振动频率为θ， 构建化工制冷压缩机异常振动传感器坐标系Ow′xw′yw′。 两个补偿梁间的距离值为OwO3。 将补偿梁与制冷压缩机看成一个整体［11］，得到Ow′O3′=OwO3。

测量化工制冷压缩机静止状态下，补偿梁特征点A、B的激光摄影传感器2#、3#的坐标为（x2，y2）和（x3，y3），根据上述得到的异常振动频率，得到补偿梁特征点C的坐标为（x1，y1），此时化工制冷压缩机静止状态下的振动频率θ′为：

化工制冷压缩机异常振动补偿偏移是指：制冷压缩机正常运转过程中提取的不平衡的异常振动位移［13］，而补偿环节就是对补偿梁上的异常振动位移的不平衡及时做出修正，使整个制冷压缩机运行不受异常振动的偏移值影响。

1.3 设计化工制冷压缩机异常振动非线性补偿算法

在进行化工制冷压缩机异常振动补偿时，通过光电探测器采集异常振动信号， 并利用DSP处理器进行快速处理，补偿化工制冷压缩机异常振动引起的非线性误差变化［14］。 当光电探测器进行高速率波长扫描时，波长随时间线性增长，导致相位发生周期性变化，同时环境噪声对干涉仪的干扰使得化工制冷压缩机相位产生随机性的变化［15］。

因此，在t时刻所获得的化工制冷压缩机相位可表示为：

其中，t、t+Δt分别为化工制冷压缩机异常振动信号的起始和结束时刻。

笔者根据以上计算步骤，设计了化工制冷压缩机异常振动补偿算法，实现了化工制冷压缩机异常振动的非线性补偿。

2 实验验证

为验证文中非线性补偿方法在化工制冷压缩机转速变化和磁链变化过程中的补偿效果，分别在转速2 000、4 000 r/min、磁通量0.85、0.40 Wb的条件下，利用6sigma room进行仿真实验。 化工制冷压缩机的仿真参数设置情况如下：

在上述仿真参数的支撑下，采集了化工制冷压缩机在补偿之前的异常振动信号（图4）。

图4 化工制冷压缩机异常振动信号在补偿之前的波形图

由图4所示波形图可以看出， 当化工制冷压缩机转速由2 000 r/min变化为4 000 r/min时，异常振动信号的幅值由0.70上升到1.20， 说明在非线性补偿之前， 化工制冷压缩机的转速越大，化工制冷压缩机异常振动越明显；当化工制冷压缩机磁通量由0.85 Wb变化为0.40 Wb时，化工制冷压缩机异常振动信号的幅值由0.95 下降到了0.60，说明在非线性补偿之前，化工制冷压缩机的磁通量越小，化工制冷压缩机异常振动越明显。

采用笔者设计的非线性补偿方法对化工制冷压缩机转速变化和磁链变化中的异常振动信号进行补偿，得到了化工制冷压缩机异常振动信号在补偿之后的波形图（图5）。

从图5可以看出， 采用笔者设计的非线性补偿方法对化工制冷压缩机转速变化的异常振动信号进行补偿之后， 无论是在2 000 r/min转速下还是4 000 r/min转速下， 化工制冷压缩机异常振动信号的振动幅值都可以控制在0.10以内， 说明该非线性补偿方法不会受到化工制冷压缩机转速的影响，对化工制冷压缩机异常振动信号具有更好的补偿效果，可以很好地控制化工制冷压缩机稳定运行；对化工制冷压缩机磁链变化的异常振动信号进行补偿之后， 无论是在0.85 Wb磁通量下还是0.40 Wb磁通量下， 化工制冷压缩机异常振动信号的振动幅值都可以控制在0.15以内，虽然比转速对化工制冷压缩机振动的影响大，但是仍然具有很好的补偿效果，保证了化工制冷压缩机运行的稳定性和安全性。

图5 化工制冷压缩机异常振动信号在补偿之后的波形图

3 结束语

笔者提出了新型化工制冷压缩机异常振动的非线性补偿方法研究，并通过实验验证了该补偿方法的可行性，实现了化工制冷压缩机异常振动的非线性补偿。 但是在高温的工作环境下可能会增加化工制冷压缩机运行负载， 出现转矩脉动，在转矩脉动加大的情况下还是会降低制冷压缩机运行稳定性，因此，该研究仍然存在一定缺陷。 在今后的研究中，还需要考虑到工作环境，以排除环境因素对化工制冷压缩机振动补偿效果的影响。