往复式压缩机气阀故障模拟实验与数据处理

巴鹏，江泽磊,2，李睿

(1.沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳 110159；2.山西航天清华装备有限责任公司，山西长治 046012；3.辽河油田特种油开发公司安全环保科，辽宁盘锦 124000)

0 前言

往复压缩机是一种在石油、化工、新能源等行业中广泛使用的重要机械。因为其零件较多、结构复杂，所以故障频发。故障会给生产带来巨大损失，甚至造成人员伤亡。气阀作为往复压缩机中最关键的零件，其故障在往复压缩机故障类型中约占36%。因此，对往复压缩机气阀故障的在线监测与模拟实验显得尤为重要。

近年来，国内很多学者在气阀故障领域进行了很多研究。杨菲和苏永升对进气阀漏气故障进行模拟，采用热力参数、示功图和振动的方法对压缩机进行现场监测。毕文阳等利用BH5000R在线监测诊断系统对现场机组气阀进行模拟、识别和分析。徐丰甜等采用主成分分析法(PCA)从气阀阀盖温度数据中提取故障特征参数，实现了故障异常自动监测。张思阳等提出一种基于四次Hermite插值EEMD(QH-EEMD)与功率谱熵(PSE)相结合的方法，实现了常见故障的准确诊断。张谦等人通过建模仿真获得气阀泄漏理论数据，基于实验台故障模拟实验，结合压力、温度数据分析故障特征，提出了一种融合多参数实现气阀泄漏故障分析诊断的方法。本文作者通过在2D-90MG往复压缩机实验平台上对进气阀、排气阀设计一系列破坏实验，在气阀底座上安装加速度传感器，采集并分析振动信号，同时监控进气阀、排气阀温度的变化，对往复压缩机不同工况的特征进行了有效提取，为往复压缩机故障诊断提供参考。

1 气阀故障原理

在压缩机工作过程中，每一次进行气体的压缩，气阀阀片都会运动，并且阀片、弹簧和升程限制器会产生撞击。无论哪一种机械零部件，在长期高频率的工作状态下，在交变应力、气流冲击以及高温腐蚀的状态下，都很容易发生故障，使得排气量降低，影响工作效率，情况严重时，甚至会降低压缩机的寿命，导致压缩机无法正常工作。因此，气阀的阀片和弹簧是压缩机最容易发生故障的零件。气阀结构如图1所示。

图1 气阀实物

结合气阀的工作原理以及记录现场压缩机气阀故障的实例，气阀的故障通常分为以下几类：

(1)阀片断裂

阀片在长时间高强度的工作后，会存在一些轻微的磨损，导致较小的漏气现象。由于此时的磨损还较小，气缸内外压力差变化不大，这时的故障现象还较难观测出，属于轻微故障的范畴。但在这种状态下，再经过较长时间的磨损，会出现阀片裂纹、甚至断裂的现象。此时，气缸内外的压力差变化较为明显，气阀刚度大幅下降，结构较为松散，会出现非常明显的漏气现象。阀片断裂这种故障通常不会损坏气阀其他零件，换装一个阀片即可解决这种故障。

(2)弹簧失效

在气阀故障种类中，弹簧失效是主要失效形式。弹簧在工作时主要起到对阀片与升程限制器的缓冲作用。当弹簧失效时，弹簧无法对阀片起到缓冲作用，对阀片缓冲的作用只能由升程限制器和阀座承担，此时阀片会剧烈撞击升程限制器，从而在升程限制器上停留的时间大于弹簧正常时的状态，这样会导致阀片延时关闭。阀片延时关闭的危害有：造成气体泄漏、降低排气量、影响工作效率；加速阀片的磨损、断裂，还有可能会造成阀盖、阀座的磨损；加剧振动，产生更大的噪声。操作者应该及时发现这种情况，更换较为合适的弹簧。

(3)阀片密封面失效

气阀工作环境恶劣，长期运行必然会造成阀片表面的腐蚀。当腐蚀达到一定程度时，会产生漏气的现象，即阀片密封面失效。这种情况会降低气阀的排气量，降低压缩机的工作效率。通常，缓解这个问题的办法有：网状阀片和阀座之间的接触面必须经过高精度加工和高精度打磨；安装弹簧必须均匀分布，且排列整齐；弹簧的弹力大小也必须尽可能一致。因为如果弹簧安装出现歪斜或者弹力不一致，在工作时，很容易导致阀片受力不一致，从而加速磨损。此外，压缩机传输的介质不同，也会影响阀片磨损的程度。

(4)其他故障

气阀其他故障通常包括阀片厚度及弹簧弹力不同引起的故障、空气中油水介质形成油膜引起的故障。如果阀片太厚且弹簧的质量过大，会造成气阀开启不及时、关闭延时，降低排气量，影响压缩机工作效率。因此，通常选取厚度较薄的高分子材料做成的阀片。另外，如果传输的介质中混有油水，形成油膜附着在气阀表面，也会影响气阀的正常工作。因此在传输介质时，通常会对油水进行分离。

2 实验平台搭建

文中实验装置为2D-90MG往复式压缩机，此型号为两列一级立式空气压缩机，两列分别为活塞环式和迷宫环式。该往复式压缩机与石油、天然气炼化企业中常用的压缩机较为相似，以该压缩机为实验对象，在此实验平台上对进气阀、排气阀进行一系列的破坏性实验，能够尽可能地模仿实际工程中往复式压缩机真实的工作状态，采集到的振动信号数据有较高的理论意义与参考价值。2D-90MG往复式压缩机实物如图2所示，参数如表1所示。

图2 2D-90MG往复式压缩机

表1 2D-90MG往复式压缩机技术参数

(1)振动传感器的选取

文中所采集的振动信号是随时间变化的加速度值。随着气阀振动频率越来越高，可以选取的测量参数有位移、速度以及加速度，选取哪个参数主要取决于气阀的振动频率。在故障诊断中，常用的传感器有振动位移传感器、振动速度传感器、振动加速度传感器。2D-90MG往复式压缩机气阀振动频率较高，且伴随着低频振动，综合分析之后，选择振动加速度传感器作为测量参数对2D-90MG往复式压缩机气阀进行监测。传感器型号为CT1010L ICP压电式加速度传感器，该传感器体积较小、质量较小，比较适合安装在气阀内部，具体参数如表2所示。传感器的安装方式为磁座安装，传导线引出方式为在阀盖上打孔并灌胶密封，如图3所示。

表2 CT1010L传感器参数

图3 传导线引出方式

(2)采集卡的选取

选取USB2830高速数据采集卡，该采集卡可以直接和计算机的USB接口相连接，将加速度传感器采集到的电压信号传输到工控机上。USB2830采集卡的参数如表3所示,连接方式如图4所示。

表3 USB2830采集卡参数

图4 USB2830采集卡

(3)振动信号采集界面的设计

由于要同时采集进气阀、排气阀的振动信号，必须在采集界面上体现双路采集的波形图。另外，还在采集界面上加了2个计时器(手动和自动),这样可实现振动信号的自动采集以及实时保存，使气阀故障模拟实验更加便捷以及智能化。振动信号采集程序界面如图5所示。

图5 采集程序界面

(4)其他设备

其他设备包括：CT5201恒流适配器，主要负责给CT1010L加速度传感器供电；PLC控制柜，用来监控压缩机的压力、温度、流量、转速等参数。恒流适配器和PLC控制柜如图6所示。

图6 恒流适配器和PLC控制柜

(5)气阀故障状态模拟

对气阀进行阀片断裂、弹簧失效、阀片密封面失效3种状态模拟，从而得到实验所需阀片工作状态，以进行气阀振动信号采集。模拟效果如图7所示。

图7 气阀故障模拟效果

2D-90MG往复式压缩机实验设计、实验平台搭建完成后，进行气阀振动信号数据的采集。采样频率设置为25 600 Hz，采样点数为4 096个，通道为0-1通道，计时器时间间隔为1 000 ms。启动2D-90MG往复式压缩机，将往复式压缩机转速调到750 r/min,待压缩机运行2 h及以上达到稳定状态后，采集气阀振动信号。

3 气阀振动信号数据分析

3.1 气阀振动信号时域分析

(1)气阀正常振动信号时域分析

从图8可以看出:往复式压缩机气阀的振动具有周期性冲击规律。以振动信号波形图的一个周期为例，结合往复式压缩机气阀工作一个周期的运动形式：气阀开启→进气保持→气阀关闭→排气保持,可以观察到：气阀在进气保持阶段和排气保持阶段都伴有一段持续轻微的振颤，这是由于气阀在开启和闭合时，气体进入气阀，对阀片造成一定的冲击力，压缩弹簧导致的。还可以看出，进气阶段比排气阶段的持续振颤的强度小。气阀振动信号在气阀开启和气阀关闭这两个阶段的振动作用最强烈，这时气体对阀片和弹簧的冲击作用力最大，阀片会撞击升程限制器，所以产生的振动最强烈。另外，气阀关闭瞬间的振动比气阀开启瞬间的振动小。因为气阀在开启瞬间会受到气体对阀片的冲击作用力和阀片对弹簧的瞬间作用力，相对于气阀关闭瞬间作用力大。在气阀关闭之后会有一段二次振颤，这是由于弹簧的作用力导致阀片反弹，引起振颤。除此之外，对比进气阀和排气阀的时域波形，可知进气阀和排气阀的波形图包括运动状态和振动形式大体一致，不同的是，排气阀的振动强度整体上比进气阀大10%～20%。

图8 气阀正常振动信号时域图

(2)阀片断裂振动信号时域分析

从图9可以看出：在气阀开启和关闭仍然具有较高的振动，在进气保持和排气保持阶段振动的幅度明显增加，几乎达到了气阀开启和闭合瞬间的振动大小，导致气阀的4个工作过程变得难以区分。这是由于阀片断裂，气阀漏气情况较为严重，一部分气体直接作用在阀片、弹簧和升程限制器上，引起较高的振颤，导致进气保持和排气保持阶段的振动大幅度增加。在气阀开启和气阀关闭前后，振动次数明显增多，这是由于阀片断裂后的碎块会掉落在弹簧或者升程限制器上，引起气阀的共振。对比进气阀和排气阀的时域波形图，发现排气阀的振动明显高于进气阀，但振动波形的总体规律与进气阀相似；不同的是，排气阀在气阀开启和关闭阶段的振动比进气保持和排气保持阶段的振动更明显，与进气阀相比更容易观测到气阀的工作过程和完整周期。

图9 阀片断裂振动信号时域图

(3)弹簧失效振动信号时域分析

从图10可以看出：气阀开启与关闭瞬间的振动幅度基本相同，这与气阀正常状态的时域波形有区别。气阀开启和闭合瞬间伴随一段时间的轻微振颤，这可能是弹簧失效后，弹簧对阀片的弹力作用减小，阀片对阀座底部的冲击作用力变大，导致气阀开启和闭合瞬间伴随一段振颤。相对于气阀正常的时域波形，弹簧失效状态气阀关闭瞬间没有二次反弹；在进气保持和排气保持阶段，会伴有许多较为杂乱的振动，这是由于弹簧失效，阀片运动可能会出现偏移等现象造成的。另外，对比进气阀和排气阀，两者的振动信号时域波形大致相似，同其他运动状态一样的是，排气阀振动幅度比进气阀大约20%。

图10 弹簧失效振动信号时域图

(4)阀片密封面失效振动信号时域分析

从图11可以看出：进气阀的时域波形在气阀开启和关闭瞬间振动幅度较接近，在进气保持阶段和排气保持阶段振动幅度也较相似，都伴随轻微的振颤。在气阀关闭瞬间未出现二次振颤现象，主要原因是阀片磨损导致密封面失效，当气体进入气阀作用在阀片上时，阀片表面受力不均匀，从而导致在进气保持阶段和排气保持阶段会出现轻微的振颤。从图11(b)还可以看出：气阀开启阶段比气阀关闭阶段振动幅度大，除此之外，排气阀振动规律基本与进气阀相似；排气阀振动幅度总体比进气阀大约20%。

图11 阀片密封面失效振动信号时域图

经过气阀振动信号时域分析，可以得出以下结论：

(1)气阀正常状态下气阀开启阶段比关闭阶段振动幅度大；进气保持阶段和排气保持阶振动幅度较小且稳定；气阀关闭阶段之后会出现较为明显的二次振颤现象。总体来说，气阀正常状态下振动信号时域波形较为清晰，可以很直观地看到气阀保持气阀开启→进气保持→气阀关闭→排气保持的周期运行状态。

(2)阀片断裂状态下一个很明显的特征是振动幅度显著减小，约为其他状态的1/2。另一个特征是气阀一个周期内各个阶段的运行状态不清晰。阀片断裂会产生碎片，气阀工作时碎片与阀片发生共振，同时气体通过裂痕直接作用于弹簧和阀座，将导致周期内气阀各个阶段运动状态混淆。由此，能够判断出阀片断裂的故障状态。

(3)与气阀正常状态相比较，弹簧失效和阀片密封面失效这2种故障状态的进气保持阶段和排气保持阶段振动较为杂乱，且在气阀关闭阶段之后未出现二次振颤的现象，这是判断这2种故障状态的重要依据。但对于弹簧失效和阀片密封面失效，这2种故障状态的时域波形较相似，很难通过时域波形图来对这2种故障状态进行区分。

3.2 气阀振动信号频谱分析

通过对气阀振动信号的时域分析，对气阀故障状态有了初步判断。通过对气阀振动信号进行频谱分析，观察气阀振动信号在不同频率范围内的振幅大小，进一步加深对气阀故障状态的判断。

(1)气阀正常振动信号频谱分析

气阀正常状态下振动信号频谱如图12所示。可以看出：在同样的频带上，振动信号的能量分布杂乱无章，很难找到良好的规律来反映气阀运行状态，只能通过不同频带上的细微差别进行区分，以加深对气阀运行状态的认识。从图12(a)可以看出:在0～2 500 Hz内，振幅变化较小;在2 500～8 500 Hz范围内，气阀振幅变化较大，且在2 500～3 000 Hz、4 500～5 500 Hz、8 000～8 500 Hz范围内会出现峰值；在8 500～12 500 Hz内，振幅逐渐变小。总体来说，气阀正常状态下，进气阀能量在一定的频带内分布比较均匀，在中频带达到峰值。与图12(a)相比，图12(b)中的振幅明显较大，最高峰值约是进气阀的2倍。由图12(b)可知：在0～6 000 Hz，排气阀振动信号幅值较小，但在0～1 000 Hz、2 000～3 000 Hz、4 500～5 000 Hz内都出现了局部峰值；在6 000～11 100 Hz内，排气阀振动信号能量比较集中，幅值明显增大；在11 100～12 500 Hz内，排气阀振动信号振幅逐渐降低。总体来说，排气阀振动信号的特征是能量向高频段移动，在中高频段内能量集中且振幅较高。

图12 气阀正常振动信号频谱图

(2)阀片断裂振动信号频谱分析

阀片断裂状态下振动信号频谱如图13所示。

图13 阀片断裂振动信号频谱图

从图13可以看出：进气阀振动信号振幅在1 500～2 500 Hz、4 500～5 500 Hz范围内出现了局部峰值；在6 000～8 000 Hz内能量比较集中；在8 000～12 500 Hz内振幅较低。阀片断裂状态下进气阀的振动信号主要呈现能量向中低频段移动的特点。排气阀相比于进气阀，最大的区别是振幅较高，约是进气阀的2倍。此外，排气阀的振幅分布比较规律，每间隔3 000 Hz振幅大小相似，但在5 000 Hz左右达到峰值。总体来说，阀片断裂状态下排气阀的频谱在0～12 500 Hz上能量分布较为规律。

(3)弹簧失效振动信号频谱分析

弹簧失效状态下振动信号频谱如图14所示。可知：在0～12 500 Hz上，进气阀的能量大小分布比较接近，在7 000 Hz左右能量达到峰值；排气阀的振动信号频谱与进气阀较为接近，不同的是排气阀振动信号约在5 000 Hz和7 000 Hz处出现2个峰值，且振幅最大时为进气阀的1.2倍。总体来说，弹簧失效状态下气阀振动信号能量主要分布在5 000～7 500 Hz中频带上，在低频段和高频段能量分布均匀且较低。

图14 弹簧失效振动信号频谱图

(4)阀片密封面失效振动信号频谱分析

阀片密封面失效状态下振动信号频谱如图15所示。

图15 阀片密封面失效振动信号频谱图

从图15可以看出：进气阀在0～3 000 Hz、4 500～7 500 Hz频带上，振动信号的振幅较接近且能量较低；在4 500、8 500、11 000 Hz附近，振幅出现峰值；频率大于11 000 Hz后，能量逐渐降低。排气阀振动信号频谱与进气阀比较相似。排气阀振动信号在4 500～5 000 Hz、7 500～8 500 Hz内能量分布比较集中，振幅出现峰值；频率大于8 000 Hz后，能量逐渐降低。此外，排气阀振动信号频谱的最大能量比进气阀高。总体来说，阀片密封面失效状态下气阀振动信号能量主要集中在4 500～8 000 Hz中频段。

经过气阀振动信号频谱分析，可以得出以下结论：

(1)气阀正常状态下的频谱特征是能量向高频移动，频率在6 000～11 000 Hz范围内振动信号能量较高且分布集中。

(2)阀片断裂状态下的频谱特征是频率在5 000 Hz附近时，能量达到最大，在其余频带上能量较小且分布均匀。

(3)弹簧失效状态下的频谱特征是在0～4 000 Hz低频带时能量较小、4 000～7 000 Hz中频带内能量较大、在7 000～12 500 Hz高频带内能量也较小。总体来说，弹簧失效状态下能量向中频移动。

(4)阀片密封面失效状态下的频谱特征是在0～4 000 Hz低频带能量分布较低、在4 000～9 000 Hz中频带能量较高。总体来说，阀片密封面失效状态下，能量向中高频移动，在中频带内能量最大。

弹簧失效和阀片密封面失效状态下的振动信号频谱图较相似，区别是在中频带的能量分布有细微差别。因此，用频谱图对这两类故障状态进行诊断比较困难，不能保证较高的准确率。

4 结论

本文作者基于2D-90MG两列一级往复式压缩机实验平台，以往复式压缩机气阀为实验对象，通过设计气阀故障模拟实验、搭建实验平台、采集气阀振动信号、对气阀振动信号进行数据处理，得出以下结论：

(1)通过介绍往复式压缩机的工作原理和故障机制，得出气阀故障占往复式压缩机故障种类的60%以上，因此研究气阀故障具有重要意义。通过分析往复式压缩机气阀运行过程和失效形式，得出气阀常见的4种工作状态：气阀正常、阀片断裂、弹簧失效、阀片密封面失效,为往复式压缩机气阀故障模拟实验提供参考。

(2)通过分析气阀振动信号时域波形和频谱，可知：往复压缩机气阀出现不同故障时，其振动信号的时域波形和频谱的能量分布存在一定差别。但这种诊断方法只适用于对气阀故障状态进行初步诊断，如需提高诊断结果准确性，还需引入其他的诊断方法。