CN105784350B - 一种基于活塞杆振动动态能量指数的故障报警方法 - Google Patents

一种基于活塞杆振动动态能量指数的故障报警方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于活塞杆振动动态能量指数的故障报警方法。本发明建立了活塞杆轴心位移轨迹方程，利用常规的活塞杆位移监测信号，计算获得活塞杆轴心位移轨迹，提取活塞杆轴心振动能量指数与轨迹面积；针对典型的支撑环磨损、活塞杆紧固螺栓松动与活塞杆断裂故障，基于活塞杆轴心振动能量指数的诊断方法可有效克服常规位移量监测报警故障响应滞后、敏感性差的缺点，具有较好的实际应用价值。

Description

一种基于活塞杆振动动态能量指数的故障报警方法
技术领域
本发明涉及一种基于活塞杆振动动态能量指数的故障报警方法。
背景技术
活塞杆断裂是往复压缩机恶性故障之一，将会导致撞缸、机体损坏、气体外泄；对于石油石化企业的高压临氢压缩机，由于压缩介质易燃易爆，一旦出现活塞杆断裂易导致着火***事故的发生，严重威胁企业安全稳定生产；目前，国内相关石油、化工企业压缩机普遍缺乏振动、位移监测手段，依靠人工巡检，听、看、摸的落后监测诊断方法无法避免活塞杆断裂的发生，更无法在故障发生后及时停车、避免故障的进一步恶化；
国内外往复机械故障相关研究中，大多数科研人员重点针对故障智能诊断与特征提取方法开展研究，诸如人工神经网络、支持向量机以及其它相关智能算法陆续应用于往复压缩机及其附属设备故障分析诊断，与活塞杆断裂及疲劳失效相关的研究主要针对活塞杆断裂后裂口形貌分析、金相分析、材料加工等方面查找故障原因，一方面是因为裂纹的产生与多物理场作用下疲劳和冲击有关，另一方面是由于裂纹产生早期特征微弱、提取难度大，尤其像往复压缩机这样复杂的载荷形式；目前国内少量往复压缩机已安装了在线监测诊断***，对活塞杆监测偏重于位移直流量大小与趋势，监测活塞杆位移纵向下沉与横向位移；实际监测中，仅对位移直流量信号进行监测无法实现断裂类故障有效预警；新的故障特征提取与诊断方法研究有迫切的应用需求；
本发明建立了活塞杆轴心轨迹方程，利用常规的活塞杆位移监测信号，计算获得活塞杆轴心轨迹，提取活塞杆振动动态能量指数；针对典型的支撑环磨损、活塞杆紧固螺栓松动与活塞杆断裂故障，基于活塞杆振动动态能量指数的报警方法可有效克服常规位移量监测报警故障响应滞后、敏感性差的缺点，具有较好的实际应用价值；
发明内容
一种基于活塞杆振动动态能量指数的故障报警方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)对往复压缩机活塞杆水平方向位移、竖直方向位移至少两者之一进行监测，对飞轮键相信号进行监测，
(2)活塞杆水平方向位移整周期信号记为RX，竖直方向位移整周期信号记为RY，基于飞轮键相信号，至少采集RX、RY两者之一，
(3)令往复压缩机活塞杆监测位置的半径R，令ti时刻，活塞杆水平方向位移值为RXi、活塞杆竖直方向位移值为RYi，轴心轨迹RO在水平方向的取值为xi，轴心轨迹在竖直方向的取值为yi，i＝1，2，3...n；n＝(60/ω)×k，ω是往复压缩机转速，单位是：rpm，k为采样率，单位是：点/秒；xi与yi的计算方法如下：
(R+RXi+xi)2+yi 2＝R2
xi 2+(R+RYi-yi)2＝R2
联立上述方程，可求得xi与yi，
若只有RX或RY其中一类数据，则不进行轴心轨迹计算；
(4)当能进行轴心轨迹RO计算时，提取活塞杆轴心整体振动能量参数：Epo，水平方向整体能量参数：Epx，竖直方向整体能量参数：Epy；
Epo的计算方法如下：
1)计算ti时刻活塞杆轴心振动速度：vo(i)
2)求解整周期轴心振动速度平均能量：
Epx的计算方法如下：
1)计算ti时刻活塞杆轴心在水平方向上的振动速度：vx(i)
2)计算水平方向上轴心振动速度平均能量：
Epy的计算方法如下：
1)计算ti时刻活塞杆轴心在竖直方向上的振动速度：vy(i)
2)计算竖直方向上轴心振动速度平均能量：
(5)当只有RX或RY其中一类数据，则直接计算X方向整体能量参数：E′px，或Y方向整体能量参数：E′py，
E′px的计算方法如下：
1)计算ti时刻活塞杆轴心在水平方向上的振动速度：vRx(i)
2)计算水平方向上轴心振动速度平均能量：
E′py的计算方法如下：
1)计算ti时刻活塞杆轴心在竖直方向上的振动速度：vRy(i)
2)计算竖直方向上轴心振动速度平均能量：
(6)基于步骤(4)和步骤(5)中的能量参数，结合往复压缩机进气压力psuc、排气压力pdis、活塞杆长度Lpis、往复运动部件总质量Mrecip、压缩机转速ω，提取活塞杆振动动态能量指数，
Km：代表活塞杆振动动态能量指数，m＝1，2，3，4或5；
Em：代表不同能量参数，E1＝Epo，E2＝Epx，E3＝Epy，E4＝E′px，E5＝E′py，
pdis：代表进气压力值，单位MPa；
psuc：代表排气压力值，单位MPa；
Lpis：代表活塞杆长度值，单位m；
Mrecip：代表往复运动部件总质量，单位kg；
(7)基于步骤(6)提取的活塞杆振动动态能量指数Km，进行报警判断，设定报警限值为250，危险限值为1000，当Km超过250时，m＝1，2，3，4或5，认为出现故障，进行故障报警，当Km超过1000时，则有必要立即停机。
附图说明
图1竖直方向与水平方向电涡流传感器安装示意图
图2典型的竖直方向沉降与水平方向偏摆位移监测信号
图3活塞杆轴心轨迹监测示意图
图4活塞杆轴心轨迹计算结果
图5活塞杆轴心实时位置距离坐标原点的距离
具体实施方式
目前，国内外在役的往复压缩机故障在线监测诊断***，都对活塞杆位移进行监测，有同时监测水平方向偏摆位移与竖直方向沉降位移信号的，也有进行单一方向位移监测的；使用的传感器为非接触式的电涡流传感器；通过两个方向的位移传感器，可实现活塞杆运动过程中活塞杆相对传感器位置变化信号的在线监测，传感器安装示意图如图1所示，典型的沉降与偏摆位移监测信号如图2所示；
常规位移量监测方法属于相对参数监测，即传感器实时采集信号与初始安装位置的差值，计算活塞杆位移相对变化量；以竖直方向沉降位移量计算为例，令传感器初始安装时探头距离活塞杆距离为L0，传感器采集的电压为V0，则：
L0＝ZV0+B
Z为传感器灵敏度，B为传感器初始偏置量；ti时刻，传感器采集的电压为V1，则：
L1＝ZV1+B
L1为当前时刻探头距离活塞杆的距离；在线监测***中，ti时刻活塞杆沉降量的计算为：
RYi＝L1-L0＝Z(V1-V0)
水平方向位移量RXi计算采用水平方向电涡流传感器采集信号，方法与上式类似；
因传感器安装位置影响，导致L0处于变动状态，无法做到对故障的连续监测；如机组进行停机检修，传感器重新安装，但并未更换活塞组件，传感器重新安装位置很难与检修前保持一致，给故障监测诊断带来了困难；如何克服这些难点，提取有效的监测参数，客观反映机组运行状态的变化是研究的重点；
两个相对呈90度分布的活塞杆水平和垂直传感器对活塞杆的位置监测示意图如图3所示；
令往复压缩机活塞杆监测位置的半径R，令ti时刻，活塞杆水平方向位移值为RXi、活塞杆竖直方向位移值为RYi，轴心轨迹RO在水平方向的取值为xi，轴心轨迹在竖直方向的取值为yi，i＝1，2，3...n；n＝(60/ω)×k，ω是往复压缩机转速，单位是：rpm，k为采样率，单位是：点/秒；xi与yi的计算方法如下：
(R+RXi+xi)2+yi 2＝R2
xi 2+(R+RYi-yi)2＝R2
基于上两个公式求得x，y存在两组解，根据活塞杆实体结构可排除一组无效解，从而获得ti时刻活塞杆轴心轨迹位置解(xi，yi)；
活塞杆运动中，位移探头位置不变，上述获得的结果反映的是活塞杆不同位置截面中心的变化规律；投影到同一截面下，连接活塞杆不同位置的截面中心，即可获得活塞杆轴心轨迹；
针对某企业往复压缩机，利用在线监测***采集活塞杆沉降与位移信号，如图2所示，带入活塞杆轴心轨迹计算公式，计算活塞杆轴心位置轨迹，如图4所示；该机组转速为333r/min，对象气缸活塞杆半径为40mm，长度为1060mm，往复运动质量520kg，进气压力2MPa，排气压力4.2MPa；可认为活塞杆刚度足够大，则不同时刻获得的活塞杆位置截面中心可反映活塞杆整***置的改变，利用图4所示的信号，计算活塞杆轴心轨迹不同时刻位置距离坐标原点的距离，结果如图5所示；
根据本发明提出的方法，基于活塞杆水平方向与竖直方向数据能提取轴心振动能量参数；计算活塞杆整体与分方向振动能量参数，具体如下：
活塞杆轴心整体振动能量参数：Epo
水平方向整体能量参数：Epx
竖直方向整体能量参数：Epy
Epo的计算方法如下：
1)计算ti时刻活塞杆轴心振动速度：vo(i)
2)求解整周期轴心振动速度平均能量：
Epx的计算方法如下：
1)计算ti时刻活塞杆轴心在水平方向上的振动速度：vx(i)
2)计算水平方向上轴心振动速度平均能量：
Epy的计算方法如下：
1)计算ti时刻活塞杆轴心在竖直方向上的振动速度：vy(i)
2)计算竖直方向上轴心振动速度平均能量：
上述公式中，当实际只安装了一个方向的位移传感器时，无法计算轴心振动能量，可对公式进行修正，直接带入活塞杆水平或竖直方向传感器采集的位移信号，分别计算两个方向上的活塞杆振动能量，计算X方向整体能量参数：E′px，或Y方向整体能量参数：E′py；
E′px的计算方法如下：
1)计算ti时刻活塞杆轴心在水平方向上的振动速度：vRx(i)
2)计算水平方向上轴心振动速度平均能量：
E′py的计算方法如下：
1)计算ti时刻活塞杆轴心在竖直方向上的振动速度：vRy(i)
2)计算竖直方向上轴心振动速度平均能量：
往复压缩机活塞杆振动与机组进排气压力、活塞杆长度、往复运动部件(活塞杆、活塞、十字头)质量、压缩机转速存在内在关联；通常情况下：
活塞杆越长挠性越大，转速越高稳定性越差，而气缸内气体力周期性变化也会导致活塞受力的改变，因此活塞杆振动能量与长度、转速、气体力变化量成正比；
当运动质量越大，振动难度越大，因此活塞杆振动能量与往复运动质量成反比；
本文采用下面的公式消除关联参数影响，基于上述能量参数，分别提取活塞杆轴心振动动态能量指数，从而使本文方法可适用于不同类型往复压缩机；
下面采用3起实际往复压缩机典型故障案例数据进行应用，包括活塞支撑环磨损故障、活塞杆断裂故障及活塞杆紧固元件松动断裂故障；将实际故障数据应用于本文提出的方法中，提取相关能量指数；定义竖直方向为Y反向，定义水平方向为X反向；
(1)活塞支撑环磨损故障案例
本案例中，机组为常规电驱氢气往复压缩机，300r/min转速，机组同时安装有活塞杆水平与竖直两个方向的位移传感器；伴随机组长期运行，活塞组件中的支撑环出现缓慢磨损，在线监测***记录下了过程数据；提取后的各类故障特征参数变化情况如表1所示；
表1支撑环磨损故障特征变化对照表
特征参数 故障前 故障初 故障后
Y方向位移平均值μm 533.4 207.83 -61.903
Y方向位移峰峰值μm 207.6 403.7 627.3
X方向位移平均值μm 283.92 174.64 273.95
X方向位移峰峰值μm 169.9 181.1 226
轴心振动整体能量指数 61.537 64.712 100.46
Y方向振动动态能量指数 29.216 39.862 76.832
X方向振动动态能量指数 32.321 24.949 23.626
根据表1数据，可看出故障发生前后，活塞杆轴心振动整体能量指数、Y方向振动动态能量指数、X方向振动动态能量指数均未超过报警限值250，无需报警，说明支撑环磨损故障不会导致活塞杆振动能量显著增大，这与实际故障检维修结果一致；
(2)活塞杆断裂故障案例
本案例中，机组为燃气发动机驱动的高速天然气往复压缩机，额定转速1000r/min，机组同时安装有活塞杆水平与竖直两个方向的位移传感器；机组运行过程中，在线监测***捕捉到机组振动与活塞杆出现异常变化趋势，停车后发现出现了活塞杆断裂与撞缸；计算后的故障特征如表2所示；
表2活塞杆断裂故障特征变化对照表
根据表2数据，可看出故障发生前后，活塞杆轴心振动整体能量指数、Y方向振动动态能量指数、X方向振动动态能量指数变化较大，故障发生初期活塞杆轴心振动整体能量指数超过报警限值250，需要报警；同时故障发生后期，活塞杆轴心振动整体能量指数与X方向振动动态能量指数均超过危险限值1000，需要停车；
(3)活塞杆紧固件松动、撞缸故障案例
本案例中，机组仅安装有活塞杆竖直方向的位移传感器，只能进行单一方向的振动能量分析；机组运行过程中，在线监测***捕捉到活塞杆出现异常变化趋势，伴随异常恶化，机组振动出现异常变化，停车后发现机组活塞紧固元件出现松动并撞缸；计算后的故障特征如表3所示；
表3活塞杆松动故障特征变化对照表
特征参数 故障前 故障初 故障后
Y方向位移平均值μm 296.19 -45.322 -1204.1
Y方向位移峰峰值μm 397.3 391.2 1031.9
Y方向整体能量指数 86.325 371.9 4942.4
根据表3数据，可看出故障发生前后，活塞杆Y方向振动动态能量指数变化较大，故障发生初活塞杆Y方向振动动态能量指数超过报警限值250，需要报警；故障发生后期活塞杆Y方向振动动态能量指数超过危险限值1000，需要停车；
从上述表1，表2，表3中数据可看出：
(1)常规监测参数：包括活塞杆位移平均值、位移峰峰值对不同故障区别不明显，如案例1、案例2、案例3的活塞杆Y方向位移峰峰值相对变化接近，但故障类型完全不同；
(2)本文提取的故障能量参数对不同故障区别明显，恶性故障变化剧烈，而常规磨损故障变化较小，反映了活塞杆振动能量在不同故障下存在显著区别，故障敏感性强；
(3)本文提取的故障能量参数对故障早期变化反应敏感，从案例2、3可看出，本文提取的能量参数在故障早期相对正常状态，均变化超过100％以上，较峰峰值更加有效提前预警故障；
目前在往复压缩机在线监测诊断与联锁保护停车***中，对活塞杆沉降信号如何有效利用存在难点；大量的现场案例证明单一的活塞杆沉降量(波形平均值)监测受安装等人为因素影响大，现场误报、误停车频繁；如何解决该问题是保证现场在线监测***、联锁保护***可靠应用的基础；
本发明研究成果对完善在线监测***活塞杆监测报警参数、联锁保护***控制参数具有积极意义，可有效弥补现有机组壳体振动烈度对故障早期反映不敏感的问题，提高在线监测***与联锁保护***故障预警、停车准确性。

Claims (1)

1.一种基于活塞杆振动动态能量指数的故障报警方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)对往复压缩机活塞杆水平方向位移、竖直方向位移至少两者之一进行监测，对飞轮键相信号进行监测，
(2)活塞杆水平方向位移整周期信号记为RX，竖直方向位移整周期信号记为RY，基于飞轮键相信号，至少采集RX、RY两者之一，
(3)令往复压缩机活塞杆监测位置的半径R，令ti时刻，活塞杆水平方向位移值为RXi、活塞杆竖直方向位移值为RYi，轴心轨迹RO在水平方向的取值为xi，轴心轨迹在竖直方向的取值为yi，i＝1，2，3...n；n＝(60/ω)×k，ω是往复压缩机转速，单位是：rpm，k为采样率，单位是：点/秒；xi与yi的计算方法如下：
(R+RXi+xi)2+yi 2＝R2
xi 2+(R+RYi-yi)2＝R2
联立上述方程，求得xi与yi，
若只有RX或RY其中一类数据，则不进行轴心轨迹计算；
(4)当能进行轴心轨迹RO计算时，提取活塞杆轴心整体振动速度平均能量：Epo，水平方向上轴心振动速度平均能量：Epx，竖直方向上轴心振动速度平均能量：Epy；
Epo的计算方法如下：
1)计算ti时刻活塞杆轴心振动速度：vo(i)
<mrow> <mi>v</mi> <mi>o</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
2)求解整周期轴心振动速度平均能量：
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Epx的计算方法如下：
1)计算ti时刻活塞杆轴心在水平方向上的振动速度：vx(i)
<mrow> <mi>v</mi> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <msqrt> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </msqrt> <mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
2)计算水平方向上轴心振动速度平均能量：
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Epy的计算方法如下：
1)计算ti时刻活塞杆轴心在竖直方向上的振动速度：vy(i)
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2)计算竖直方向上轴心振动速度平均能量：
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(5)当只有RX或RY其中一类数据，则直接计算水平方向上轴心振动速度平均能量：E'px，或竖直方向上轴心振动速度平均能量：E'py，
E'px的计算方法如下：
1)计算ti时刻活塞杆轴心在水平方向上的振动速度：vRx(i)
<mrow> <mi>v</mi> <mi>R</mi> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <msqrt> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>RX</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>RX</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </msqrt> <mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
2)计算水平方向上轴心振动速度平均能量：
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E'py的计算方法如下：
1)计算ti时刻活塞杆轴心在竖直方向上的振动速度：vRy(i)
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2)计算竖直方向上轴心振动速度平均能量：
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(6)基于步骤(4)和步骤(5)中的能量参数，结合往复压缩机进气压力psuc、排气压力pdis、活塞杆长度Lpis、往复运动部件总质量Mrecip、压缩机转速ω，提取活塞杆不同振动动态能量指数，
<mrow> <msub> <mi>K</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>E</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>M</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>c</mi> <mi>i</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>p</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>i</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>p</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>u</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mi>i</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mi>&amp;omega;</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
Km：代表活塞杆振动动态能量指数，m＝1，2，3，4或5；
Em：代表不同能量参数，E1＝Epo，E2＝Epx，E3＝Epy，E4＝E'px，E5＝E'py，
pdis：代表进气压力值，单位MPa；
psuc：代表排气压力值，单位MPa；
Lpis：代表活塞杆长度值，单位m；
Mrecip：代表往复运动部件总质量，单位kg；
(7)基于步骤(6)提取的活塞杆振动动态能量指数Km，进行报警判断，设定报警限值为250，危险限值为1000，当Km超过250时，m＝1，2，3，4或5，认为出现故障，进行故障报警，当Km超过1000时，则有必要立即停机。
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