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1、(10)申请公布号 CN 104236883 A (43)申请公布日 2014.12.24 CN 104236883 A (21)申请号 201410441460.8 (22)申请日 2014.09.02 G01M 13/00(2006.01) G06F 19/00(2011.01) (71)申请人 北京化工大学 地址 100029 北京市朝阳区北三环东路 15 号 (72)发明人 江志农 张明 马波 冯坤 高金吉 (74)专利代理机构 北京思海天达知识产权代理 有限公司 11203 代理人 刘萍 (54) 发明名称 平行轴齿式压缩机临界负荷故障诊断方法 (57) 摘要 一种平行轴齿式压缩机临。
2、界负荷故障诊断方 法属于旋转机械振动状态监测与故障诊断领域。 本发明涉及平行轴齿式压缩机实时在线监测， 通 过对压缩机转轴振动信号、 键相信号以及入口导 叶反馈信号的采集和处理， 判断机组运行转速条 件以及入口导叶反馈条件， 进一步将计算的通频 特征值与机组报警与值比较， 判断振动通频趋势 条件， 同时结合快速傅里叶变换 (FFT) 算法计算 转子振动信号的频谱， 得到转频幅值与通频特征 值的比值， 根据比值定量的判断转轴振动主导频 率条件， 根据判定条件， 实时在线诊断平行轴齿式 压缩机组是否发生临界负荷故障。本发明具有方 法科学， 结论可靠， 能够实现平行轴齿式压缩机临 界负荷故障实时在线。
3、诊断。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104236883 A CN 104236883 A 1/2 页 2 1. 一种平行轴齿式压缩机临界负荷故障诊断方法， 其特征在于， 包括 ： 1) 信号采集及处理， 采集平行轴齿式压缩机组转子的振动信号、 键相信号以及压缩机 入口导叶开度反馈信号， 根据获得的振动信号、 键相信号计算得到平行轴齿式压缩机组转 轴振动通频特征值以及转轴的转速 ； 2) 平行轴齿式压缩机转轴运行转速条件验证， 。
4、计算转子实时运行时的转速， 判断该转 子是否以稳定的转速运行同时比较转速是否大于转子的一阶临界转速， 判定机组转速条件 是判定临界负荷故障的必要条件 ； 3) 平行轴齿式压缩机导叶开度条件验证， 根据压缩机入口导叶的反馈信号判断压缩机 是否在调整负荷， 包括导叶开大即升负荷以及导叶关小即降负荷两种情况， 判定机组导叶 开度条件验证也是判定临界负荷故障的必要条件 ； 4) 平行轴齿式压缩机转子振动通频趋势条件验证， 根据转轴振动信号计算的通频特征 值与机组设定的振动报警阈值进行比较， 定量分析转轴振动通频趋势的变化情况， 判定振 动通频趋势是否在导叶开度变化阶段的变化显著 ； 具体为 ： 所述的。
5、平行轴齿式压缩机转子振动通频趋势条件验证， 确定采样频率 Fs, 采 样点数 Ns， 间隔 t 秒采集转轴振动信号 w(t) ； 针对压缩机的某根转子获取 t 时刻径向振动 信号包括 ： 水平方向振动信号 wx(t)、 垂直方向振动信号 wy(t)， 以及轴向振动信号 wa(t) ； 根 据振动信号通频特征值计算公式S(t)wmax(t)-wmin(t)分别计算获得t时刻水平方向振动 信号 wx(t) 的水平振动通频特征值 Sx(t)、 垂直方向振动信号 wy(t) 的垂直方向振动通频特 征值 Sy(t) 以及轴向振动信号 wa(t) 的轴向振动通频特征值 Sa(t)， 设定压缩机组振动报警 。
6、阈值 Thre ； 报警阈值 Thre 为平行轴齿式压缩机出厂时厂家设定， 在转速条件验证与导叶开 度条件验证均通过的条件下， 当 Sx(t) Thre 或 Sy Thre， 同时 Sa(t) 0.6， 当比值 R 大 于等于设定阈值 Thref 时， 认为转频幅值 A(f0) 在频谱中显著， 转频 f0为主导频率 ； 当水平 方向振动信号的转频幅值 Ax(f0) 与其通频特征值 Sx(t) 比值 Rx Ax(f0)/Sx(t) 与垂直方向 振动信号的转频幅值 Ay(f0) 与其通频特征值 Sy(t) 的比值 Ry Ay(f0)/Sy(t) 均大于设定的 阈值 Thref 时， 判定压缩机组转。
7、子振动主导频谱条件验证通过 ； 6) 平行轴齿式压缩机临界负荷故障诊断方法， 根据压缩机转速验证、 导叶开度验证、 振 动趋势验证以及主导频率验证 4 项目验证的结果， 综合判断得出平行轴齿式压缩机是否发 权 利 要 求 书 CN 104236883 A 2 2/2 页 3 生临界负荷故障的结论。 2. 根据权利要求 1 所述的平行轴齿式压缩机临界负荷故障诊断方法， 其特征在于 ： 所 述的信号采集与处理， 在采集平行轴齿式压缩机转轴信号时， 需要采集每个转轴的径向振 动信号 ： 水平方向振动信号与垂直方向振动信号， 轴向振动信号， 键相信号， 转轴振动信号 w(t) 的通频特征值 S(t) 。
8、wmax(t)-wmin(t)， 其中 wmax(t) 为 t 时刻振动信号的最大峰值， wmin(t) 为 t 时刻振动信号的最小峰值 ； 每个转轴的转速则通过采集转轴上的键相信号计 算得到， 转速 Rev 60/(z* t)， 其中， z 为转子键槽数量， t 为键相信号脉冲之间的间 隔。 3. 根据权利要求 1 所述的平行轴齿式压缩机临界负荷故障诊断方法， 其特征在 于 ： 所述压缩机组转轴运行转速条件验证， 对于实际应用的平行轴齿式压缩机， 有 3 个 以上的转子， 这些转子分别有不同的一阶临界转速 Rev1C与额定工作转速 RevR0， 转轴 正常运行时的工作转速为 Rev， 转速允。
9、许误差阈值为 ThreR， 取 ThreR 10r/min， 当 RevR0-ThreRRev1C时， 转轴运行转速条件验证通过， 说明该转子具备了与转速相关的 发生临界负荷故障的必要条件。 4. 根据权利要求 1 所述的平行轴齿式压缩机临界负荷故障诊断方法， 其特征在于 ： 所 述压缩机导叶开度条件验证， 压缩机入口导叶开度反馈信号 p(t) 为导叶开度的百分比， 范 围 ： 0 p(t) 100， 工况不变的情况下， 当前时刻 t 导叶开度反馈信号 p(t) 与前一时 刻时刻 tf导叶开度反馈信号 p(tf) 相等， 即 p(t) p(tf) ； 当 p(t) p(tf) 时， 导叶开度反。
10、 馈信号发生变化， 压缩机导叶开度条件验证通过， 说明该压缩机具备了与导叶开度相关的 发生临界负荷故障的必要条件。 权 利 要 求 书 CN 104236883 A 3 1/4 页 4 平行轴齿式压缩机临界负荷故障诊断方法 技术领域 0001 本发明属于旋转机械振动状态监测与故障诊断领域， 涉及一种平行轴齿式压缩机 临界负荷故障诊断方法。 背景技术 0002 平行轴齿式压缩机由于其运行效率高、 结构紧凑等优点， 在石油石化等流程工业 中压缩空气和二氧化碳方面得到广泛的应用。平行轴齿式压缩机一般存在多根转子， 振动 存在较强的耦合关系， 并且每根转子的轴承特性随着压缩机进口导叶的调整而变化， 因。
11、此， 该类机组的振动非常的复杂， 一旦发生故障将会给企业带来巨大的损失。 0003 在现场实际运行过程中发现， 平行轴齿式压缩机在额定转速运行的状态下由于调 整气动负荷产生振动过大的问题， 这种问题引起的故障就是临界负荷故障。我国设备故障 诊断专家高金吉院士所著的机械故障诊治与自愈化一书中针对临界负荷故障进行探讨与 研究， 并成功的解决了一台平行轴齿式压缩机的临界负荷故障。 0004 临界负荷是因运行条件改变而引起的一种振动现象， 由于压缩机入口导叶变化而 导致气动负荷改变， 从而影响了压缩气体做功转子支撑轴承的刚度变化， 而轴承刚度改变 会影响转子的各阶临界转速转速改变， 当某一阶临界转速在。
12、刚度变化的过程中与额定转速 重合时， 就会引发共振， 导致机组振动异常， 一旦振动过大就会引发跳车， 导致生产被迫停 止。综上所述， 临界负荷故障会给企业带来生产安全问题， 严重时会影响机组正常运行， 给 企业带来巨大的经济损失。 本发明提出的平行轴齿 式压缩机临界负荷故障实时诊断方法， 根据平行轴齿式压缩机各轴系实时运行转速、 导叶开度反馈、 转轴振动信号、 振动的频谱特 征等信息， 对压缩机组临界负荷故障进行实时自动的分析诊断， 为平行轴齿式压缩机组操 作管理人员提供实时准确的诊断结论， 保证压缩机组安全稳定的运行。 发明内容 0005 本发明的目的是在于基于平行轴齿式压缩机组运行中实时运。
13、行转速、 导叶开度反 馈、 转轴振动信号以及振动频谱等信息， 对该类机组临界负荷故障进行实时的诊断分析， 是 一种能够实现实时准确诊断故障的一种平行轴齿式压缩机临界负荷故障诊断方法。 0006 一种平行轴齿式压缩机临界负荷故障诊断方法， 其特征在于， 包括 ： 0007 1) 信号采集及处理， 采集平行轴齿式压缩机组转子的振动信号、 键相信号以及压 缩机入口导叶开度反馈信号， 根据获得的振动信号、 键相信号计算得到平行轴齿式压缩机 组转轴振动通频特征值以及转轴的转速 ； 0008 2) 平行轴齿式压缩机转轴运行转速条件验证， 计算转子实时运行时的转速， 判断 该转子是否以稳定的转速运行同时比较。
14、转速是否大于转子的一阶临界转速， 判定机组转速 条件是判定临界负荷故障的必要条件 ； 0009 3) 平行轴齿式压缩机导叶开度条件验证， 根据压缩机入口导叶的反馈信号判断压 缩机是否在调整负荷， 包括导叶开大即升负荷以及导叶关小即降负荷两种情况， 判定机组 说 明 书 CN 104236883 A 4 2/4 页 5 导叶开度条件验证也是判定临界负荷故障的必要条件 ； 0010 4) 平行轴齿式压缩机转子振动通频趋势条件验证， 根据转轴振动 信号计算的通 频特征值与机组出厂设定的振动报警阈值进行比较， 定量分析转轴振动通频趋势的变化情 况， 判定振动通频趋势是否在负荷调整阶段是否变化显著 ； 。
15、0011 5) 平行轴齿式压缩机转子振动主导频率条件验证， 根据转轴振动信号， 结合快速 傅里叶变化 (FFT) 频谱计算方法计算转轴振动信号频谱， 根据转频幅值与振动信号通频特 征值的比值， 定量的分析频谱中的主导频率是否为转频， 判定转轴振动信号的转频幅值是 否显著 ； 0012 6) 平行轴齿式压缩机临界负荷故障诊断方法， 根据压缩机转速验证、 导叶开度验 证、 振动趋势验证以及主导频率验证 4 项目验证的结果， 综合判断得出平行轴齿式压缩机 是否发生临界负荷故障的结论。 0013 在采集平行轴齿式压缩机转轴信号时， 需要采集每个转轴的径向振动信号 ： 水平 方向振动信号与垂直方向振动信。
16、号， 轴向振动信号， 键相信号， 转轴具体测点布置如图 2 所 示。转轴振动信号 w(t) 的通频特征值 S(t) wmax(t)-wmin(t)， 其中 wmax(t) 为 t 时刻振动 信号的最大峰值， wmin(t) 为 t 时刻振动信号的最小峰值。每个转轴的转速则通过采集转轴 上的键相信号计算得到， 转速 Rev 60/(z*t)， 其中， z 为转子键槽数量， t 为键相信号 脉冲之间的间隔。 0014 对于实际应用的平行轴齿式压缩机， 有 3 个以上的转子， 这些转子分别有不同的 一阶临界转速 Rev1C与额定工作转速 RevR0， 转轴正常运行时的工作转速为 Rev， 转速允许误。
17、 差阈值为 ThreR， 转速允许误差阈值根据键相传感器的精度以及现场安装方式由设备管理 工程师确定， 一般取 ThreR 10r/min， 当 RevR0-ThreRRev1C时， 转轴运行转速条件验 证通过， 说明该转子具备了与转速相关的发生临界负荷故障的必要条件。 0015 压 缩 机 入 口 导 叶 开 度 反 馈 信 号 p(t) 为 导 叶 开 度 的 百 分 比， 范 围 ： 0 p(t) 100， 工况不变的情况下， 当前时刻 t 导叶开度反馈信号 p(t) 与前一时刻时刻 tf导叶开度反馈信号 p(tf) 相等， 即 p(t) p(tf) ； 当 p(t) p(tf) 时， 。
18、导叶开度反馈信号 发生变化， 压缩机导叶开度条件验证通过， 说明该压缩机具备了与导叶开度相关的发生临 界负荷故障的必要条件。 0016 确定采样频率 Fs, 采样点数 Ns， 间隔 t 秒采集转轴振动信号 w(t)。针对压缩机 的某根转子获取 t 时刻径向振动信号包括 ： 水平方向振动信号 wx(t)、 垂直方向振动信号 wy(t)， 以及轴向振动信号wa(t) ； 根据振动信号通频特征值计算公式S(t)wmax(t)-wmin(t) 分别计算获得 t 时刻水平方向振动信号 wx(t) 的水平振动通频特征值 Sx(t)、 垂直方向振 动信号 wy(t) 的垂直方向振动通频特征值 Sy(t) 以。
19、及轴向振动信号 wa(t) 的轴向振动通频 特征值 Sa(t)， 设定压缩机组振动报警阈值 Thre。报警阈值 Thre 为平行轴齿式压缩机出 厂时厂家设定， 在转速条件验证与导叶开度条件验证均通过的条件下， 当 Sx(t) Thre 或 Sy Thre， 同时 Sa(t) 0.6， 当比值 R 大于等于设定阈值 Thref 时， 认为转频幅值 A(f0) 在频谱中显 著， 转频 f0为主导频率。当水平方向振动信号的转频幅值 Ax(f0) 与其通频特征值 Sx(t) 比 值 Rx Ax(f0)/Sx(t) 与垂 直方向振动信号的转频幅值 Ay(f0) 与其通频特征值 Sy(t) 的比 值 Ry。
20、 Ay(f0)/Sy(t) 均大于设定的阈值 Thref 时， 判定压缩机组转子振动主导频谱条件验 证通过。 0018 平行轴齿式压缩机临界负荷故障诊断方法， 根据诊断流程图， 验证压缩机转轴运 行转速条件、 压缩机导叶开度条件、 振动通频趋势条件、 振动主导频谱条件等 4 项的结果， 对压缩机组是否发生临界负荷故障进行识别诊断。 附图说明 0019 图 1 平行轴齿式压缩机临界负荷故障诊断流程图 ； 0020 图 2 机组转速趋势图 ； 0021 图 3 机组导叶开度反馈趋势图 ； 0022 图 4 机组某一转子水平方向振动通频趋势 ； 0023 图 5 机组某一转子垂直方向振动通频趋势 ；。
21、 0024 图 6 机组某一转子轴向振动通频趋势 ； 0025 图 7 机组报警时刻水平振动信号频谱 ； 0026 图 8 机组报警时刻垂直振动信号频谱 ； 具体实施方式 0027 下面结合附图和实例对本发明进行具体说明。 0028 一种平行轴齿式压缩机临界负荷故障诊断方法流程图如图 1 所示， 主要包括 ： 0029 (1) 实时获取平行轴齿式压缩机每个转轴的信号， 其中包括振动信号 ： 转轴的水 平振动信号 wx(t)、 垂直振动信号 wy(t) 以及轴向振动信号 wa(t) ； 键相转速信号 ； 导叶开度 反馈信号 ； 0030 (2) 根据获取的压缩机转轴的键相转速信号计算转轴实时的转。
22、速 Rev, 与改转子 的一阶临界转速对比， 如果大于一阶临界转速， 同时该转轴运行稳定转速不变时， 则通过转 轴运行转速条件验证， 进入下一步， 否则重新获取平行轴齿式压缩机的信号 ； 0031 (3) 获取压缩机入口导叶开度反馈信号 p(t)， 根据压缩机入口导叶反馈信号， 当 入口导叶开度信号发生变化时， 通过导叶开度条件验证， 进入下一步， 否则重新获取平行轴 齿式压缩机信号 ； 0032 (4)压缩机转轴振动信号准备， 根据公式计算转轴水平方向振动信号wx(t)的振动 通频特征值 Sx(t) 以及幅频谱 Ax(f)， 垂直方向振动信号 wy(t) 的振动通频特征值 Sy(t) 以 及。
23、幅频谱 Ay(f)， 轴向振动信号 wa(t) 的振动通频特征值 Sa(t) ； 0033 (5) 压缩机转子振动通频趋势， 获取机组报警阈值 Thre， 将计算得到的水平方向 振动通频特征值 Sx(t)、 垂直方向振动通频特征值 Sy(t) 以及轴向振动通频特征值 Sa(t) 分 说 明 书 CN 104236883 A 6 4/4 页 7 别与报警阈值比较， 当 Sx(t) Thre 或 Sy Thre， 同时 Sa(t)Thre 时， 判定压缩机组振动 通频趋势条件验证通过， 否则不通过 ； 0034 (6) 压缩机转子振动主导频率， 设定主导频率阈值 Thref， 计算水平方向振动转频。
24、 幅值 Ax(f0) 与通频特征值 Sx(t) 相比得到 Rx Ax(f0)/Sx(t) 以及垂直方向振动转频幅值 Ay(f0) 与通频特征值 Sy(t) 相比得到 Ry Ay(f0)/Sy(t)， 当 Rx Thref 同时 Ry Thref 时， 判定压缩机组转子振动主导频率为转频率， 条件验证通过， 否则不通过 ； 0035 (7) 判定压缩机转子振动通频趋势条件验证与压缩机转子振动主导频率条件验证 是否同时满足通过条件， 如果是则判定平行轴齿式压缩机发生临界负荷故障， 否则判定平 行轴齿式压缩机没有发生临界负荷故障。 0036 本发明以某石化企业曼透平生产的平行轴齿式压缩机为对象对平行。
25、轴齿式压缩 机临界负荷故障诊断方法进行验证。该平行轴齿式压缩机共有 5 个转子， 其中 3 个为输出 转子， 运行转速均大于一阶临界转速， 取其中某一转子发生临界负荷故障进行分析诊断。 0037 通过现场的高速数据采集器实时采集五轴平行轴齿式压缩机每个转子的振动信 号、 键相信号以及入口导叶开度信号。 0038 根据实时采集的键相信号， 得到机组运行的转速趋势， 如图 3 所示， 该转轴的转速 为 14150r/min 远高于该转子的一阶临界转速 5780r/min， 同时机组转速不变， 机组运行稳 定， 转轴运行转速条件验证通过 ； 0039 根据实时获取的导叶入口反馈信号， 得到机组运行时。
26、的导叶入口反馈趋势， 如图 4 所示， 在机组平稳运行的阶段， 入口导叶反馈信号持续上升， 说明机组在进行负荷调节， 通 过导叶开度条件验证。 0040 根据实时获取转轴振动信号计算通频特征值以及其频谱， 如图 4 所示为径向水 平方向振动通频趋势， 图 5 所示为径向垂直方向振动通频趋势， 图 6 所示为轴向振动通 频趋势， 图 7 为 2013-04-24 11:43:37 水平方向振动波形的频谱图， 图 8 为 2013-04-24 11:43:37 垂直方向振动波形频谱图。 0041 该平行轴齿式压缩机出厂设定的报警阈值 Thre 28m， 通过计算得到 t 2013/04/24 11。
27、:43:37 时水平方向振动通频特征 Sx(t) 28.53m, 垂直方向振动通频 特征 Sy(t) 29.87m， 轴向振动通频特征 Sa(t) 10.97m ； 此时刻， Sx(t) Thre 且 Sy Thre， 同时 Sa(t)Thre， 判定压缩机组振动通频趋势条件验证通过。 0042 设定主导频率阈值 Thref 0.6， 根据频谱图 8 和图 7 得到 t 2013/04/24 11:43:37 时刻水平方向振动转频幅值 Ax(f0) 20.2m， 垂直方向振动转频幅值 Ay(f0) 22.2m， 水平方向转频幅值与通频特征值的比值 Rx Ax(f0)/Sx(t) 0.708， 。
28、垂直方向 转频幅值与通频特征值的比值 Ry Ay(f0)/Sy(t) 0.7432 ； 此时刻， 当 Rx Thref 同时 Ry Thref， 判定压缩机组转子振动主导频率为转频率， 条件验证通过。 0043 压缩机转子振动通频趋势条件验证与压缩机转子振动主导频率条件验证同时满 足通过条件， 因此， 该时刻平行轴齿式压缩机组发生临界负荷故障。 说 明 书 CN 104236883 A 7 1/3 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104236883 A 8 2/3 页 9 图 3 图 4 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 104236883 A 9 3/3 页 10 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 104236883 A 10 。