往复式压缩机的故障机理及早期预警技术研究

论文摘要

设备状态监测与故障诊断技术的发展正在把过程工业中传统的事后维修和定期计划维修技术逐步改变为预知维修和智能维护技术。而设备故障早期预警技术、故障特征提取技术以及远程监测与诊断系统是实现这一技术转变的关键。往复式压缩机是各种过程工业生产流程中一类输送气态物料的重要设备,其运转状况往往是整个生产流程运转的控制因素。气阀故障是往复式压缩机中最常见故障,占所有故障60%以上。气阀出现故障后会导致压缩效率降低、甚至停产,而由于往复式压缩机结构复杂,内部振动冲击源多,造成气阀故障信号提取困难,在过去一直很难实现气阀故障的早期预警。另一个严重的往复式压缩机故障是活塞杆断裂。这种故障可能引起重大机械事故,严重的会导致爆炸和人员伤亡。目前活塞杆断裂事故只能进行事后分析,没有方法避免活塞杆断裂事故发生。远程监测与诊断系统是实施状态监测与诊断的平台,目前这类系统在通用性、扩充性以及实时性等方面还存在不少问题,不能实现对企业中常见旋转机械、往复机械等不同类型设备使用一套平台进行远程监测与诊断,并且升级更新不方便。本论文以气阀故障和活塞杆断裂故障为研究对象来研究往复式压缩机的故障机理及早期预警技术,并研究了远程监测与诊断系统。本论文主要进行了三方面工作,现概括如下：1)研究了气阀故障的早期预警及不同故障的特征提取技术对往复式压缩机各种受力进行分析,发现往复式压缩机受力特点；通过对气阀吸排气过程进行热力学和动力学分析,建立气阀运动规律数学模型,实现气阀故障的模拟和机理的分析。针对气阀故障早期的振动信号特点,研究了提升小波变换、小波变换降噪原理和最大似然估计法,提出了根据信号特征的自适应构造小波基方法以及根据被提取信号先验分布知识来决定小波降噪阈值准则的方法,结合两种方法提取气阀故障早期的特征,并通过仿真数据和实测数据进行验证,很好地实现了气阀故障的早期预警。根据气阀振动信号具有调制的特点,讨论了能量算子包络解调技术,对比了该方法和常用的Hilbert变换包络解调技术,发现无论从计算速度和包络精度方面,能量算子包络解调技术都优于Hi lbert变换,尤其是对具有冲击特征信号的包络精度。针对包络解调分析前需要人为确定载波带进行带通滤波问题,提出了基于小波包变换和能量算子相结合包络解调分析方法,并且通过仿真数据分析,验证了该方法的优势,将其用于气阀不同故障的特征提取,取得了很好效果。2)研究了活塞杆断裂事故的早期预警技术分析活塞杆受力规律,并对活塞杆从裂纹产生、疲劳扩展到活塞杆断裂进行断裂力学分析,提出有可能从检测活塞杆有无裂纹角度,实现活塞杆断裂事故的早期预警。介绍了声发射技术及其常用信号分析方法,讨论了声发射技术与裂纹疲劳扩展的关系。借助于多功能疲劳试验机的拉-压试验功能,模拟活塞杆的受力工况,研究了活塞杆试件裂纹疲劳扩展过程的声发射信号与应力、应变关系,发现通过声发射计数对活塞杆裂纹扩展程度进行评价和疲劳寿命预测是可行的；对有裂纹和无裂纹活塞杆试件的声发射信号进行分析,发现利用声发射技术实现活塞杆断裂事故早期预警在原则上是可行的；讨论了声发射不同参数对有无裂纹的敏感程度,提出了采用声发射信号的幅度作为判断活塞杆有无裂纹的特征指标；讨论了声发射活塞杆裂纹检测在实际应用中可能面临的问题和安装方式,通过试验研究这些问题造成的影响及解决方法,并设计了声发射传感器安装方式。3)研究了基于中间件技术的分布式远程监测与诊断系统针对目前远程监测与诊断系统存在的问题,讨论了中间件技术和不同网络体系结构的优缺点,提出了采用三层网络体系结构、以中间件技术为核心的分布式远程监测与诊断系统架构,以及实现该系统的技术。分析了往复式压缩机各种故障以及监测与诊断的特点,结合旋转机械故障监测与诊断的特点,提出了该系统应具备各种的功能,并开发了该系统。该系统已经应用到国内几家石化企业。最后对本论文研究内容进行总结,提出了进一步的研究方向。

论文目录

• 学位论文数据集
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究的目的和意义
• 1.2 往复式压缩机故障诊断与监测的研究现状
• 1.2.1 往复式压缩机诊断技术的研究现状
• 1.2.2 往复式压缩机振动信号处理方法的研究现状
• 1.2.2.1 时域特征提取方法
• 1.2.2.2 频域特征提取方法
• 1.2.2.3 小波变换特征提取方法
• 1.2.2.4 包络分析特征提取方法
• 1.2.3 声发射技术的研究现状
• 1.2.4 远程监测与诊断系统的研究现状
• 1.3 往复式压缩机故障诊断所面临的问题
• 1.4 本文主要研究内容
• 1.5 本文的组织结构
• 第二章 气阀运动模型和故障机理以及活塞杆断裂的分析
• 2.1 引言
• 2.2 往复式压缩机基本结构、工作原理和作用力分析
• 2.2.1 基本结构和工作原理
• 2.2.2 作用力分析
• 2.3 气阀运动模型及故障机理分析
• 2.3.1 气阀运动规律数学模型
• 2.3.1.1 吸排气过程的热力学分析
• 2.3.1.2 吸排气过程阀片的动力学分析
• 2.3.2 气阀故障机理的分析
• 2.3.2.1 弹簧失效的故障机理分析
• 2.3.2.2 气阀泄漏的故障机理分析
• 2.4 活塞杆受力规律及疲劳裂纹分析
• 2.4.1 活塞杆的受力分析
• 2.4.2 活塞杆螺栓连接部位断裂力学分析
• 2.4.2.1 裂纹形成阶段的强度和寿命计算
• 2.4.2.2 裂纹扩展阶段的强度和寿命计算
• 2.4.2.3 裂纹扩展阶段强度的实例计算
• 2.5 本章小结
• 第三章 气阀故障的早期预警及特征提取技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 气阀故障的早期预警技术
• 3.2.1 提升小波变换原理及自适应提升方法
• 3.2.1.1 提升方法与小波变换
• 3.2.1.2 预测、更新算子向量以及滤波器组的计算
• 3.2.1.3 自适应提升方法
• 3.2.2 基于MLE小波降噪技术
• 3.3.2.1 小波变换的阈值降噪原理
• 3.3.2.2 基于MLE阈值降噪技术
• 3.2.3 仿真数据分析
• 3.2.4 实验介绍
• 3.2.5 实验研究
• 3.3 基于小波包变换与能量算子的气阀故障特征提取技术研究
• 3.3.1 气阀振动信号的数学模型
• 3.3.2 能量算子的解调原理及其改进算法
• 3.3.2.1 能量算子的解调原理
• 3.3.2.2 改进的离散时间能量算子的对称差分方法
• 3.3.3 能量算子与Hilbert变换包络解调特性的比较
• 3.3.3.1 运算量比较
• 3.3.3.2 精度比较
• 3.3.4 小波包变换、能量算子及提出的包络方法
• 3.3.4.1 小波包变换的理论
• 3.3.4.2 基于提升方法的小波包变换
• 3.3.4.3 基于小波包变换与能量算子的包络解调分析
• 3.3.5 仿真数据分析
• 3.3.6 实验研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 活塞杆断裂的声发射监测及早期预警技术实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 声发射信号的分析方法及其检测面临的困难
• 4.2.1 声发射信号的分析方法
• 4.2.2 声发射检测面临的困难
• 4.3 裂纹疲劳扩展和声发射现象的关系
• 4.3.1 裂纹疲劳扩展的声发射信号特征
• 4.3.2 声发射信号与裂纹疲劳扩展过程的关系
• 4.4 活塞杆裂纹的声发射检测实验研究
• 4.4.1 活塞杆裂纹扩展实验介绍
• 4.4.2 活塞杆裂纹扩展声发射特征参数、应变及载荷之间的关系
• 4.4.3 活塞杆有、无裂纹的声发射特征参数比较
• 4.5 实际应用分析
• 4.5.1 活塞杆裂纹声发射检测过程中干扰的影响
• 4.5.2 实际活塞杆和试件差异造成的影响
• 4.5.3 AE传感器的安装
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于中间件技术的分布式远程监测与诊断系统研究
• 5.1 引言
• 5.2 基于中间件技术的分布式远程监测与诊断系统体系
• 5.2.1 中间件技术
• 5.2.2 网络体系结构比较
• 5.2.3 基于中间件技术的分布式远程监测与诊断系统体系结构
• 5.3 中间件系统的实现
• 5.4 往复机械与旋转机械故障监测与诊断特点的分析
• 5.4.1 往复机械故障监测与诊断特点
• 5.4.2 旋转机械故障监测与诊断特点
• 5.5 DRMDS系统的功能
• 5.5.1 中间件应用服务层业务处理的功能
• 5.5.2 数据库的功能
• 5.5.3 监测诊断客户站功能
• 5.5.4 数据采集站的功能
• 5.6 应用实例
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表论文
• 作者和导师简介