两级往复式压缩机状态监控的数值模拟与实验研究.doc

两级往复式压缩机状态监控的数值模拟与实验研究摘要 往复式压缩机两阶段数值模拟复制了压缩机的预测状态监测诊断特征的发展在不同的条件下的运行，模拟包括五种不同的物理过程的数学模型的发展：速度感应的扭矩特性，缸压力的变化，曲轴旋转运动，通过阀门的流动特性和阀片的振动。同时也模拟了阀门的泄漏与阀门弹簧的状况的恶化。在MATLAB环境下的模拟可以更有效率地得到解同时也得到更简单的结果解释。在通常的操作情况下，模拟结果与钢瓶压力波形曲轴瞬时角速度(IAS)试验值吻合较好。人们已经发现,压缩机故障的IAS波动和压力波形具有敏感的检测特点，如阀门泄漏和阀弹簧恶化。然而，由于IAS非入侵式的特点，人们更倾向于使用IAS。为了发展压缩机驱动电机和传输系统的故障探伤特性，人们已经着手用模型和实验进行更深远的研究。1 介绍往复式压缩机是工业使用中最受欢迎的机器之一，可能的故障会降低压缩机的性能，因此需要有效而精确的诊断，从而降低维修费用并且提高了设备的功效。对于这些需求，在当前技术水平的基础上大量的研究工作已经开始实施，用于侦测和诊断往复式压缩机的各种故障。梁等人开发出一种程序，这种程序运用时域和频域以及平滑伪魏格纳分布的振动来侦测和诊断阀门的故障，古等人研究了自动诊断往复式压缩机故障，1984年，今市等人研究了往复式压缩机中的振源以及如何降低振动的产生，丹尼尔等人主要致力于振动和动压力的研究方式，包括P V图解法，以此来对往复式压缩机进行故障诊断和工作状况检测，Elha等人开发出一种新的技术用来检测和诊断往复式压缩机阀门的故障，这种技术运用了已经获得的时域，频域，以及空气中的声音信号的连续小波变换的特点来工作。为了发展更精确的故障侦测技术，许多有关发展压缩机数学模型的调查已经开始实施。Costagliola【6】最早开发出了往复式压缩机的数学模型，这个模型主要涉及到了阀门的动力学，阀门的模型是芦苇型的并且假定只有一个自由度。Wasbasganss做了一个类似的模型，一个高速密封压缩机装有簧片阀。就Costagliola的模型来说Wambasganss特别注意阀门的动态;然而，允许了数个自由度。Manepatil等人研究了包括了各种故障的往复式压缩机的建模和计算机模拟，至于故障对性能参数的影响，采用压力信号检测和量化故障。采用数学模型和模拟研究有两个重要的优点。其中一点是在获得有效地故障特征的同时降低了对时间和设备的需求，特别是对那些不能引导为实际的机器上做测试研究的故障。另一点是它允许研究者们测试不同压缩机在相同操作情况下的性能。由于这些优点，本研究用它们来开发对往复式压缩机性能的检测。除了研究压力测量功能，本文还探讨了曲轴瞬时角速度（IAS）的故障检测。与压力测试相比，IAS测量方法的优点之一在于它的非入侵性，与传统的结构振动和空气声学相比，IAS有更少的噪音污染，更直接关系到机械动力学。因此，更容易解释IAS结果，并产生更准确的诊断。此外，IAS的测量中使用的编码器是不仅便宜，而且还不需要定期校准。这使得在不同时期和不同的IAS传感器测量之间的比较准确。由于这些优点，基于IAS度量的监控近年来得到了广泛的研究。【17】因此，本文开发了一个两阶段的往复式压缩机，以模拟不同的操作，包括正常和故障压缩机条件的数学模型。它用大量的非线性的量来模拟工作过程，加上描述高压和低压压缩机气缸的曲柄机构，阀门运动，放电过程的微分方程。不同的操作系统和故障条件下进行模拟包括由于在排气压力改变，阀故障如泄漏阀门引起负荷变化的影响，从气缸压力和模拟，测量的曲轴IAS 在角域的描述鉴定出故障的特征，因此可以从往复式压缩机工作周期中的典型事件探寻它们。另外，测试系统也被用来通过比较测到的与预计的以及IAS三者之间的波形来评估模型和模拟结果。两级往复式压缩机的动态模拟 一个由电动机驱动的往复式压缩机通过活塞的往复运动来压缩空气，从而将电能转变为势能。因此，压缩机的工作包括三个不同的物理过程：电气扭矩产生的电磁过程，曲轴和阀门以及活塞动态运动的机械过程，流体流动过程或者建立在气缸或者空气流经阀门的压力。因此，压缩机的模型分别注重于这三个过程。机械运动基于结构和工作过程，一个两级往复式压缩机如图片1所示。它包括三部分：一个电动机，一个压缩机组，以及一个压缩空气储蓄罐。M. Elhaj et al. / Mechanical Systems and Signal Processing 22 (2008) 374–389 图 1 压缩机两个阶段的的原理和模型 压缩机组包括一组低压气缸装配，一组高压气缸装配，一个机轴，一条传动带和一个电机。两个活塞由机轴的往复运动产生的扭矩经由长度为L的连杆带动。工作循环是从低压气缸的活塞的TDC开始的