引 言
往復(fù)壓縮機(jī)的機(jī)械故障診斷是一個(gè)引起廣泛關(guān)注的研究課題。往復(fù)式壓縮機(jī)的工況與旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)有很大差別，用于離心機(jī)的傳統(tǒng)振動(dòng)監(jiān)測和分析技術(shù)，不能成功地用于往復(fù)機(jī)。美國南加里佛尼亞洲一家工廠有五臺大型往復(fù)壓縮機(jī)，幾年前，其中一臺壓縮機(jī)發(fā)生連桿斷裂的嚴(yán)重事故，但傳統(tǒng)的振動(dòng)檢測系統(tǒng)卻沒有發(fā)出預(yù)警信號。國內(nèi)工業(yè)現(xiàn)場大型往復(fù)壓縮機(jī)的重大事故也發(fā)生過多起，僅南京某廠從1996年以來，共發(fā)生了12起活塞桿斷裂事故，平均每年發(fā)生一起。往復(fù)壓縮機(jī)沒有狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以及使用不可靠的監(jiān)測系統(tǒng)的狀況不能再繼續(xù)下去，必須尋找一種更好的檢測方法來防止事故重復(fù)發(fā)生。在此提出使用沖擊傳感器來檢測機(jī)械松動(dòng)，進(jìn)而防止因松動(dòng)進(jìn)一步擴(kuò)展所帶來的部件裂縫甚至斷裂的嚴(yán)重后果。沖擊傳感器開辟了監(jiān)測往復(fù)機(jī)以及類似機(jī)器機(jī)械故障的一種全新思路，具有很好的發(fā)展前景。
1 IT6810系列沖擊傳感器的工作原理
旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的振動(dòng)信號帶有一種相對穩(wěn)定的模式，而往復(fù)機(jī)的振動(dòng)信號含有大量暫態(tài)的、不穩(wěn)定的、瞬變的沖擊成分，試圖準(zhǔn)確分析每一個(gè)成分對應(yīng)于什么機(jī)理是一件很困難的工作。沖擊傳感器的思路是，所有這些暫態(tài)的、不穩(wěn)定的、瞬變的成分本身能否用來構(gòu)成一種新的有效的監(jiān)測模式，也就是不再沿用旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)檢測穩(wěn)態(tài)模式的方法，而是檢測往復(fù)機(jī)所獨(dú)有的換向運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊，通過沖擊的程度來預(yù)示可能存在的螺栓松動(dòng)、間隙增大、閥片裂縫，以及很多往復(fù)機(jī)通常可能發(fā)生的失效形式。
這樣一種假設(shè)是合乎邏輯的：在正常情況下，往復(fù)機(jī)應(yīng)當(dāng)具有某種沖擊“模式”。這種沖擊模式是指在一段給定時(shí)間內(nèi)發(fā)生沖擊事件的幅度和次數(shù)。偏離正常狀態(tài)時(shí)，例如螺栓或配合處發(fā)生松動(dòng)、運(yùn)動(dòng)部件內(nèi)部出現(xiàn)裂縫等，都將導(dǎo)致沖擊模式的明顯變化。正常模式的確定在一定程度上帶有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的性質(zhì)，而不是通過理論推算而來，但在實(shí)踐中被證明是可行的。在這一點(diǎn)上，很像最初靠富有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員或工人，用一根鐵棒敲敲打打，再用耳朵傾聽機(jī)器內(nèi)部的聲音來確定機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)一樣，方法看起來很古老，但卻有效。沖擊傳感器用來感受高幅度、短時(shí)間的尖脈沖，這個(gè)特點(diǎn)表征了往復(fù)機(jī)中存在的大多數(shù)潛在的問題。這些尖脈沖在穩(wěn)定狀態(tài)振動(dòng)信號的總能量中并不占有明顯的比重，它們在用于檢測旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的傳統(tǒng)信號處理的過程中往往顯現(xiàn)不出來。而在沖擊傳感器中，專門的峰值檢測電路在規(guī)定的時(shí)間長度內(nèi)捕捉和計(jì)算超出閾值的沖擊事件的次數(shù)，這種記數(shù)方法在實(shí)踐中被證明是非常可靠的，從而形成了沖擊傳感器的工作原理。
2 沖擊傳感器的安裝與設(shè)置
2．1 沖擊傳感器選型
南京一大型石油化工股份有限公司芳烴廠的GB302D氫氣壓縮機(jī)是一臺二級四缸、臥式、H型對稱平衡往復(fù)式活塞壓縮機(jī)。為了檢測包括機(jī)械松動(dòng)以及由此引發(fā)的連桿斷裂等嚴(yán)重事故在內(nèi)的壓縮機(jī)不正常工作狀態(tài)，決定安裝美國METRIX公司于2005年推出的沖擊傳感器。由于生產(chǎn)現(xiàn)場有防爆要求，故選用了帶防爆盒的IT6812型傳感器。
2．2 沖擊傳感器安裝
由于沖擊傳感器用來辨別諸如松動(dòng)、裂縫、斷裂等狀況，故在GB302D往復(fù)壓縮機(jī)4個(gè)缸的十字頭滑道箱外殼上各布置1個(gè)，安裝方向垂直于連桿的運(yùn)動(dòng)方向，用以測量往復(fù)機(jī)因連桿螺母松動(dòng)、連桿斷裂等故障所引發(fā)的沖擊烈度。圖1為可供選擇的安裝位置圖，圖2為現(xiàn)場安裝照片。
2．3 沖擊傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)
沖擊傳感器把新的測量方法和常規(guī)4～20 mA回路供電傳感器技術(shù)結(jié)合在一起(見圖3)。
它有一個(gè)內(nèi)部壓電晶體敏感元件，并使用一個(gè)定時(shí)功能作為烈度檢測的一部分。一個(gè)沖擊事件計(jì)數(shù)器和存儲單元用來記錄達(dá)到預(yù)設(shè)的幅度閾值等級的事件。4～20 mA信號對應(yīng)于在一個(gè)稱作復(fù)位時(shí)間的預(yù)設(shè)時(shí)間窗口內(nèi)發(fā)生的超過閾值等級的沖擊事件的次數(shù)。電流回路負(fù)載電阻的典型數(shù)值是，在用于PLC、監(jiān)視器或DCS的場合中分別為50 Ω，100 Ω或250 Ω。最大電阻值RLmax是供電電壓值的函數(shù)：
傳感器規(guī)范的主要內(nèi)容為：輸出電流：4～20 mA，兩線；沖擊范圍：在0．8～3．2 s的時(shí)間范圍內(nèi)，輸出正比于沖擊次數(shù)，16次沖擊對應(yīng)20 mA；沖擊閾值：50～1 200 mV；回路供電電壓：直流(VDC)15～30 V。
2．4 沖擊傳感器設(shè)置
在傳感器完成安裝，壓縮機(jī)正常工作的情況下，即可進(jìn)行閾值設(shè)定。調(diào)節(jié)傳感器參數(shù)的測試電路如圖4所示，要注意在測試模式下沖擊傳感器的電源連接極性和正常運(yùn)行模式正好是相反的。250 Ω電阻用于將電流脈沖轉(zhuǎn)換成電壓脈沖，以便在示波器上顯示。調(diào)節(jié)工作也可以借助于一個(gè)手持的6850沖擊儀進(jìn)行，該沖擊儀通過專用插座連接到?jīng)_擊傳感器上。6850沖擊儀帶有一個(gè)視窗，可以顯示由沖擊傳感器產(chǎn)生的供閾值設(shè)定用的脈沖和機(jī)器的振動(dòng)峰值，以及供復(fù)位時(shí)間設(shè)定用的脈沖周期(見圖5)，同時(shí)也提供電源。旋轉(zhuǎn)傳感器上的兩個(gè)調(diào)節(jié)螺釘，可以改變脈沖周期和脈沖高度。
(1)設(shè)定復(fù)位時(shí)間。圖5中的脈沖周期，即從第1個(gè)脈沖的上升沿到第2個(gè)脈沖的上升沿的長度代表復(fù)位時(shí)間。復(fù)位時(shí)間(0．8～3．2 s)的確定取決于壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，GB302D機(jī)的速度是300 r／min，屬于低速范圍，復(fù)位時(shí)間應(yīng)設(shè)定為3．2 s。時(shí)間值可以通過視窗上的刻度讀出。
(2)設(shè)定沖擊閾值。圖5中兩個(gè)脈沖的高度代表閾值大小，閾值的設(shè)定取決于振動(dòng)峰值的大小。機(jī)器振動(dòng)信號僅在測試模式下才顯示出來。在測試模式下，6850沖擊儀可以顯示每個(gè)時(shí)間周期內(nèi)以mV為單位的振動(dòng)脈沖的峰值電壓，并計(jì)算和顯示出最大值。在隨后的時(shí)間周期內(nèi)，如果最大峰值電壓大于前一周期的值，則顯示值將會隨之增加；如果最大峰值電壓有所減小，但仍大于前一周期最大峰值電壓的1／2，則顯示值維持不變，只有當(dāng)隨后周期內(nèi)的最大峰值電壓不足前一周期最大峰值電壓的1／2時(shí)，顯示值才會減小。這種顯示方式的好處是盡可能保持峰值電壓的相對穩(wěn)定，便于設(shè)定沖擊閾值。沖擊閾值一般設(shè)定為振動(dòng)信號峰值的2～3倍，如果機(jī)器已經(jīng)存在輕微的松動(dòng)，則閾值設(shè)置應(yīng)稍低一些。
(3)4～20 mA電流的測量，此時(shí)沖擊傳感器進(jìn)入正常工作模式。6850沖擊儀可以讀出由沖擊傳感器產(chǎn)生的電流值。電流值與沖擊次數(shù)的關(guān)系是：在3．2 s的時(shí)間內(nèi)，如果沒有發(fā)生超過閾值的沖擊事件，傳感器輸出4 mA，每增加1次超過閾值的沖擊事件，輸出增加1 mA，一直到發(fā)生16次以上超過閾值的沖擊事件，傳感器輸出20 mA。電流輸出的改變發(fā)生在每次復(fù)位時(shí)間周期的結(jié)束時(shí)刻，但是如果發(fā)生16次以上超過閾值的沖擊事件，則電流立即上升至20 mA，而不是等到時(shí)間周期結(jié)束，這是出于往復(fù)機(jī)運(yùn)行安全的考慮。
3 應(yīng)用情況
沖擊事件超出允許范圍的報(bào)警電流值可以按不同應(yīng)用自行設(shè)定，例如早期預(yù)警可以設(shè)定為8 mA(4次超出閾值的沖擊事件)，緊急警報(bào)可以設(shè)定為12 mA(8次超出閾值的沖擊事件)。閾值設(shè)定值與報(bào)警電流值存在一定關(guān)系，如果閾值設(shè)置得較低，那么報(bào)警電流值應(yīng)設(shè)置得較高些。為了積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，不要過早地把報(bào)警信號和壓縮機(jī)的運(yùn)行直接采用機(jī)械連鎖，而是把報(bào)警形式設(shè)計(jì)為在上位機(jī)主頁面上用不同顏色顯示越界的撞擊事件次數(shù)，以引起工作人員注意。另外，可以在壓縮機(jī)參數(shù)分析頁面中的趨勢分析菜單下，展示壓縮機(jī)4個(gè)汽缸包括沖擊次數(shù)在內(nèi)的特征參數(shù)的歷史走向，改變顯示區(qū)下方的滑塊位置，可以檢查不同日期和時(shí)間超出閾值的沖擊次數(shù)。
在監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行初期，曾發(fā)生兩次報(bào)警信號，一次是由于傳感器防爆盒的蓋子松動(dòng)引發(fā)的，壓縮機(jī)的整機(jī)振動(dòng)帶動(dòng)防爆盒蓋子和盒體發(fā)生斷斷續(xù)續(xù)的沖擊，使得該氣缸的傳感器輸出時(shí)大時(shí)小，把蓋子擰緊后傳感器輸出恢復(fù)正常，這說明沖擊傳感器非常靈敏。另一次則真正與壓縮機(jī)運(yùn)行狀況有關(guān)，即GB302D機(jī)3號缸的沖擊事件指示數(shù)明顯比其他缸高，后經(jīng)工作人員證實(shí)，該缸的十字頭確實(shí)略有松動(dòng)，這說明傳感器工作正常，并正常發(fā)揮了監(jiān)測作用。
4 結(jié) 語
從初步使用情況中發(fā)現(xiàn)，沖擊傳感器對沖擊事件很敏感，非常適合于監(jiān)測機(jī)械松動(dòng)、閥片裂縫、螺栓連桿斷裂前兆等諸如此類的機(jī)械故障，由此構(gòu)成的監(jiān)測系統(tǒng)，有望預(yù)防往復(fù)壓縮機(jī)以及同類機(jī)器嚴(yán)重事故的發(fā)生，具有明顯的安全和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。
