【壓縮機網(wǎng)】空壓機是用以提高各種氣體壓力的一種通用機械，是機械工業(yè)中量大面廣的產(chǎn)品之一。在國民經(jīng)濟許多部門中得到十分廣泛的應(yīng)用，幾乎遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、醫(yī)療衛(wèi)生、國防、科研乃至全人民生活的許多領(lǐng)域，尤其在化工、合成、煤炭、石油、建筑施工、海洋工程等方面，更是必不可少的動力設(shè)備。空壓機的設(shè)計制造水平，以及它的遠行經(jīng)濟性和可靠性，己被認為是衡量一個國家機械工業(yè)發(fā)展狀況和水平的標志之一。

 

　　隨著裝備的不斷發(fā)展，對空壓機的性能要求越來越高，其結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，因此對空壓機進行狀態(tài)檢測和故障診斷具有重要的軍事和經(jīng)濟意義。如果在設(shè)備實際運行當中，如能對隱含的故障進行正確的早期預(yù)報和診斷，使空壓機在不分解的情況下就能準確判斷出故障的部位，借助或依靠先進的傳感器技術(shù)和動態(tài)測試技術(shù)及計算機信號處理技術(shù)，分析設(shè)備中異常的部位和原因，對于減少和防止事故的發(fā)生，提高生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，起到極大的促進作用。開發(fā)出能夠應(yīng)用于指導(dǎo)實際生產(chǎn)的在線狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，己成為社會化大生產(chǎn)的關(guān)鍵問題。

 

　　1、往復(fù)式空壓機診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀

 

　　總結(jié)起來，空壓機故障診斷技術(shù)的發(fā)展大致可分四個階段：

 

　　(1)第一階段是在19世紀，當時機器設(shè)備本身技術(shù)水平和復(fù)雜程度都很低，一般采用事后維修方式。

 

　　(2)第二階段是進入20世紀后，隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，裝備本身的技術(shù)復(fù)雜程度也有了提高，裝備故障或事故對生產(chǎn)的影響顯著增加，在這種情況下，出現(xiàn)了定期預(yù)防維修方式。

 

　　(3)第三階段是從20世紀60年代開始，特別是70年代，設(shè)備診斷技術(shù)隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等發(fā)展，出現(xiàn)了更科學(xué)的按設(shè)備狀態(tài)進行維修的方式。

 

　　(4)第四階段是進入20世紀80年代以后，人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等開始發(fā)展，并在實際工程中應(yīng)用，使設(shè)備維修技術(shù)達到了智能化高度。雖然這一階段發(fā)展歷史并不長，但已有研究成果表明，設(shè)備智能故障診斷具有十分廣泛的應(yīng)用前景。

 

　　往復(fù)式空壓機是工業(yè)上應(yīng)用量大、面廣的一種重要通用機械，其故障診斷比較復(fù)雜，對于其故障診斷技術(shù)的研究一直以來都得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。例如，在國外，美國學(xué)者曾經(jīng)利用氣缸內(nèi)側(cè)的壓力信號圖像判斷氣閥故障及活塞環(huán)的磨損;捷克學(xué)者根據(jù)對千余種不同類型的空壓機建立了常規(guī)性參數(shù)數(shù)據(jù)庫，確定評定參數(shù)，以判斷空壓機的工作狀態(tài)等。在國內(nèi)，有些專家對往復(fù)式空壓機的缸蓋振動信號進行過簡單分析，也有人在缸蓋振動信號對缸內(nèi)氣體壓力的影響方面進行過研究。尤其是近幾年來，人工智能領(lǐng)域的專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在往復(fù)式空壓機故障診斷方面的應(yīng)用以及一些專家學(xué)者對空壓機的常規(guī)性能參數(shù)的監(jiān)測和控制方面所做的工作，目的都是為了改變目前空壓機操作人員用耳聽、眼看、憑借經(jīng)驗判斷故障的局面。然而，由于往復(fù)式空壓機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、激勵源多等特點，鑒于當前研究現(xiàn)狀以及上述研究資料表明，計算機技術(shù)的不完善和人工智能領(lǐng)域的專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的初步使用，使得故障診斷技術(shù)目前還只是處于第三階段的整理完善和向第四階段的過渡時期，至今尚無一套像旋轉(zhuǎn)機械那樣成熟的、得到人們普遍認可和廣泛應(yīng)用的診斷系統(tǒng)，以供選擇并獲得往復(fù)式空壓機工作狀態(tài)的有效特征參數(shù)。僅僅采取先憑經(jīng)驗或設(shè)想去確定和試湊特征參數(shù)，然后再進行實驗驗證的方法是不充分的，且不能找出z*優(yōu)特征參數(shù)，離實際應(yīng)用還有差距，也與其在工業(yè)中的重要地位不相稱。

 

　　2、往復(fù)式空壓機的常見故障及機理

 

　　往復(fù)式空壓機故障按機理可分成兩大類：一類是流體性質(zhì)的，屬于機器熱力性能故障;另一類是機械性質(zhì)的，屬于機械功能故障。引起故障的原因不同，確定故障所采集的信號和使用的方法也應(yīng)有所不同。

 

　　2.1 往復(fù)式空壓機熱力性能的故障及機理

 

　　以多年的生產(chǎn)經(jīng)驗來看，造成往復(fù)式空壓機熱力故障的主要原因為填料函和氣閥等易損件的損壞。填料函的故障可使排氣量降低、壓比失調(diào)等。統(tǒng)計資料表明，氣閥故障占往復(fù)式空壓機故障總數(shù)的60%，氣閥故障可導(dǎo)致壓比失調(diào)、排氣溫度增高、排氣量降低等，嚴重時甚至可拉毛氣缸導(dǎo)致機組報廢。在實際生產(chǎn)中，現(xiàn)場操作人員常根據(jù)它來進行診斷。

 

　　2.2往復(fù)式空壓機機械功能的故障及機理

 

　　在生產(chǎn)過程中典型的機械故障有閥片碎裂、十字頭及活塞桿斷裂、活塞環(huán)斷裂、汽缸開裂、汽缸和汽缸蓋破裂、曲軸斷裂、連桿斷裂和變形、連桿螺栓斷裂、活塞卡住與開裂、機身斷裂和燒瓦、電機故障等。實踐證明，氣閥故障的診斷在往復(fù)式空壓機故障診斷中是很重要的，但活塞桿斷裂、裂紋事故也較常見。由于運動件較多，大多數(shù)還是機械性能故障。

 

　　3、往復(fù)式空壓機狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷方法及原理和技術(shù)特點

 

　　往復(fù)式空壓機作為復(fù)雜的機械設(shè)備，其狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的技術(shù)手段和方法很多，通常采用的是在線間接診斷方法，即通過二次診斷信息來間接判斷其中關(guān)鍵零部件的狀態(tài)變化。常見的方法一般有：直觀檢測、熱力性能參數(shù)監(jiān)測、振動噪聲監(jiān)測、潤滑油液分析、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

 

　　3.1 直觀檢測

 

　　空壓機操作人員僅用耳聽、眼看、憑借經(jīng)驗判斷設(shè)備的故障。隨著機械設(shè)備朝著高度自動化的方向發(fā)展，該方法已無法滿足目前故障診斷的要求。

 

　　3.2 熱力性能參數(shù)監(jiān)測

 

　　測量熱力性能參數(shù)，并據(jù)此判斷往復(fù)式空壓機狀態(tài)，從而診斷故障的研究，此研究已有較長的歷史。一般通過儀表監(jiān)測空壓機的油溫、水溫、排氣量、排氣壓力、冷卻水量等，為查找有關(guān)部件的故障提供有用的信息。由于該方法對故障點缺乏準確性及預(yù)測性，目前主要用于監(jiān)測工藝參數(shù)及空壓機的運行狀態(tài)。

 

　　3.3 振動噪聲監(jiān)測

 

　　振動監(jiān)測診斷往復(fù)式空壓機故障，在實驗室已取得了許多研究成果。利用機器表面振動信號診斷活塞、氣缸磨損、氣閥漏氣和主軸承狀態(tài);在氣缸頭安裝振動傳感器，通過分析振動信號診斷缸內(nèi)故障;利用振動信號診斷往復(fù)式空壓機主軸承故障;利用潤滑油管路內(nèi)的壓力波信號診斷往復(fù)式空壓機軸承故障等。但由于背景噪聲干擾大、往復(fù)式機械工況的變化導(dǎo)致其信號的非平穩(wěn)性、缺少性能可靠的傳感器等原因，該方法尚未全面推廣。

 

　　3.4 油液監(jiān)測

 

　　潤滑油油液分析分為兩大類：1)油液本身物理化學(xué)性能的分析，潤滑油的粘度、酸度、水分、燃油、閃點等;2)油液中摩擦副磨損信息的分析，包括光譜分析、鐵譜分析、顆粒計數(shù)等。該方法的實施過程包括取樣、樣品制備、獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)、形成診斷結(jié)論等步驟。

 

　　近年來，國內(nèi)外均研制出了用于現(xiàn)場的便攜式油液性能測試箱，可簡便地測試油液的粘度、酸(堿)值、水分、機械雜質(zhì)等多項指標。潤滑油中磨粒監(jiān)測技術(shù)則可分為在線和離線兩大類。離線監(jiān)測技術(shù)主要有油液光譜分析、鐵譜分析及利用掃描電子顯微鏡和能譜儀分析鐵譜譜片等;在線監(jiān)測技術(shù)主要有顆粒計數(shù)器、在線式鐵譜儀等，已經(jīng)投入使用的主要有光學(xué)型磨損顆粒計數(shù)器，電磁型磨損顆粒計數(shù)器，尚未投入實際使用但已在研究的有x射線磨損顆粒在線監(jiān)測儀，超聲磨損顆粒監(jiān)測儀等。

 

　　3.5 人工智能診斷往復(fù)式空壓機故障

 

　　人工智能領(lǐng)域的專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于往復(fù)式空壓機故障診斷。故障診斷專家系統(tǒng)，是基于大量的實踐經(jīng)驗和領(lǐng)域?qū)＜抑R的一種智能化計算機程序系統(tǒng)，用以解決復(fù)雜的、難度較大的系統(tǒng)故障診斷問題。它的優(yōu)點是推理預(yù)測簡單、解釋機制強、易于建造、使用方便;其缺點是在診斷復(fù)雜裝備時，存在知識獲取的瓶頸和自學(xué)習(xí)、專家知識是否準確和可靠及推理機制過于簡單等問題。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種大規(guī)模的分布式并列處理系統(tǒng)，具有組織性和自學(xué)習(xí)性，能從故障中學(xué)習(xí)，具有聯(lián)想記憶、模式匹配等功能，將它應(yīng)用到故障診斷系統(tǒng)可較好地解決當前專家系統(tǒng)面臨的問題，但它也存在如下不足：診斷推理不清楚，診斷解釋機制不強，復(fù)雜系統(tǒng)的模型難以建立等。筆者嘗試采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對級差式空壓機進行氣缸故障的診斷，也嘗試采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對空壓機進行過診斷，都取得了一定的效果，見參考文獻1，2。

 

　　4、往復(fù)式空壓機故障診斷應(yīng)注意的問題

 

　　近年來往復(fù)式空壓機的故障診斷技術(shù)不斷發(fā)展，推陳出新，在實際運用中也積累了不少成功的經(jīng)驗，但往復(fù)式空壓機的在線狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷仍是目前研究的熱點和難點，在進行故障診斷時要注意以下幾點：

 

　　(1)小波分析、人工智能理論等多種分析技術(shù)相結(jié)合。由于往復(fù)式空壓機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，振動激勵源多，被測信號中干擾噪聲多，且存在嚴重非平穩(wěn)性和非線性，因此應(yīng)注重非線性、非定常信號的處理。

 

　　(2)故障監(jiān)測準確率不高。往復(fù)式空壓機故障在線監(jiān)測獲取的故障信息一般都是間接采集獲得，都帶有一定程度的不確定性，常會出現(xiàn)誤診。因此，應(yīng)加深識別理論的研究。此外，目前研究大多停留在定性關(guān)系上，定量關(guān)系仍有待確定。如：氣閥的故障診斷，對閥片的前期裂紋存在的預(yù)測，不同的裂紋的類型、長度及方向在頻譜圖上的表現(xiàn)特征仍需要深入研究。

 

　　(3)一些典型故障仍不能診斷?；钊麠U、曲軸、連桿斷裂預(yù)測或存在裂紋診斷仍缺乏有效手段。國外文獻提出，用應(yīng)變傳感器監(jiān)測曲軸每一轉(zhuǎn)是否有逆向載荷來判斷活塞桿中的缺陷，其準確性和可靠性仍值得研究。北京理工大學(xué)所研制的新型非表面接觸式傳感器及監(jiān)測控制儀，能對金屬和非金屬裂紋動態(tài)監(jiān)控，在往復(fù)式空壓機上的應(yīng)用前景如何需要進一步深入研究。

 

　　(4)系統(tǒng)診斷方法單一，專家系統(tǒng)知識庫急需充實。往復(fù)式空壓機故障診斷實例很多都無法有效地表達成通用的診斷規(guī)則，故往復(fù)式空壓機故障診斷的專家系統(tǒng)知識庫急需充實。典型故障特征的研究實驗是知識庫知識的主要來源，鑒于往復(fù)式空壓機實驗研究的困難，應(yīng)加強計算機輔助實驗的開發(fā)工作。

 

　　(5)高可靠性、專用新型集成化、價格適中，特別是長壽命的可預(yù)埋于機內(nèi)的傳感器與監(jiān)測儀的研制。

 

　　(6)由于往復(fù)式空壓機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作時振動是非平穩(wěn)的隨機過程，有時表現(xiàn)為非線性，所以對系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型困難較大。而且通過振動分析獲得往復(fù)式空壓機故障診斷與特征參數(shù)之問的對應(yīng)關(guān)系非常復(fù)雜，這些問題都是亟待解決的。由上面分析可見，往復(fù)式空壓機故障診斷技術(shù)仍是個難點問題。所以，我們應(yīng)該利用已有的旋轉(zhuǎn)機械的故障診斷技術(shù)成果去研究往復(fù)式空壓機的故障。

 

　　5、結(jié)語

 

　　鑒于上面的分析，筆者認為，今后往復(fù)式空壓機故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢是利用小波分析、人工智能理論、計算機輔助設(shè)計等方法與網(wǎng)絡(luò)化相結(jié)合，開發(fā)出多源信息融合的實時在線故障診斷監(jiān)測系統(tǒng)。在往復(fù)式空壓機故障診斷的過程中，可利用的狀態(tài)信息還很多，如機器運行過程中的過程量和過程參數(shù)以及排泄物信息等，但活塞桿、曲軸、氣閥的裂紋診斷仍是研究的重點。不同的特征參數(shù)有各自的敏感區(qū)域，表現(xiàn)出對不同故障靈敏度的不同，因此綜合利用大量信息進行多源信息融合化，是今后往復(fù)式空壓機故障診斷技術(shù)應(yīng)重點研究的課題。在實時在線診斷方面，應(yīng)重點研制適合往復(fù)式空壓機故障診斷的專用新型集成化傳感器和觀測器，尋找各振動信號之間相互交叉影響z*小的z*佳測點，利用現(xiàn)代信號處理方法以及智能理論等實現(xiàn)故障的自動診斷。充分利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的自學(xué)習(xí)能力并對歷史數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘，尤其是將計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷領(lǐng)域，將成為實現(xiàn)在線故障診斷的一個發(fā)展趨勢。