金洪文

（1.長春工程學院，吉林長春130012；2.吉林省建筑能源供應及室內(nèi)環(huán)境控制工程研究中心，吉林長春130012）

基于小波理論的活塞制冷壓縮機故障分析

金洪文1,2

（1.長春工程學院，吉林長春130012；2.吉林省建筑能源供應及室內(nèi)環(huán)境控制工程研究中心，吉林長春130012）

活塞制冷壓縮機廣泛的應用于電力、冶金、石油化工等行業(yè)中，工作環(huán)境惡劣，故障頻發(fā)，造成了嚴重的損失。鑒于此，以活塞制冷壓縮機的故障分析為研究對象，并利用小波理論對活塞制冷壓縮機最常見的故障--氣閥故障進行診斷，分析其故障及程度，最后提出活塞制冷壓縮機故障的維護建議。

活塞制冷壓縮機；故障；機理；維護

1 引言

活塞制冷壓縮機具有效率高、適應性強等特點，其工作原理主要是當活塞制冷壓縮機的曲軸旋轉(zhuǎn)時，通過連桿的傳動，活塞便做往復運動，由氣缸內(nèi)壁、氣缸蓋和活塞頂面所構(gòu)成的工作容積則會發(fā)生周期性變化?；钊评鋲嚎s機工作原理簡圖見圖1所示。

通過圖1可知，活塞制冷壓縮機主要有曲軸、連桿、活塞、氣缸座、閥板、活塞蓋、吸氣閥板、排氣閥板等組件組成。由于活塞制冷壓縮機機結(jié)構(gòu)復雜、零部件多，任何一個部件出現(xiàn)問題都會使壓縮機產(chǎn)生故障。因此，活塞制冷壓縮機的故障存在多元性、并發(fā)性、不確定性等特征。

活塞制冷壓縮機結(jié)構(gòu)復雜，產(chǎn)生故障的原因很多，主要分為機械性能故障和動力性能故障。機械性故障主要有曲軸、氣閥、活塞組件、氣缸等方面的；動力性能故障則主要是壓力、溫度、潤滑系統(tǒng)、工況改變造成的。其中氣閥故障率占60%以上，因此，以小波理論對氣閥故障為例進行分析和提出解決辦法。

圖1 活塞制冷壓縮機工作原理

2 氣閥故障分析

通?；钊评鋲嚎s機有60%以上的故障發(fā)生在氣閥上。氣閥設(shè)計的好壞，直接影響到閥片的使用。

活塞制冷壓縮機在吸、排氣過程中，從吸氣管吸入低溫低壓的制冷劑氣體，通過電機運轉(zhuǎn)帶動活塞對其進行壓縮后，向排氣管排出高溫高壓的制冷劑氣體，為制冷循環(huán)提供動力，在這個過程中，氣閥閥片的開啟和關(guān)閉不是瞬時的；氣閥閥片隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化而發(fā)生位移。具體來說，氣缸中和吸排氣閥腔中的氣體壓力、氣閥運動元件的質(zhì)量、氣閥彈性元件的剛性、氣閥的結(jié)構(gòu)、曲軸旋轉(zhuǎn)速度共同影響氣閥閥片的位移。活塞制冷壓縮機氣閥運動受力圖見圖2所示。

活塞制冷壓縮機氣閥運動受彈簧力、氣體壓力、氣體阻力、升程限制器的油粘著力以及閥片自身重力等因素的影響。當閥片異常時，彈簧力過強，當活塞速度到達到最大值，閥片將在閥座與升程限制器之間出現(xiàn)顫振現(xiàn)象，氣閥有效面積減小，阻力損失增大，閥片的撞擊次數(shù)也相應增加，從而縮短活塞制冷壓縮氣閥的壽命；另一方面，彈簧力過弱，閥片較長時間停留在升程限制器上，并且時間不斷延長，此時，活塞已經(jīng)處于止點位置。但是閥片卻仍未落到閥座，閥片出現(xiàn)滯后關(guān)閉現(xiàn)象。氣閥正常與異常時的啟閉曲線見圖3所示。

本節(jié)主要采用小波理論對活塞制冷壓縮機的氣閥故障進行分析，并提出維修建議。

利用小波理論對活塞制冷壓縮機的氣閥故障進行診斷時，可以對氣閥閥蓋的各種噪聲信號進行分離與分析，了解噪聲信號中帶有大量設(shè)備運行狀態(tài)信息，為氣閥的故障診斷提供依據(jù)。小波對活塞制冷壓縮機氣閥閥蓋各種噪聲信號的分離與分析流程見圖4所示。

圖2 活塞制冷壓縮氣閥運動受力圖

圖3 氣閥正常時（左）與異常時的啟閉曲線

圖4 小波對活塞制冷壓縮機氣閥閥蓋各種噪聲信號的分離流程

從本質(zhì)上來說，活塞制冷壓縮機氣閥閥蓋振動信號是一個非穩(wěn)定信號，特別是在氣閥異常時，活塞制冷壓縮機氣閥閥蓋振動信號會出現(xiàn)時變性，并且這種時變性非常強烈。一般情況下，氣閥主要是在一個正常的工作周期出現(xiàn)3次較大的振動，當氣閥泄漏時，從信號的低頻到高頻帶能量分布較為分散。

時域分析可以通過提取活塞制冷壓縮機氣閥閥蓋的振動信號，根據(jù)信號的幅值變化、出現(xiàn)時間的變化，判斷氣閥的穩(wěn)定性、瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。由于信號的小波變換能同時給出信號的時域信息，具有良好的時頻局部化性質(zhì)。而活塞制冷壓縮機氣閥閥蓋信號具有多沖擊特點，采用基于小波理論的時域分析能更好地反映活塞制冷壓縮機氣閥閥蓋的運作狀態(tài)。本節(jié)利用圖4中小波對活塞制冷壓縮機氣閥閥蓋各種噪聲信號的分離流程對氣閥故障進行診斷。

正常情況下，利用小波理論可以檢測到的活塞制冷壓縮機氣閥閥蓋振動加速度信號時域波形見圖5所示。

圖5顯示，氣閥正常時，活塞制冷壓縮機氣閥振動加速度信號的采樣頻率為3000 Hz，分析頻率1500 Hz。

當閥片變形時，活塞制冷壓縮機振動加速度幅值變化大，具體加速度時域波形見圖6所示。

圖6中，閥片變形時活塞制冷壓縮機振動加速度信號幅值在-300到300之間。

同時，小波變換可以進行更細致的時頻分析，通過譜分析可提取某些特定的譜峰及能量的變化，判斷氣閥的運行狀態(tài)等。

閥片正常情況下，活塞制冷壓縮機振動加速度頻域波形見圖8所示。

當閥片變形時，活塞制冷壓縮機振動加速度頻域波形見圖9所示。

圖5 氣閥正常時活塞制冷壓縮機振動加速度時域波形

圖6 閥片變形時活塞制冷壓縮機振動加速度時域波形

圖7 閥片折斷時活塞制冷壓縮機振動加速度時域波形

圖8 閥片正常時活塞制冷壓縮機振動加速度頻域波形

圖9 閥片變形時活塞制冷壓縮機振動加速度頻域波形

圖10 閥片折斷時活塞制冷壓縮機振動加速度頻域波形

當閥片折斷時，活塞制冷壓縮機振動加速度頻域波形見圖10所示。

通過對閥片正常、閥片變形、閥片折斷等狀態(tài)下活塞制冷壓縮機閥片振動加速度的時域和頻域分析可知，閥片變形時活塞制冷壓縮機振動加速度頻域波形出現(xiàn)了一些低頻信號以及少數(shù)的倍頻，低頻信號說明存在碎屑。閥片斷裂時，出現(xiàn)了很多高頻信號，而且倍頻處峰值比較明顯，這是因為閥片斷裂后會造成高低壓“竄氣”的同時與閥板或閥座產(chǎn)生嚴重周期性的撞擊所致；低頻信號大部分得以消除，說明低頻信號是由于閥片變形之后，而且存在的碎屑導致閥片關(guān)閉延遲。

小波理論可以很好的檢測活塞制冷壓縮機氣閥故障，不同的故障和不同程度的故障信號可以存在于不同的頻段內(nèi)，但只要是故障，就有頻帶上的突變，小波就可以將它檢測出來。通過小波理論對故障的診斷，我們可以分析故障形成的機理。造成氣閥故障的主要原因在于彈簧故障、閥片斷裂等。

彈簧制造缺陷、材質(zhì)缺陷、加工缺陷；彈簧處于氣缸中高溫高壓的工作狀態(tài)，高溫改變彈簧的組織導致彈簧變脆；加上彈簧處于周期性受力狀態(tài)，承受脈動循環(huán)載荷等都會使彈簧失效。彈簧失效后會引起閥片開啟或關(guān)閉時的振動特性發(fā)生；同時，彈簧失效會引起彈力發(fā)生變化，影響氣閥啟閉的及時性，從而影響閥片落座位置或撞擊的準確性，使閥片歪斜、卡滯，進一步導致閥片斷裂或變形。一旦閥片斷裂，不能保證氣體通道的正常開啟與閉合，因此會造成氣體泄漏與回流。

閥片斷裂或變形大多數(shù)與彈簧不同形式的折斷或嚴重銹蝕有關(guān)。閥片材料缺陷、閥片磨損、閥片疲勞斷裂、介質(zhì)中的雜質(zhì)腐蝕都會造成閥片斷裂，造成閥片工況的變化。閥片工況的變化會使閥片受力不均，氣閥啟閉時沖擊變大，容易使閥片在短時間內(nèi)造成變形和斷裂。

針對氣閥故障，應從以下幾個方面著手解決：一方面，加強對彈簧的檢測，檢查彈簧是否有折斷，對彈力小不合格的彈簧要進行更換；另一方面，檢查吸、排氣閥，若吸氣有故障，檢查出有問題后拆開氣閥修理或者立即更正存在故障的吸、排氣閥；對磨損的閥座、閥片加以修理或更換新的閥座、閥片。

3 結(jié)語

活塞制冷壓縮機結(jié)構(gòu)復雜，工作環(huán)境惡劣，故障頻發(fā)并呈現(xiàn)多元性、并發(fā)性、不確定性等特征。通過應用小波理論對活塞制冷壓縮機的故障進行診斷，并分析其故障對機器運轉(zhuǎn)的影響程度，為活塞制冷壓縮機故障的分析與維護提供借鑒和參考。

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Fault Analysis of Piston Refrigeration Compressors Based on Wavelet Theory

JIN Hong-wen1，2
（1.Changchun Institute of Technology,Changchun 130012,China；2.Jilin Province Building Energy Supply and Indoor Environment Control Engineering Research Center,Changchun 130012,China）

Piston refrigeration compressors are widely used in electric power,metallurgy,petrochemical and other industries,poor working conditions and failure-prone will cause serious damages.In view of this,this paper analyzes the fault in piston refrigeration compressor for the study of dynamic performance failure.Wavelet theory is used to diagnose the most common valve fault in piston refrigeration compressor and analyze the fault and extent.Finally,the maintenance recommendations aimed at piston refrigeration compressor faults are pointed out.

piston refrigeration compressors;fault;mechanism;maintenance

TH457

B

1006-2971（2015）03-0053-04

金洪文（1970-），男，遼寧建平人，碩士，副教授，主要從事空調(diào)制冷工程研究工作。E-mail：ccjinhongwen@163.com

2014-12-08