張 哮

（中國石油大慶煉化公司檢維修中心，黑龍江大慶 163411）

0 引言

現(xiàn)階段往復(fù)機(jī)械故障診斷包括信號(hào)采集、信號(hào)特征提取、敏感特征選擇與故障確認(rèn)等步驟。其中，信號(hào)特征的提取與分析是故障診斷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)信號(hào)特征的不同，可選擇的分析方法又包括最小方差法、快速傅里葉算法和主成分分析（PCA）算法等。前端傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號(hào)特征提取與處理后，再輸入計(jì)算機(jī)中，依托人工智能技術(shù)（如專家系統(tǒng)、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）進(jìn)行解算、分析，最終得到故障診斷結(jié)果。

1 故障特征與數(shù)據(jù)采集

往復(fù)壓縮機(jī)活塞組件主要由活塞、活塞桿、支撐環(huán)、鎖緊螺母等組成，在整個(gè)機(jī)組設(shè)備中主要發(fā)揮壓縮介質(zhì)、避免內(nèi)部氣體泄漏的功能?；钊麠U組件在使用一段時(shí)間后，容易因?yàn)槟p、松動(dòng)等故障而導(dǎo)致密封性變差，或是因?yàn)闂U斷裂而導(dǎo)致無法正常壓縮介質(zhì)。根據(jù)以往的設(shè)備管理經(jīng)驗(yàn)，如果壓縮機(jī)正常工作時(shí)活塞桿發(fā)生故障，極易導(dǎo)致拉桿、撞缸等嚴(yán)重故障，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成往復(fù)壓縮機(jī)的大修。因此，為降低設(shè)備運(yùn)行成本和保障生產(chǎn)作業(yè)順利進(jìn)行，必須要引入活塞桿組件的故障診斷技術(shù)，通過實(shí)時(shí)采集活塞桿的運(yùn)行工況，開展數(shù)據(jù)分析判斷是否存在故障，從而在故障尚未影響往復(fù)壓縮機(jī)正常運(yùn)行的前提下，準(zhǔn)確識(shí)別并第一時(shí)間采取維修措施。在活塞桿組件故障診斷中，傳感器的安裝是影響診斷結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。

往復(fù)壓縮機(jī)常用的傳感器有溫度傳感器、加速度傳感器、鍵相傳感器和活塞桿沉降/位置傳感器等，活塞桿沉降/位置傳感器，能夠分別從水平和垂直2 個(gè)方向?qū)钊麠U的軸心運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而獲取活塞桿的運(yùn)行狀態(tài)。該傳感器可以分別獲得活塞桿在水平與垂直方向上的相對(duì)變化量Rx和Ry，根據(jù)上述兩項(xiàng)值可求得活塞桿的軸心位置（x0，y0）?；钊麠U在運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間（t）后，再次采集數(shù)據(jù)得出一個(gè)新的軸心位置，記為（x0，y0，t0）。重復(fù)以上操作，將所有軸心坐標(biāo)點(diǎn)連接起來，即可得到活塞桿的軸心運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)該軌跡可以判斷活塞桿的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。

2 基于諧波小波的活塞桿軸心軌跡提純處理

考慮到活塞桿在運(yùn)行中還會(huì)受到摩擦阻力、排氣壓力等因素的影響，為此還必須對(duì)傳感器采集的信息進(jìn)行提純處理。諧波小波是一種常用的數(shù)據(jù)提純處理方法，其操作方法如下：選擇1 臺(tái)往復(fù)壓縮機(jī)，額定壓力0.3 MPa，額定轉(zhuǎn)速640 r/min。在活塞桿的外側(cè)安裝傳感器，獲得活塞桿在X、Y 方向上的軸心位移。數(shù)據(jù)采樣頻率f 為10 240 Hz，相應(yīng)的信號(hào)分析頻率為0.5f，即5120 Hz。使用5 層諧波小波分解處理X、Y 方向上的軸心位移數(shù)據(jù)。使用諧波小波提純處理后，正常工況下活塞桿的軸心軌跡從原來的復(fù)雜無序變得清晰有序，這也為故障診斷創(chuàng)造了良好條件。在故障診斷中，除了要獲取活塞桿軸心振動(dòng)數(shù)據(jù)外，還要分別采集軸心在X、Y 方向上的振動(dòng)值、Y 方向位移峰值等特征參數(shù)。本次實(shí)驗(yàn)中選取6 組活塞桿斷裂故障的特征參數(shù)，對(duì)提純前后特征參數(shù)的變化情況展開了比較（表1）。

表1 活塞桿斷裂故障特征參數(shù)對(duì)比

由表1 可知，經(jīng)過諧波小波提純處理后，特征參數(shù)的故障敏感度均有不同程度的提升。特別是故障初、故障后，特征參數(shù)的變化率要明顯高于故障前。使用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行基于人工智能的故障診斷分析，將顯著提高故障診斷結(jié)果的可靠性。

3 基于流形學(xué)習(xí)的敏感特征提取

3.1 敏感特征提取流程

在活塞桿的軸心軌跡特征提取過程中，在短時(shí)間內(nèi)就可獲取海量的多維特征數(shù)據(jù)，導(dǎo)致后期數(shù)據(jù)計(jì)算的工作量較為繁重。因此，提出一種基于流形學(xué)習(xí)的局部切空間排列算法（LTSA），實(shí)現(xiàn)對(duì)軸心軌跡高維特征的降維處理，在進(jìn)一步強(qiáng)化特征參數(shù)敏感性的基礎(chǔ)上，從海量特征數(shù)據(jù)中提取處敏感特征，這樣既可以準(zhǔn)確表示活塞桿的故障信息，又能降低后期數(shù)據(jù)處理的工作量。其處理流程為：

（1）將采集到的海量多維特征數(shù)據(jù)組成一個(gè)空間矩陣X，使用歐式距離法求出樣本向量Xi的n 個(gè)鄰域點(diǎn)，將這些鄰域點(diǎn)組成一個(gè)新的空間矩陣Xi。

（2）設(shè)定一個(gè)正交基向量Pi，用Pi構(gòu)建領(lǐng)域矩陣的d 維切空間，獲得每一個(gè)樣本向量的投影向量，以及樣本向量的局部坐標(biāo)。

（3）將局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為全局坐標(biāo)，使用全局坐標(biāo)構(gòu)建映射矩陣。對(duì)比新建立的映射矩陣與原來空間矩陣的重構(gòu)誤差。當(dāng)誤差最小時(shí)，即可得到降維后的特征向量。將這些特征向量組合得到特征數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集中包含的特征數(shù)據(jù)即為篩選后的敏感特征。

3.2 基于LTSA 的軸心軌跡降維處理

分別從活塞桿鎖緊螺母松動(dòng)故障、活塞桿斷裂故障和活塞支撐環(huán)磨損故障中選取150 個(gè)故障樣本，另外又選取150 個(gè)正常工況樣本作為對(duì)照。從4 種工況下的故障樣本中分別提取處特征參數(shù)，精參數(shù)的歸一化處理，并得到一個(gè)新的特征矩陣。以該矩陣為處理對(duì)象，使用LTSA 進(jìn)行降維處理。觀察降維處理結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)4 種工況的樣本數(shù)據(jù)分布在不同的區(qū)域，并且相互之間有明顯的界限，這表明LTSA 提取的敏感特征對(duì)于活塞桿故障監(jiān)測(cè)是有效的。另外，還橫向?qū)Ρ攘嘶贚TSA 的軸心軌跡降維處理方法和其他線性降維處理方法（如主成分分析算法PCA）。結(jié)果表明，線性降維處理方法雖然也能從樣本數(shù)據(jù)中提取特征參數(shù)，但并不能準(zhǔn)確識(shí)別故障類型，誤判率較高。而LTSA方法則能準(zhǔn)確判斷出具體的故障類型，診斷結(jié)果的正確率較高。

4 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活塞桿組件故障診斷

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)常用于解決復(fù)雜的非線性問題，并且可以通過樣本訓(xùn)練完成深度學(xué)習(xí)，提高故障自動(dòng)診斷結(jié)果的精確性。

4.1 數(shù)據(jù)處理與檢驗(yàn)

某企業(yè)的1 臺(tái)往復(fù)壓縮機(jī)于2018 年投入使用，運(yùn)行期間發(fā)生2 起故障，分別是活塞桿鎖緊螺母松動(dòng)故障和活塞桿斷裂故障。在活塞桿的軸支座上安裝傳感器，用于采集活塞桿在運(yùn)行時(shí)的偏擺量、沉降量等參數(shù)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)前端傳感器提供的數(shù)據(jù)，畫出活塞桿軸心軌跡，并展開分析。其中，傳感器的采樣頻率為10 240 Hz，分析頻率為5120 Hz，機(jī)組正常運(yùn)行下轉(zhuǎn)速為344 r/min。數(shù)據(jù)處理與檢驗(yàn)的基本流程如下：首先使用電渦流傳感器獲取該裝置活塞桿的軸心軌跡信號(hào)，使用諧波小波提純軸心軌跡，并從軸心軌跡中提取處特征參數(shù)。將特征參數(shù)進(jìn)行歸一化處理后，將所有參數(shù)統(tǒng)一保存到一個(gè)矩陣中；然后使用LTSA 算法對(duì)高維矩陣進(jìn)行降維處理，得到的包含敏感特征的低維矩陣；最后以敏感特征作為分析對(duì)象，使用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)展開故障診斷，并得到最終的活塞桿故障診斷結(jié)果。

4.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障分類結(jié)果

在本次實(shí)驗(yàn)中，引入往復(fù)壓縮機(jī)活塞桿組件正常工況作為對(duì)照。然后使用諧波小波對(duì)3 種工況（1 種正常工況、2 種故障工況）下的活塞桿軸心軌跡信號(hào)進(jìn)行提純處理。獲得特征參數(shù)后，再利用LTSA（局部切空間排列）算法進(jìn)行計(jì)算，提取敏感參數(shù)。經(jīng)過LTSA 降維處理后，發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練樣本中，3 種工況的特征差異較為明顯，但同一種工況下各個(gè)訓(xùn)練樣本之間的聚類效果良好。測(cè)試樣本中，僅有少量的斷裂故障樣本與松動(dòng)故障樣本出現(xiàn)重疊情況，其他樣本均勻分散。由此可見，LTSA 降維處理確實(shí)能從海量的工況數(shù)據(jù)中提取出故障敏感特征，進(jìn)而清晰地分辨活塞桿的不同故障類型。這樣既可以減輕計(jì)算的工作量，同時(shí)對(duì)下一步故障的準(zhǔn)確識(shí)別也有積極幫助。

從LTSA 降維后的工況數(shù)據(jù)中，每一種工況分別選取100個(gè)訓(xùn)練樣本和200 個(gè)測(cè)試樣本。然后分別將“諧波小波+LTSA”降維處理后的敏感特征、“諧波小波+PCA”降維處理后的敏感特征，以及只有PCA 降維處理的敏感特征，輸入到BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中進(jìn)行訓(xùn)練、測(cè)試，結(jié)果見表2。

表2 實(shí)際故障數(shù)據(jù)分類結(jié)果

結(jié)合表中數(shù)據(jù)可知，相比于單獨(dú)使用PCA 處理，采用“諧波小波+PCA”降維處理數(shù)據(jù)，能夠顯著提高故障預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率，這也驗(yàn)證了諧波小波對(duì)活塞桿軸心軌跡提純處理的有效性。綜合對(duì)比來看，采用“諧波小波+LTSA”降維處理后，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于緊固螺母松動(dòng)和活塞桿斷裂故障的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到了100%，明顯高于其他兩種方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)活塞桿組件故障的準(zhǔn)確識(shí)別和超前預(yù)警。

5 結(jié)論

（1）活塞桿軸心軌跡的振動(dòng)能量等特征參數(shù)，反映出往復(fù)壓縮機(jī)的活塞故障。在提取活塞桿軸心軌跡的振動(dòng)能量、包絡(luò)面積等參數(shù)的基礎(chǔ)上展開趨勢(shì)變化分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞桿故障的超前識(shí)別，從而為預(yù)防故障的發(fā)生提供參考。

（2）諧波小波算法具有“鎖相”功能，可以根據(jù)監(jiān)測(cè)和分析的需要，從活塞桿的軸心位移軌跡中選取任意頻段展開進(jìn)一步的分析，這樣既可以減少計(jì)算分析的工作量，同時(shí)又能保證故障特征更加清晰，提取后特征參數(shù)對(duì)故障的敏感程度也有所提升。

（3）使用諧波小波和LTSA 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障診斷，對(duì)活塞桿緊固螺母松動(dòng)故障和活塞桿斷裂故障的識(shí)別率達(dá)到了100%，應(yīng)用效果良好。