021往复式压缩机故障诊断的小波分析方法_李旭朋

断提供依据。
五 、结 论
从上述的实验分析可以看出， 小波包变换可以有效的提取
信号的特征向量， 小波分析对于压缩机的故障分析研究有着非
常重要的作用， 小波分析方法可以为压缩机进一步的故障诊断
提供理论依据。
参考文献
１ 吴广宇等．往复压缩机气阀的振动测试分析［Ｊ］．压缩机技术， ２００７（ ５） ：
２３～２５
２ 姚利斌等．基于小波包分析的往复式压缩机故障诊断［Ｍ］．状态监测与
诊断技术， ２００６（ ２） ： ４８～４９
Ｗ０８．１０－ ２４
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作者通联： 北京化工大学 ３５６ 信箱 北京市朝阳区 １０００２９
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〔编辑 王 其〕
诊断技术
!" 设备管理与维修 ２００８ №１０
在不同频率带下分离出来。采用能量—故障的方法， 直接采集压
缩机气阀的振动信号并对采集数据进行小波分析， 得到系统的
故 障 模 型 。利 用 这 一 特 征 可
以建立起振动信号各频带
能量与往复式压缩机各故
障状态间的映射关系， 通过
各频率成分能量的变化来
达到故障诊断目的。
二、气阀 振 动 信 号 的 采
时造成阀片对阀座和升程限制器的碰撞以及机器本身的运转
对气阀的振动影响最大， 其他因素可以忽略不计。在以上因素
中 ， 由 阀 片 撞 击 阀 座 和 升 程 限 制 器 产 生 的 振 动 为 高 频 振 动［１］，
由压缩机运转、气流脉动
冲击引起的振动为低频振
动。
图 ５～８ 中 ， 横 坐 标 表
示振动信号经小波包变换
示由气流脉动产生的能
量 ， Ｓ３４、Ｓ３５、Ｓ３６、Ｓ３７ 高
频部分表示由阀片对阀座
和升程限制器的碰撞产生
的能量。
对比正常信号特征向 量图和几个故障特征向量 图， 可以看出， 由压缩机自
图 ６ 气阀内圈弹簧损坏 的特征向量图
身运转产生的能量没有明
显的变化。当气阀内圈弹
簧 出 现 故 障 时 （ 图 ６） ， 气
２
Ｅ３ｊ
， 得 到 Ｔ′＝［Ｅ３０／
ｊ＝０
Ｅ， Ｅ３１／Ｅ， Ｅ３２／Ｅ， Ｅ３３／Ｅ， Ｅ３４／Ｅ， Ｅ３５／Ｅ， Ｅ３６／Ｅ， Ｅ３７／Ｅ］。归一化处
理后特征向量图如图 ５～８ 所 示 ， 利 用 特 征 向 量 图 就 能 够 分 辨 出
故障信号。
四 、故 障 机 理 分 析
在 引 起 气 阀 振 动 的 诸 多 因 素 中 ， 气 流 脉 动 、气 阀 开 启 关 闭
长 度 ５ｓ。 图 １、图 ２ 是 实 测
正常工作下和故障工作下
压缩机气阀的振动信号的
时域信号波形图， 从图中可
看出正常信号和故障信号
的时域波形图无明显区别。 图 ２ 故障气阀振动时域信号
所以采用能量—故障方法来实现压缩机振动信号的故障特征提 取。
三 、用 能 量 — 故 障 法 对 振 动 信 号 处 理 在故障特征提取过程中， 要适当选择小波包分解的层数， 如分解层数过少， 不能有效提取故障特征， 如分解层数过多， 特征向量的维数大， 会影响诊断速度。根据往复式压缩机的故 障特征， 采用 ３ 层小波包分解构成 ８ 维特征向量来提取往复 式压缩机的故障特征。分别对正常和故障信号做 ３ 层小波包 变换， 选取第三层从低频到高频 ８ 个子频带的小波包分解系 数 （ Ｘ３０， Ｘ３１， Ｘ３２， Ｘ３３， Ｘ３４， Ｘ３５， Ｘ３６， Ｘ３７） ， 应 用 函 数 Ｓ＝ ｗｐｒｃｏｅ（ｆ ｔ， Ｎ） ， 得 到 从 低 频 到 高 频 的 ８ 个 重 构 信 号 如 图 ３、图 ４ （ 只 取 其 中 一 个 周 期） 。 虽 然 图 ３、图 ４ 可 以 区 分 故 障 和 正 常 信 号， 但在故障比较多的情况下， 无法判断各个故障的具体失效 形 式 ， 为 此 对 各 个 频 带 的 能 量 作 了 分 析 ， 频 带 信 号 Ｓ３（ｊ ｊ＝０， １，
一 、概 述
往复式压缩机在石化企业中应用十分广泛， 气阀是往复式
压 缩 机 的 关 键 部 件 ， 据 统 计 ， 往 复 式 压 缩 机 有 ６０％以 上 的 故 障
发生在气阀上， 能够及时发现气阀故障， 对往复式压缩机故障诊
断有相当重要的实际工程意义。反映气阀运行状态的参数主要
有阀隙的气体压力、温度、流速和气阀的振动， 而气体的压力、温
度和流速虽然是气阀重要的运行参数， 但不易进行测量， 所以以
气阀振动信号作为气阀故障分析的载体。
由于压缩机结构复杂， 振动源较多， 在通频带上有大量的能
量分布， 在频谱上找不出相应的故障特征频率， 因此利用传统的
傅立叶变换对其故障做出准确判断较为困难。小波分析是一种
信号的时频分析方法， 是把信号分解成低频和高频部分， 把信号
往复式压缩机故障诊断的小波分析方法
李旭朋 戴凌汉 李 庆
摘要 往复式压缩机振动源多， 特征向量不易提取， 采用小波包分解和重构来构造能量特征向量的方法， 提取往复式压缩机气 阀的故障特征， 该方法可有效地诊断往复压缩机的故障。
关键词 往复式压缩机 故障诊断 气阀 小波分析 中图分类号 ＴＢ５３ 文献标识码 Ａ
集
实 验 用 压 缩 机 为 Ｗｚ－
１．５／５－ Ａ 立 式 单 缸 双 作 用 无
油润滑空气压缩机， 电机转 速 ７５０ｒ／ｍｉｎ， 实 验 时 的 排 气
图 １ 正常气阀振动时域信号
压 力 为 ０．２ＭＰａ。 测 量 气 阀
振动的传感器型号为
ＫＤ１００２ＬＣ 的 加 速 度 传 感
器 ， 采 样 频 率 １０ｋＨｚ， 采 样
图 ３ 正常信号小波包变换子频带图
!" 设备管理与维修 ２００８ №１０
诊断技术
图 ４ 故障信号小波包变换子频带图
!２
…， ７） 对应的能量 Ｅ３（ｊ ｊ＝０， １， …， ７） 可由公式 Ｅ３ｊ ＝ Ｓ３（ｊ ｔ） ｄｔ＝
ｎ
"２ ｘｊｋ 求得， 其中， ｘｊ（ｋ ｊ＝０， １， …， ７， ｋ＝１， ２， …ｎ） 表示重构信号
器的振动作用也有所加
强， 但不太明显； 当阀片产
生 故 障 时（ 图 ８） ， 对 气 流
脉动作用影响不明显， 而
振动部分能量有明显增
加 。从 以 上 分 析 可 以 看 出 ， 气阀不同部位产生故障 时， 从气阀振动信号的特
图 ８ 气阀阀片损坏的 特征向量图
征向量上可以明显的体现出来， 从而为工程１、２ …… ８ 分 别 对
应 信 号 频 段 Ｓ３０、Ｓ３１ ……
Ｓ３７； 纵 坐 标 为 各 个 频 带 的
特征向量值。图中第一个 图 ５ 正常信号的特征向量图
信 号 频 段 Ｓ３０ 表 示 由 压 缩
机自身运转产生的能量，
Ｓ３１、Ｓ３２、Ｓ３３ 低 频 部 分 表
ｋ＝１
Ｓ３ｊ 的离散点的幅值。气阀故障将对各频带内信号的时域分析参
数 产 生 较 大 的 影 响 ， 通 过 这 些 参 数 可 构 造 特 征 向 量 Ｔ＝［Ｅ３０，
Ｅ３１， Ｅ３２， Ｅ３３， Ｅ３４， Ｅ３５， Ｅ３６， Ｅ３７］。当能量数值较大时， 应对特
１
# $２
７
" 征 向 量 进 行 归 一 化 处 理 ， 令 Ｅ＝
阀开启和关闭时间延长，
使得气流脉动趋势平缓，
低频部分能量减弱， 对阀
座和升程限制器的振动作
用明显加强， 使得高频部
分能量有显著增加； 当气 阀外圈弹簧出现故障时 （ 图 ７） ， 气 阀 开 启 和 关 闭
图 ７ 气阀外圈弹簧损坏 的特征向量图
时间延长， 使得气流脉动
趋势平缓， 低频部分能量
下降， 对阀座和升程限制