往复压缩机气阀的振动测试分析
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5 结论
通过对排气阀振动的位移 、速度和加速度的频 域测试可以得出 :阀盖处的振动位移反映的是压缩 机机身的振动 ,振动的速度反映的是气流脉动引起 的振动 ,高上限频率的加速度则可以全面的代表气 流脉动和阀片撞击引起的振动 。因此 ,对往复压缩 机气阀的状态监测应选用高上限频率的加速度进行 测试 ,或者是对低频部分和高频部分进行分频段测 试。
从图 3可以看出 ,其振动的峰值频率为 11170 Hz,是压缩机基频的 2倍 ,振动能量主要集中在 0～ 200 Hz。而排气口处也有类似的现象 ,从图 4 可以 看出 ,其振动的峰值频率为 35110 Hz,是压缩机基 频的 4倍 ,振动的能量主要也集中在 0～200 Hz。由
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图 3 垂直排气阀方向的速度频谱 图 4 排气口轴向的速度频谱图 图 5 垂直排气阀方向的加速度频谱 (上限频率 1000 Hz)
Nadig, Anand N. Bahuguni. Development of a Helium Comp ressor from a Recip rocating2type Refrigeration Comp ressor[ J ]. Journal of Indian Institute of the Indian Institute of Science, 2006, 86 ( 1) : 69 - 73. [ 7 ] 赵远扬 ,郭蓓 ,李连生 ,束鹏程 ,刘云霞. 气阀排气规律模拟及 其对制冷工质适应性研究 [ J ]. 制冷学报 , 2002, (6) : 18 - 22.
参考文献 :
[ 1 ] 刘卫华 ,等. 气阀故障诊断的实验研究 [ J ]. 压缩机技术 , 2001, ( 2) : 3 - 5.
[ 2 ] 赵铁. 往复压缩机气阀故障诊断的实验研究 [ C ]. 西北工业大 学硕士论文 , 2003: 31 - 32.
[ 3 ] 李君宝. 基于冲击相应信号的气阀故障诊断方法研究 [ C ]. 哈 尔滨工业大学硕士论文 , 2004: 41 - 42.
压缩机参数 :双缸单作用空气压缩机 工作压力 : 0169 M Pa 排气量 : 115 m3 /m in 实际转速 : 350 r/m in
测试参数设置 :位移频率范围 : 0～5Leabharlann Baidu0 Hz 速度频率范围 : 0～500 Hz 加速度频率范围 : 0～1000Hz, 0～10000Hz
测点的位置为垂直排气阀的方向 ,测试频谱的 有效值为 RM S,窗函数均选择汉宁窗 。另外为了进 行对比 ,对排气口管道的轴向振动速度也进行了测 量 ,频率范围为 0～500Hz。
[ 4 ] 杨克光 ,徐长东. 压开吸气阀装置的设计计算 [ J ]. 压缩机技 术 , 2003, ( 3) : 26 - 27.
[ 5 ] 刘振全. 往复压缩机的电子计算机模拟和机理设计 [ J ]. 甘肃
工业大学学报 , 1998, 14 (3) : 3 - 12. [ 6 ] S. Kasthurirengan, S. Jacob, R. Karunanithi, Upendra Behera, D. S.
作者简介 :王君 (1976 - ) ,男 ,吉林梅河口人 ,讲师 ,博士 ,从事容积 式压缩机和流体机械方面的教学和研究工作 。
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压缩机技术
第 5期
2 气阀盖振动的力学模型 [ 2, 3 ]
气阀盖和压缩机机身之间一般采用的是螺栓连 接 ,它们之间有一定的刚度和阻尼 ,因此阀盖和机身 之间会产生相对运动 ,图 1 为振动力学模型的示意 图。
图 1 阀盖振动力学模型
式中 m top ———阀盖质量 m comp ressor ———机身质量 Xc ———机身位移 Xt ———阀盖位移 K———系统刚度
C ———系统阻尼
F ———阀盖受到的激振力
阀盖运动的微分方程为
..
m top x l
+ C (. xl
-
.
xc
)
+ K ( xl - xc )
ω2
top
+ iCω
+
X K
c
(ω)
从上式可以看出 ,由于机身与阀盖的质量以及
刚度与阻尼构成的系数 ,对一个压缩机来说可以认
为是定值 ,阀盖的振动主要是激振力的响应和机身
振动 而产生的激振二者叠加的结果 。阀盖所受到
的激振力主要是由气缸内气流脉冲和气阀在开启和
关闭时阀片撞击升程限制器及阀座引起的 ,而机身
2007年第 5期 (总 205期 )
压缩机技术
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文章编号 : 100622971 (2007) 0520023203
往复压缩机气阀的振动测试分析
吴广宇 ,郝 点 ,石 磊
(中国石油大学 (华东 ) ,山东 东营 257061)
摘 要 :在分析和研究往复压缩机阀盖振动力学模型的基础上 ,利用 PL302双通道数据采集仪对阀盖垂 直方向的振动位移 、速度和加速度的频域振动进行了测试分析 ,为往复压缩机气阀的状态监测提供了一 定的依据 。 关键词 :往复压缩机 ;气阀 ;振动测试 ;频谱分析 中图分类号 : TH455 文献标识码 : A
产生振动的主要因素是压缩机曲轴连杆机构的不平
衡惯性力及扭矩 ,其振动信号反映在阀盖处相当于
信号处理中的直流信号 ,假定在发生故障时 ,压缩机
的其它部位状态正常 ,由此产生的振动时始终一致
的 ,不会引起阀盖振动信号的变化 。那么由上式可
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知 ,阀盖振动的变化主要是由于所受冲击力 的变 化 ,在引起阀盖振动的诸多因素中 ,气流脉动以及气 阀开启和关闭时阀片对阀座和升程限制器的碰撞对 阀盖的振动影响最大 ,其他因素可以忽略不计 。阀 盖上的振动信号实际上是由冲击力 引起的冲响应 信号和机身引起的振动信号叠加而成 。
[ 4 ] 郁永章 ,等. 容积式压缩机手册 [M ]. 北京 : 机械工业出版社 , 2000.
作者简介 :吴广宇 ( 1981 - ) ,男 ,中国石油大学 (华东 )硕士研究生 , 研究方向为石油化工流体机械 。
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1 前言
气阀是往复压缩机的关键部件 ,据统计 ,往复压 缩机大约有 60%的故障是由气阀引起的 。因此 ,对 压缩机气阀进行状态监测是很有实际意义的 。反映 气阀运行状态的参数主要有阀隙的气体压力 、温度 、 流速和阀盖的振动信号 ,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 。阀 盖处的振动信号能够反映气阀的运行状态并且其测
由以上分析可知 ,阀盖冲击响应信号反映了气 阀的运行状态 ,分析阀盖冲击响应信号可以达到对 气阀进行状态检测和故障诊断的目的 。
3 测试仪器及测试参数
本次实验采用的数据采集器是 PL302 双通道 频谱 测 试 仪 , 分 析 软 件 是 PM ( Predictive M ainte2 nance)系统软件 。
参考文献 :
[ 1 ] 吴业正. 往复式压缩机数学模型及应用 [M ]. 西安 :西安交通 大学出版社 , 1990: 66 - 89.
[ 2 ] 郁永章 ,主编. 容积式压缩机技术手册 [M ]. 北京 :机械工业出 版社 , 2002: 328 - 347.
[ 3 ] 王君 ,刘振全. 涡旋压缩机排气口的开设面积区域及孔口气速 研究 [ J ]. 流体机械 , 2005, 33 ( 6) : 7 - 10.
Abstract: Based on analyzing and study of mechanical model for the recip rocating comp ressor valve deck, the test and analysis on vibration disp lacement, velocity and acceleration of valve deck in vertical orientation has been done by using PL302 double channel data collector. And it gives certain reference for the condition monito2 ring of recip rocating comp ressor valve. Key words: recip rocating comp ressor; valve; vibration test; spectrum analysis
=F
整理后可得
m
. top
x.
l
·
+ C xl
+ Kxl
·
= C xc
+ Kxc
+F
对两边作傅立叶变换 ,可得
(-
m
ω2
top
+ iCω + K) X t (ω)
= F (ω)
+ ( iCω +
K) Xc (ω)
可得振动的频域特性为
X t (ω)
=
-
F (ω)
m
ω2
top
+ iCω
+K
+
-
m
iCω + K
4 测试频谱分析
往复压缩机基频的计算 f = n /60 = 350 /60 = 5183 Hz 411 振动位移的分析 从 频谱图上可以明显看出最大峰值频率为
图 2 垂直排气阀方向的位移频谱
第 5期
吴广宇 ,等 :往复压缩机气阀的振动测试分析
5164 Hz,与计算出的压缩机基频基本一致 ,是由压 缩机的机身振动引起的较大幅度的振动 。 412 振动速度的分析
图 6 垂直排气阀方向的加速度频谱 (上限频率 10000 Hz)
此可见 ,二者的激振力频率是一致的 ,都是由气流脉 动引起的振动 。 413 振动加速度的分析 [ 4]
从图 5、图 6 可以看出当加速度的上限频率为 1000 Hz时 ,其加速度振动能量主要集中在 0 ～200 Hz;当上限频率为 10000 Hz时 ,其加速度振动能量 主要集中在 0 ～200 Hz和 1500～2500 Hz。这也十 分清楚的反映了引起阀盖振动的两个激振力的性 质 :由气流脉动冲击引起的振动为低频振动 ,而由阀 片撞击阀座和升程限制器引起的振动为高频振动 。
收稿日期 : 2007 - 06 - 27
量简便易行 ,气阀的常见故障如阀片外边缘及阀体 断裂 、弹簧失效 、气阀紧固螺母松动和由于装配或设 计不当造成气阀的漏气等 ,在振动信号中都对应有 较明显的变化 ,因此 ,对气阀的振动信号进行测试分 析已成为往复压缩机气阀技术的重要研究方向 [ 1 ] 。
本文在分析和研究往复压缩机阀盖振动力学模 型的基础上 ,利用 PL302双通道数据采集器对气阀 盖垂直方向上的位移 、速度和加速度分不同的频段 进行了测试 ,并对频谱进行了分析 ,为往复压缩机气 阀的振动测试和状态监测提供了一定依据 。
V ibra tion Test and Ana lysis of Rec iproca ting Com pressor Va lve
WU Guang2yu, HAO D ian, SH I Lei
( Ch ina U n iversity of Petroleum , D ongying 257061, Ch ina)
通过对排气阀振动的位移 、速度和加速度的频 域测试可以得出 :阀盖处的振动位移反映的是压缩 机机身的振动 ,振动的速度反映的是气流脉动引起 的振动 ,高上限频率的加速度则可以全面的代表气 流脉动和阀片撞击引起的振动 。因此 ,对往复压缩 机气阀的状态监测应选用高上限频率的加速度进行 测试 ,或者是对低频部分和高频部分进行分频段测 试。
从图 3可以看出 ,其振动的峰值频率为 11170 Hz,是压缩机基频的 2倍 ,振动能量主要集中在 0～ 200 Hz。而排气口处也有类似的现象 ,从图 4 可以 看出 ,其振动的峰值频率为 35110 Hz,是压缩机基 频的 4倍 ,振动的能量主要也集中在 0～200 Hz。由
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图 3 垂直排气阀方向的速度频谱 图 4 排气口轴向的速度频谱图 图 5 垂直排气阀方向的加速度频谱 (上限频率 1000 Hz)
Nadig, Anand N. Bahuguni. Development of a Helium Comp ressor from a Recip rocating2type Refrigeration Comp ressor[ J ]. Journal of Indian Institute of the Indian Institute of Science, 2006, 86 ( 1) : 69 - 73. [ 7 ] 赵远扬 ,郭蓓 ,李连生 ,束鹏程 ,刘云霞. 气阀排气规律模拟及 其对制冷工质适应性研究 [ J ]. 制冷学报 , 2002, (6) : 18 - 22.
参考文献 :
[ 1 ] 刘卫华 ,等. 气阀故障诊断的实验研究 [ J ]. 压缩机技术 , 2001, ( 2) : 3 - 5.
[ 2 ] 赵铁. 往复压缩机气阀故障诊断的实验研究 [ C ]. 西北工业大 学硕士论文 , 2003: 31 - 32.
[ 3 ] 李君宝. 基于冲击相应信号的气阀故障诊断方法研究 [ C ]. 哈 尔滨工业大学硕士论文 , 2004: 41 - 42.
压缩机参数 :双缸单作用空气压缩机 工作压力 : 0169 M Pa 排气量 : 115 m3 /m in 实际转速 : 350 r/m in
测试参数设置 :位移频率范围 : 0～5Leabharlann Baidu0 Hz 速度频率范围 : 0～500 Hz 加速度频率范围 : 0～1000Hz, 0～10000Hz
测点的位置为垂直排气阀的方向 ,测试频谱的 有效值为 RM S,窗函数均选择汉宁窗 。另外为了进 行对比 ,对排气口管道的轴向振动速度也进行了测 量 ,频率范围为 0～500Hz。
[ 4 ] 杨克光 ,徐长东. 压开吸气阀装置的设计计算 [ J ]. 压缩机技 术 , 2003, ( 3) : 26 - 27.
[ 5 ] 刘振全. 往复压缩机的电子计算机模拟和机理设计 [ J ]. 甘肃
工业大学学报 , 1998, 14 (3) : 3 - 12. [ 6 ] S. Kasthurirengan, S. Jacob, R. Karunanithi, Upendra Behera, D. S.
作者简介 :王君 (1976 - ) ,男 ,吉林梅河口人 ,讲师 ,博士 ,从事容积 式压缩机和流体机械方面的教学和研究工作 。
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压缩机技术
第 5期
2 气阀盖振动的力学模型 [ 2, 3 ]
气阀盖和压缩机机身之间一般采用的是螺栓连 接 ,它们之间有一定的刚度和阻尼 ,因此阀盖和机身 之间会产生相对运动 ,图 1 为振动力学模型的示意 图。
图 1 阀盖振动力学模型
式中 m top ———阀盖质量 m comp ressor ———机身质量 Xc ———机身位移 Xt ———阀盖位移 K———系统刚度
C ———系统阻尼
F ———阀盖受到的激振力
阀盖运动的微分方程为
..
m top x l
+ C (. xl
-
.
xc
)
+ K ( xl - xc )
ω2
top
+ iCω
+
X K
c
(ω)
从上式可以看出 ,由于机身与阀盖的质量以及
刚度与阻尼构成的系数 ,对一个压缩机来说可以认
为是定值 ,阀盖的振动主要是激振力的响应和机身
振动 而产生的激振二者叠加的结果 。阀盖所受到
的激振力主要是由气缸内气流脉冲和气阀在开启和
关闭时阀片撞击升程限制器及阀座引起的 ,而机身
2007年第 5期 (总 205期 )
压缩机技术
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文章编号 : 100622971 (2007) 0520023203
往复压缩机气阀的振动测试分析
吴广宇 ,郝 点 ,石 磊
(中国石油大学 (华东 ) ,山东 东营 257061)
摘 要 :在分析和研究往复压缩机阀盖振动力学模型的基础上 ,利用 PL302双通道数据采集仪对阀盖垂 直方向的振动位移 、速度和加速度的频域振动进行了测试分析 ,为往复压缩机气阀的状态监测提供了一 定的依据 。 关键词 :往复压缩机 ;气阀 ;振动测试 ;频谱分析 中图分类号 : TH455 文献标识码 : A
产生振动的主要因素是压缩机曲轴连杆机构的不平
衡惯性力及扭矩 ,其振动信号反映在阀盖处相当于
信号处理中的直流信号 ,假定在发生故障时 ,压缩机
的其它部位状态正常 ,由此产生的振动时始终一致
的 ,不会引起阀盖振动信号的变化 。那么由上式可
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知 ,阀盖振动的变化主要是由于所受冲击力 的变 化 ,在引起阀盖振动的诸多因素中 ,气流脉动以及气 阀开启和关闭时阀片对阀座和升程限制器的碰撞对 阀盖的振动影响最大 ,其他因素可以忽略不计 。阀 盖上的振动信号实际上是由冲击力 引起的冲响应 信号和机身引起的振动信号叠加而成 。
[ 4 ] 郁永章 ,等. 容积式压缩机手册 [M ]. 北京 : 机械工业出版社 , 2000.
作者简介 :吴广宇 ( 1981 - ) ,男 ,中国石油大学 (华东 )硕士研究生 , 研究方向为石油化工流体机械 。
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1 前言
气阀是往复压缩机的关键部件 ,据统计 ,往复压 缩机大约有 60%的故障是由气阀引起的 。因此 ,对 压缩机气阀进行状态监测是很有实际意义的 。反映 气阀运行状态的参数主要有阀隙的气体压力 、温度 、 流速和阀盖的振动信号 ,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 。阀 盖处的振动信号能够反映气阀的运行状态并且其测
由以上分析可知 ,阀盖冲击响应信号反映了气 阀的运行状态 ,分析阀盖冲击响应信号可以达到对 气阀进行状态检测和故障诊断的目的 。
3 测试仪器及测试参数
本次实验采用的数据采集器是 PL302 双通道 频谱 测 试 仪 , 分 析 软 件 是 PM ( Predictive M ainte2 nance)系统软件 。
参考文献 :
[ 1 ] 吴业正. 往复式压缩机数学模型及应用 [M ]. 西安 :西安交通 大学出版社 , 1990: 66 - 89.
[ 2 ] 郁永章 ,主编. 容积式压缩机技术手册 [M ]. 北京 :机械工业出 版社 , 2002: 328 - 347.
[ 3 ] 王君 ,刘振全. 涡旋压缩机排气口的开设面积区域及孔口气速 研究 [ J ]. 流体机械 , 2005, 33 ( 6) : 7 - 10.
Abstract: Based on analyzing and study of mechanical model for the recip rocating comp ressor valve deck, the test and analysis on vibration disp lacement, velocity and acceleration of valve deck in vertical orientation has been done by using PL302 double channel data collector. And it gives certain reference for the condition monito2 ring of recip rocating comp ressor valve. Key words: recip rocating comp ressor; valve; vibration test; spectrum analysis
=F
整理后可得
m
. top
x.
l
·
+ C xl
+ Kxl
·
= C xc
+ Kxc
+F
对两边作傅立叶变换 ,可得
(-
m
ω2
top
+ iCω + K) X t (ω)
= F (ω)
+ ( iCω +
K) Xc (ω)
可得振动的频域特性为
X t (ω)
=
-
F (ω)
m
ω2
top
+ iCω
+K
+
-
m
iCω + K
4 测试频谱分析
往复压缩机基频的计算 f = n /60 = 350 /60 = 5183 Hz 411 振动位移的分析 从 频谱图上可以明显看出最大峰值频率为
图 2 垂直排气阀方向的位移频谱
第 5期
吴广宇 ,等 :往复压缩机气阀的振动测试分析
5164 Hz,与计算出的压缩机基频基本一致 ,是由压 缩机的机身振动引起的较大幅度的振动 。 412 振动速度的分析
图 6 垂直排气阀方向的加速度频谱 (上限频率 10000 Hz)
此可见 ,二者的激振力频率是一致的 ,都是由气流脉 动引起的振动 。 413 振动加速度的分析 [ 4]
从图 5、图 6 可以看出当加速度的上限频率为 1000 Hz时 ,其加速度振动能量主要集中在 0 ～200 Hz;当上限频率为 10000 Hz时 ,其加速度振动能量 主要集中在 0 ～200 Hz和 1500～2500 Hz。这也十 分清楚的反映了引起阀盖振动的两个激振力的性 质 :由气流脉动冲击引起的振动为低频振动 ,而由阀 片撞击阀座和升程限制器引起的振动为高频振动 。
收稿日期 : 2007 - 06 - 27
量简便易行 ,气阀的常见故障如阀片外边缘及阀体 断裂 、弹簧失效 、气阀紧固螺母松动和由于装配或设 计不当造成气阀的漏气等 ,在振动信号中都对应有 较明显的变化 ,因此 ,对气阀的振动信号进行测试分 析已成为往复压缩机气阀技术的重要研究方向 [ 1 ] 。
本文在分析和研究往复压缩机阀盖振动力学模 型的基础上 ,利用 PL302双通道数据采集器对气阀 盖垂直方向上的位移 、速度和加速度分不同的频段 进行了测试 ,并对频谱进行了分析 ,为往复压缩机气 阀的振动测试和状态监测提供了一定依据 。
V ibra tion Test and Ana lysis of Rec iproca ting Com pressor Va lve
WU Guang2yu, HAO D ian, SH I Lei
( Ch ina U n iversity of Petroleum , D ongying 257061, Ch ina)