孫團(tuán)，姜應(yīng)戰(zhàn)，劉中冬，姜海龍

（1. 海軍潛艇學(xué)院，山東青島266044；2. 青島科技大學(xué)，山東青島266061）

0 引言

艦船高壓空氣負(fù)責(zé)保障艦船主輔機(jī)的啟動(dòng)、控制，并為其它系統(tǒng)提供氣源，而空氣壓縮機(jī)作為制造高壓空氣的輔助機(jī)械能否正常工作，關(guān)系重大[1]。空壓機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，氣閥故障是引起空壓機(jī)計(jì)劃外停機(jī)的最主要原因。與空壓機(jī)其他組件相比，氣閥最為敏感，其好壞直接影響到空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于氣閥故障造成壓縮機(jī)停機(jī)的次數(shù)占其全部停機(jī)次數(shù)的50%以上[2]。

以艦船常用的某型空氣壓縮機(jī)為例，當(dāng)氣閥故障發(fā)生以后，就要判斷故障氣閥是六十多個(gè)氣閥當(dāng)中的哪一個(gè)或者哪幾個(gè)。目前，艦船上普遍采用的辦法是，利用人的聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)對(duì)空氣壓縮機(jī)故障氣閥進(jìn)行判斷，這一方面對(duì)維修人員的維修技能和經(jīng)驗(yàn)要求非常高，另一方面，即使具有優(yōu)秀維修技能的人員，在六十多個(gè)氣閥當(dāng)中查找到故障氣閥平均工時(shí)約為2～3小時(shí)。因此研制一套氣閥故障診斷裝置，對(duì)空氣壓縮機(jī)氣閥檢測(cè)與維修具有重要意義。對(duì)于空氣壓縮機(jī)氣閥故障診斷方法研究[3]，本文給出了一種基于頻域分析的空氣壓縮機(jī)氣閥故障診斷裝置的設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明頻域分析對(duì)與氣閥的故障診斷是有效的，這對(duì)于空壓機(jī)氣閥的故障診斷具有重要意義。

1 故障診斷裝置硬件組成

故障診斷裝置硬件組成如圖1所示，ICP加速度傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)放大、濾波后，送至USB數(shù)據(jù)采集器，采集的時(shí)域信號(hào)送PC機(jī)，經(jīng)應(yīng)用軟件分析，給出氣閥的狀態(tài)，從而達(dá)到氣閥故障診斷的目的。

1.1 ICP加速度傳感器

壓電加速度傳感器在振動(dòng)與沖擊測(cè)試中應(yīng)用最為廣泛，但由于壓電傳感器壓敏元件具有很高的輸出阻抗，需前置放大器放大成低輸入阻抗的信號(hào)才能進(jìn)行AD變換，若采用外置前置電壓放大器，則由于其靈敏度受電纜分布電容的影響，輸出信號(hào)將不能真實(shí)反映氣閥的振動(dòng)信息；若采用外置前置電荷放大器，其靈敏度受電纜分布電容的影響較小，但電纜受到振動(dòng)和彎曲時(shí)，電纜芯線和絕緣體之間、絕緣體和金屬屏蔽層之間由于相對(duì)移動(dòng)摩擦產(chǎn)生靜電荷，會(huì)造成電纜噪聲，同樣會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)將不能真實(shí)反映氣閥的振動(dòng)信息，最終給分析結(jié)果帶來(lái)偏差。

ICP傳感器是指內(nèi)置集成電路的壓電傳感器，與外置前置放大器相比，可克服以上缺點(diǎn)。

1.2 ICP加速度傳感器驅(qū)動(dòng)電路

如圖2所示，ICP傳感器采用恒流源驅(qū)動(dòng)，恒流源電路由電壓基準(zhǔn)LT1019通過(guò)運(yùn)算放大器與三極管組成的V/I變換電路實(shí)現(xiàn)，設(shè)基準(zhǔn)電壓為Vref，則IE=Vref/Rs，適當(dāng)選取Rs，可得到ICP傳感器所需的驅(qū)動(dòng)電流。

1.3 ICP加速度傳感器信號(hào)調(diào)理電路

如圖3所示，ICP傳感器供電電纜同時(shí)作為振動(dòng)信號(hào)輸出線，由于振動(dòng)信號(hào)為交變信號(hào)，因此通過(guò)交流耦合至AD817高速運(yùn)算放大器組成的高阻抗儀表放大器進(jìn)行電壓放大。

為真實(shí)檢測(cè)信號(hào)頻譜，儀表放大器輸出經(jīng)抗混疊低通濾波器后輸出至數(shù)據(jù)采集模塊。

1.4 USB數(shù)據(jù)采集模塊

為方便利用PC機(jī)MATLAB軟件分析氣閥狀態(tài)，采用USB數(shù)據(jù)采集模塊，本檢測(cè)裝置采用MPS系列USB數(shù)據(jù)采集模塊，內(nèi)置16位AD，采樣頻率高達(dá)400 K，采集到的數(shù)據(jù)可連續(xù)送到計(jì)算機(jī)，供MATLAB應(yīng)用軟件分析。

1.5 便攜式計(jì)算機(jī)

便攜式計(jì)算機(jī)用于開(kāi)發(fā)和運(yùn)行MATLAB應(yīng)用軟件，對(duì)氣閥振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，并建立氣閥狀態(tài)頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)氣閥狀態(tài)進(jìn)行分析和故障診斷。

2 故障診斷裝置軟件設(shè)計(jì)

軟件流程如圖4所示，軟件運(yùn)行分為兩個(gè)狀態(tài)。一是特征提取狀態(tài)，以大量的采集數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用MATLAB信號(hào)處理模塊為分析工具進(jìn)行頻譜分析，從而得到氣閥的故障特征，建立故障數(shù)據(jù)庫(kù)。二是故障診斷狀態(tài)，在已建立故障數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)連續(xù)采集空壓機(jī)氣閥的振動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行頻譜分析，再與故障數(shù)據(jù)庫(kù)的故障特征進(jìn)行相關(guān)分析，進(jìn)行氣閥的故障診斷。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

圖5給出了空氣壓縮機(jī)氣閥工作過(guò)程中的振動(dòng)的時(shí)域及頻域信號(hào)，其中圖5a為時(shí)域振動(dòng)信號(hào)，圖5b為經(jīng)過(guò)頻域分析后的信號(hào)。由圖5a與圖5b對(duì)比可以看出：（1）氣閥振動(dòng)的時(shí)域信號(hào)在正常狀態(tài)與故障狀態(tài)下無(wú)明顯特征；（2）經(jīng)頻域分析的氣閥振動(dòng)信號(hào)正常狀態(tài)與故障狀態(tài)下差異明顯，其中正常狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)的頻域分量較豐富，而故障狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)的頻域分量單調(diào)，與正常狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)的頻域分量相比差異明顯。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)的基于頻域分析的空氣壓縮機(jī)氣閥故障診斷裝置，通過(guò)樣機(jī)的測(cè)試，結(jié)果表明該裝置可實(shí)現(xiàn)艦船用空氣壓縮機(jī)氣閥工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和故障的快速診斷，提高了空氣壓縮機(jī)氣閥檢修工作的快速性。

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