張趙寧， 遲毅林， 伍 星， 柳小勤， 劉 暢

（昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明650093）

0 引 言

往復(fù)式壓縮機(jī)是生產(chǎn)企業(yè)中廣泛使用的動力設(shè)備，應(yīng)用于冶金、礦山、化工、船舶、機(jī)械制造等行業(yè)，尤其是在化工生產(chǎn)上的應(yīng)用更加普遍. 往復(fù)式壓縮機(jī)的故障診斷中使用較多的是振動法，由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動部件多、工作時振動激勵源較多，發(fā)生的故障也多種多樣，發(fā)生故障時，振動信號表現(xiàn)出非平穩(wěn)、非線性特征，利用傳統(tǒng)的時域或頻域方法很難從此類振動信號中提取故障信息，診斷難度較大[1-3].

往復(fù)式壓縮機(jī)機(jī)體的主要受到機(jī)械力和氣體力的作用，其中機(jī)械力主要表現(xiàn)為曲軸旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力和活塞組件往復(fù)運(yùn)動時產(chǎn)生的往復(fù)慣性力，這兩種慣性力最終將通過曲軸與機(jī)體連接的軸承座傳遞到機(jī)體上. 氣體力主要表現(xiàn)為氣缸缸內(nèi)的壓力，這部分的壓力將通過汽缸內(nèi)壁最終傳遞到機(jī)體上. 所以在往復(fù)式壓縮機(jī)機(jī)體的振動，最終是由機(jī)械力和氣體力這兩種激勵聯(lián)合起來產(chǎn)生的振動[4]. 其中機(jī)械力這一部分產(chǎn)生的故障，稱之為動力性能故障；氣體力引起的故障，稱之為熱力性能故障. 對這兩種激勵聯(lián)合產(chǎn)生的激勵信號，利用傳統(tǒng)的信號和處理算法，難以準(zhǔn)確地對其進(jìn)行特征分析，因而如果產(chǎn)生了故障，難以準(zhǔn)確地判斷故障屬于哪一類型[5-6]. 由于壓縮機(jī)的機(jī)械力的振動是通過一個曲柄連桿機(jī)構(gòu)傳遞的到壓縮機(jī)機(jī)體上的，整個曲柄連桿機(jī)構(gòu)是剛性地連結(jié)在一起的. 因此，先對壓縮機(jī)機(jī)體的振動信號進(jìn)行EMD 分解，得到信號在不同頻率段內(nèi)的IMF 分量. 然后在對分解后的各IMF 分量做頻域分析， 并對壓縮機(jī)十字頭上采集到的振動信號進(jìn)行頻域分析，從而分離出壓縮機(jī)機(jī)械力振動引起的振動分量.

1 EMD 分解

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法（EMD 分解）是黃鍔教授等人提出的，用于處理非平穩(wěn)、非線性信號數(shù)據(jù)的一種方法. 相較于以前的一些方法，該方法具有直觀、直接、自適應(yīng)性等特點(diǎn)，分解方法是直接基于數(shù)據(jù)本身得出的[7]. 分解是根據(jù)簡單的假設(shè)，即任何數(shù)據(jù)由不同的簡單振蕩固有模式疊加而成. 每一個固有模式都代表了一種有著相同數(shù)目極點(diǎn)和零點(diǎn)的簡單的振蕩. 在任何特定時間內(nèi)， 數(shù)據(jù)可能有許多不同的振蕩模式并存，因?yàn)橐粋€振蕩在另一個振蕩上疊加，最后的結(jié)果還是復(fù)雜的數(shù)據(jù). 這些振蕩模式，每個代表一個固有模態(tài)函數(shù)（IMF）有如下定義：①在整個數(shù)據(jù)集中，極值點(diǎn)的數(shù)目與零點(diǎn)值的數(shù)目必須相等或最多相差一個；②在任意瞬時，由局部最大值和局部最小值確定的包絡(luò)的均值為零[8-9].

任何信號都可分解成有限個IMF 分量之和，各個IMF 分量突出信號的各個局部特征， 對其進(jìn)行分析可以更準(zhǔn)確把握原信號的特征信息. EMD分解方法的本質(zhì)是通過特征時間尺度獲得固有振動模式， 然后由固有振動模式來分解時間序列數(shù)據(jù). 運(yùn)用EMD 方法分解信號的步驟如下：

（1）確定信號x（t）的所有局部極大值點(diǎn)和局部極小值點(diǎn)，采用三次樣條線將所有的局部極大值和局部極小值連接起來形成上下包絡(luò)線，將上下包絡(luò)線的均值記為m1，原始信號減去m1可得到一個新的數(shù)據(jù)序列h1. 即：

（2）如果h1滿足IMF 分量的兩個定義，則h1為第一個IMF 分量，記為c1；如果不滿足，則重復(fù)步驟（1），得到上下包絡(luò)線的均值m11，并繼續(xù)判斷h11=h1-m11是否滿足IMF 分量的兩個定義. 若不滿足，則繼續(xù)重復(fù)循環(huán)步驟（1），直至第k 次循環(huán)的h1k滿足IMF 的兩個條件時， 將h1k記為c1的第一個IMF 分量.

（3）將第一個IMF 分量c1從原始信號想x（t）中分離出來，得到：

并將r1作為新的信號，用步驟（1）、（2）進(jìn)行分解， 得到c2. 這樣重復(fù)n 次循環(huán)， 直到最后得到rn為單調(diào)函數(shù)時停止. 所以有：

其中：ci表示第i 個IMF 分量，rn為分解的剩余分量.

分量c1，c2，…，cn分別包含了信號從高到低不同頻率段的成分，而且不是等帶寬的[10].

2 壓縮機(jī)振動信號的EMD 分析

對某壓縮機(jī)廠所使用DW-47/1-2.2 型氫氣循環(huán)壓縮機(jī)的機(jī)體進(jìn)行振動信號提取. 將加速度傳感器安裝在壓縮機(jī)氣缸的端蓋上， 采樣頻率為25.6 kHz， 采樣點(diǎn)數(shù)為25 600. 圖1 是往復(fù)式壓縮機(jī)氣缸的振動信號. 由圖1 可知，在往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時候會產(chǎn)生周期性的較為規(guī)律的沖擊. 這是由于往復(fù)式壓縮機(jī)的機(jī)構(gòu)特性產(chǎn)生的，是不可避免的沖擊. 對該原始信號進(jìn)行頻域分析（如圖2）.

圖1 氣缸振動信號

圖2 氣缸振動信號的幅值譜

從信號的幅值譜中可以看到，該段信號有三個比較明顯的峰值頻率：f1=225 Hz、 f2=541 Hz、 f3=783 Hz . 但由于往復(fù)式壓縮機(jī)機(jī)體上的振動信號的振源只有兩個：一種是曲軸旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力與活塞組件往復(fù)運(yùn)動時產(chǎn)生的往復(fù)慣性力的合力，另一種是氣缸缸內(nèi)的壓力產(chǎn)生的氣體力[11-12].那么上述的三個峰值頻率中，只有兩個峰值頻率是機(jī)械力和氣體力振動的頻率， 剩下的一個峰值頻率，推測其為其他噪聲的干擾頻率.

對壓縮機(jī)氣缸的振動的原始信號進(jìn)行EMD 分解， 能得到一共14 階的IMF 分量. 圖3 從上到下依次為截取的氣缸振動信號的前八階固有模態(tài)函數(shù)c1～c8. 由圖3 可知，1～6 階的IMF 分量都趨于一個簡單振蕩信號. 7、8 階的IMF 分量趨于正弦衰減. 對于趨于正弦衰減固有模態(tài)函數(shù)，由于其無明顯的振蕩峰值，故不做研究. 因此，對第8 階以后IMF 分量做進(jìn)一步的研究意義不大. 故選擇對前8階的IMF 分量做進(jìn)一步的分析， 找出其中有用的IMF 分量.

圖3 氣缸振動信號的EMD 分解結(jié)果

對經(jīng)過EMD 分解后的前8 階IMF 分量進(jìn)行幅值譜的分析， 從圖4 可以看出，c4這個IMF 分量有一個783 Hz 的峰值頻率. 在c5、c6這兩個IMF 分量上， 都能找到225 Hz 這一峰值頻率. 而f2=541 Hz這一峰值頻率，并未出現(xiàn)在IMF 分量里面，即說明前面的推測正確，f2=541 Hz 為噪聲的干擾頻率.

圖4 EMD 分解結(jié)果的幅值譜

對壓縮機(jī)十字頭的振動信號進(jìn)行頻域分析，如圖5、 圖6 所示. 我們可以看到有一個明顯峰值頻率f=783 Hz. 這一峰值頻率與圖4 中c4這個IMF分量的峰值頻率相對應(yīng). 由此我可以推測， 具有783 Hz 這一峰值頻率的IMF 分量是機(jī)械力所產(chǎn)生的振動分量，其反應(yīng)的故障就是動力學(xué)故障；那么另外兩組，具有225 Hz 這個峰值頻率的IMF 分量就可能是氣體力所產(chǎn)生的振動分量，其反應(yīng)的故障就是熱力學(xué)故障. 由于實(shí)驗(yàn)條件有限，對于氣體力的振動測試的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)階段還沒法完成，需要后續(xù)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步論證.

圖5 十字頭振動信號

圖6 十字頭振動信號的幅值譜

本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步論證EMD 分解方法具有將一個復(fù)雜的非線性非平穩(wěn)的信號根據(jù)其自適應(yīng)的特點(diǎn)分解為不同品頻段上的IMF 分量的特點(diǎn). 根據(jù)往復(fù)式壓縮機(jī)兩種激勵源的頻率分布的差異，將氣缸振動的混合信號通過EMD 方法分解成為不同頻段上的IMF 分量，進(jìn)而通過監(jiān)測不同IMF 分量，來確定往復(fù)式壓縮機(jī)的不同故障來源.

3 結(jié)束語

與旋轉(zhuǎn)機(jī)械相比，往復(fù)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，激勵源多，振動信號包含著太多的非平穩(wěn)性和非線性的成分，因而針對往復(fù)機(jī)械的精確診斷的實(shí)現(xiàn)要困難得多. 文中從往復(fù)式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，根據(jù)其運(yùn)動特性， 分析出氣缸振動信號的激勵源來自兩部分， 即機(jī)械力和氣體壓力兩部分. 由于EMD 分解方法是根據(jù)被分析信號本身的特點(diǎn)，自適應(yīng)地將信號分解為不同頻段上的IMF 分量之和， 從而降低了信號的非平穩(wěn)性、非線性的特性[13-14].

所以根據(jù)氣缸振動信號的兩個振動來源頻率的高低不同，先通過EMD 分解的方式，將氣缸的振動信號分解成若干個IMF 分量的形式. 再對每個IMF 分量進(jìn)行頻域分析， 找出其中比較敏感的幾個IMF 分量， 與測得的機(jī)械力的振動信號的頻譜圖做對比，找出屬于機(jī)械力激勵的那一部分的IMF 分量.然后通過最初氣缸振動信號的頻譜圖的分析，進(jìn)而推斷出屬于氣體力激勵的那一部分IMF 分量. 從而為以后壓縮機(jī)故障診斷提供一個理論上的依據(jù)：對測得氣缸振動信號做EMD 分解， 通過監(jiān)測不同的IMF 分量，獲取往復(fù)式壓縮機(jī)不同的故障信息.

[1] Hanlon Paul C. 壓縮機(jī)手冊[M]. 郝 點(diǎn)，譯. 北京: 中國石化出版社，2003.

[2] 丁 康，陳健林，蘇向榮. 平穩(wěn)和非平穩(wěn)振動信號的若干處理方法及發(fā)展[J]. 振動工程學(xué)報(bào)，2003，16(1):1-10.

[3] 任全民，馬孝江，苗 剛，等. 局域波法和高階統(tǒng)計(jì)量在壓縮機(jī)氣閥狀態(tài)監(jiān)測中應(yīng)用[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，47(1):45-49.

[4] 俞和玉. 往復(fù)式壓縮機(jī)狀態(tài)綜合監(jiān)控的研究[D]. 蘭州:蘭州理工大學(xué)，2010.

[5] 程 明. 基于振動測試的往復(fù)式壓縮機(jī)的故障診斷[J]. 現(xiàn)代機(jī)械，2010(6):89-90.

[6] 李旭朋. 往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥故障診斷的小波包分析方法[D]. 北京:北京化工大學(xué)，2008.

[7] 焦衛(wèi)東，朱友劍. 基于EMD 的軸承故障包絡(luò)譜分析[J]. 軸承，2009(1):47-49.

[8] Huang N E, Shen Z, Long S R, et al. The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and nonstationary time series analysis[J]. Proceedings of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 1998, 454(1971): 903-995.

[9] Huang N E, Wu M L C, Long S R, et al. A confidence limit for the empirical mode decomposition and Hilbert spectral analysis [J].Proceedings of the Royal Society of London.Series A:Mathematical,Physical and Engineering Sciences,2003,459(2037):2317-2345.

[10] 張國新，蔡改貧，朱家俊. 基于EMD 與自回歸譜的往復(fù)壓縮機(jī)氣閥故障診斷[J]. 煤礦機(jī)械，2007，28(10):192-193.

[12] 苗 剛. 往復(fù)活塞式壓縮機(jī)關(guān)鍵部件的故障診斷方法研究及應(yīng)用[D]. 大連:大連理工大學(xué)，2006.

[13] 別峰峰. 基于局域波時頻譜的往復(fù)機(jī)故障智能診斷方法研究[D].大連:大連理工大學(xué)，2008.

[14] 毛仲強(qiáng)，趙秀梅，崔厚璽，等. 基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的功率譜分析法診斷往復(fù)壓縮機(jī)氣閥故障[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2008，8(6):1610-1612.