沖擊傳感器的應(yīng)用研究

　0 引 言

　　往復(fù)壓縮機(jī)的機(jī)械故障診斷是一個(gè)引起廣泛關(guān)注的研究課題。往復(fù)式壓縮機(jī)的工況與旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)有很大差別，用于離心機(jī)的傳統(tǒng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)和分析技術(shù)，不能成功地用于往復(fù)機(jī)。美國(guó)南加里佛尼亞洲一家工廠有五臺(tái)大型往復(fù)壓縮機(jī)，幾年前，其中一臺(tái)壓縮機(jī)發(fā)生連桿斷裂的嚴(yán)重事故，但傳統(tǒng)的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)卻沒(méi)有發(fā)出預(yù)警信號(hào)。國(guó)內(nèi)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大型往復(fù)壓縮機(jī)的重大事故也發(fā)生過(guò)多起，僅南京某廠從1996年以來(lái)，共發(fā)生了12起活塞桿斷裂事故，平均每年發(fā)生一起。往復(fù)壓縮機(jī)沒(méi)有狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及使用不可靠的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的狀況不能再繼續(xù)下去，必須尋找一種更好的檢測(cè)方法來(lái)防止事故重復(fù)發(fā)生。在此提出使用沖擊傳感器來(lái)檢測(cè)機(jī)械松動(dòng)，進(jìn)而防止因松動(dòng)進(jìn)一步擴(kuò)展所帶來(lái)的部件裂縫甚至斷裂的嚴(yán)重后果。沖擊傳感器開(kāi)辟了監(jiān)測(cè)往復(fù)機(jī)以及類似機(jī)器機(jī)械故障的一種全新思路，具有很好的發(fā)展前景。

　　1 IT6810系列沖擊傳感器的工作原理

　　旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的振動(dòng)信號(hào)帶有一種相對(duì)穩(wěn)定的模式，而往復(fù)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)含有大量暫態(tài)的、不穩(wěn)定的、瞬變的沖擊成分，試圖準(zhǔn)確分析每一個(gè)成分對(duì)應(yīng)于什么機(jī)理是一件很困難的工作。沖擊傳感器的思路是，所有這些暫態(tài)的、不穩(wěn)定的、瞬變的成分本身能否用來(lái)構(gòu)成一種新的有效的監(jiān)測(cè)模式，也就是不再沿用旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)檢測(cè)穩(wěn)態(tài)模式的方法，而是檢測(cè)往復(fù)機(jī)所獨(dú)有的換向運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊，通過(guò)沖擊的程度來(lái)預(yù)示可能存在的螺栓松動(dòng)、間隙增大、閥片裂縫，以及很多往復(fù)機(jī)通?？赡馨l(fā)生的失效形式。

　　這樣一種假設(shè)是合乎邏輯的：在正常情況下，往復(fù)機(jī)應(yīng)當(dāng)具有某種沖擊“模式”。這種沖擊模式是指在一段給定時(shí)間內(nèi)發(fā)生沖擊事件的幅度和次數(shù)。偏離正常狀態(tài)時(shí)，例如螺栓或配合處發(fā)生松動(dòng)、運(yùn)動(dòng)部件內(nèi)部出現(xiàn)裂縫等，都將導(dǎo)致沖擊模式的明顯變化。正常模式的確定在一定程度上帶有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的性質(zhì)，而不是通過(guò)理論推算而來(lái)，但在實(shí)踐中被證明是可行的。在這一點(diǎn)上，很像最初靠富有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員或工人，用一根鐵棒敲敲打打，再用耳朵傾聽(tīng)機(jī)器內(nèi)部的聲音來(lái)確定機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)一樣，方法看起來(lái)很古老，但卻有效。沖擊傳感器用來(lái)感受高幅度、短時(shí)間的尖脈沖，這個(gè)特點(diǎn)表征了往復(fù)機(jī)中存在的大多數(shù)潛在的問(wèn)題。這些尖脈沖在穩(wěn)定狀態(tài)振動(dòng)信號(hào)的總能量中并不占有明顯的比重，它們?cè)谟糜跈z測(cè)旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的傳統(tǒng)信號(hào)處理的過(guò)程中往往顯現(xiàn)不出來(lái)。而在沖擊傳感器中，專門的峰值檢測(cè)電路在規(guī)定的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)捕捉和計(jì)算超出閾值的沖擊事件的次數(shù)，這種記數(shù)方法在實(shí)踐中被證明是非?？煽康?，從而形成了沖擊傳感器的工作原理。

　　2 沖擊傳感器的安裝與設(shè)置

　　2．1 沖擊傳感器選型

　　南京一大型石油化工股份有限公司芳烴廠的GB302D氫氣壓縮機(jī)是一臺(tái)二級(jí)四缸、臥式、H型對(duì)稱平衡往復(fù)式活塞壓縮機(jī)。為了檢測(cè)包括機(jī)械松動(dòng)以及由此引發(fā)的連桿斷裂等嚴(yán)重事故在內(nèi)的壓縮機(jī)不正常工作狀態(tài)，決定安裝美國(guó)METRIX公司于2005年推出的沖擊傳感器。由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有防爆要求，故選用了帶防爆盒的IT6812型傳感器。

　　2．2 沖擊傳感器安裝

　　由于沖擊傳感器用來(lái)辨別諸如松動(dòng)、裂縫、斷裂等狀況，故在GB302D往復(fù)壓縮機(jī)4個(gè)缸的十字頭滑道箱外殼上各布置1個(gè)，安裝方向垂直于連桿的運(yùn)動(dòng)方向，用以測(cè)量往復(fù)機(jī)因連桿螺母松動(dòng)、連桿斷裂等故障所引發(fā)的沖擊烈度。圖1為可供選擇的安裝位置圖，圖2為現(xiàn)場(chǎng)安裝照片。

　　2．3 沖擊傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)

　　沖擊傳感器把新的測(cè)量方法和常規(guī)4～20 mA回路供電傳感器技術(shù)結(jié)合在一起(見(jiàn)圖3)。

　　它有一個(gè)內(nèi)部壓電晶體敏感元件，并使用一個(gè)定時(shí)功能作為烈度檢測(cè)的一部分。一個(gè)沖擊事件計(jì)數(shù)器和存儲(chǔ)單元用來(lái)記錄達(dá)到預(yù)設(shè)的幅度閾值等級(jí)的事件。4～20 mA信號(hào)對(duì)應(yīng)于在一個(gè)稱作復(fù)位時(shí)間的預(yù)設(shè)時(shí)間窗口內(nèi)發(fā)生的超過(guò)閾值等級(jí)的沖擊事件的次數(shù)。電流回路負(fù)載電阻的典型數(shù)值是，在用于PLC、監(jiān)視器或DCS的場(chǎng)合中分別為50 Ω，100 Ω或250 Ω。最大電阻值RLmax是供電電壓值的函數(shù)：

　　傳感器規(guī)范的主要內(nèi)容為：輸出電流：4～20 mA，兩線；沖擊范圍：在0．8～3．2 s的時(shí)間范圍內(nèi)，輸出正比于沖擊次數(shù)，16次沖擊對(duì)應(yīng)20 mA；沖擊閾值：50～1 200 mV；回路供電電壓：直流(VDC)15～30 V。

　　2．4 沖擊傳感器設(shè)置

　　在傳感器完成安裝，壓縮機(jī)正常工作的情況下，即可進(jìn)行閾值設(shè)定。調(diào)節(jié)傳感器參數(shù)的測(cè)試電路如圖4所示，要注意在測(cè)試模式下沖擊傳感器的電源連接極性和正常運(yùn)行模式正好是相反的。250 Ω電阻用于將電流脈沖轉(zhuǎn)換成電壓脈沖，以便在示波器上顯示。調(diào)節(jié)工作也可以借助于一個(gè)手持的6850沖擊儀進(jìn)行，該沖擊儀通過(guò)專用插座連接到?jīng)_擊傳感器上。6850沖擊儀帶有一個(gè)視窗，可以顯示由沖擊傳感器產(chǎn)生的供閾值設(shè)定用的脈沖和機(jī)器的振動(dòng)峰值，以及供復(fù)位時(shí)間設(shè)定用的脈沖周期(見(jiàn)圖5)，同時(shí)也提供電源。旋轉(zhuǎn)傳感器上的兩個(gè)調(diào)節(jié)螺釘，可以改變脈沖周期和脈沖高度。

　(1)設(shè)定復(fù)位時(shí)間。圖5中的脈沖周期，即從第1個(gè)脈沖的上升沿到第2個(gè)脈沖的上升沿的長(zhǎng)度代表復(fù)位時(shí)間。復(fù)位時(shí)間(0．8～3．2 s)的確定取決于壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，GB302D機(jī)的速度是300 r／min，屬于低速范圍，復(fù)位時(shí)間應(yīng)設(shè)定為3．2 s。時(shí)間值可以通過(guò)視窗上的刻度讀出。

　　(2)設(shè)定沖擊閾值。圖5中兩個(gè)脈沖的高度代表閾值大小，閾值的設(shè)定取決于振動(dòng)峰值的大小。機(jī)器振動(dòng)信號(hào)僅在測(cè)試模式下才顯示出來(lái)。在測(cè)試模式下，6850沖擊儀可以顯示每個(gè)時(shí)間周期內(nèi)以mV為單位的振動(dòng)脈沖的峰值電壓，并計(jì)算和顯示出最大值。在隨后的時(shí)間周期內(nèi)，如果最大峰值電壓大于前一周期的值，則顯示值將會(huì)隨之增加；如果最大峰值電壓有所減小，但仍大于前一周期最大峰值電壓的1／2，則顯示值維持不變，只有當(dāng)隨后周期內(nèi)的最大峰值電壓不足前一周期最大峰值電壓的1／2時(shí)，顯示值才會(huì)減小。這種顯示方式的好處是盡可能保持峰值電壓的相對(duì)穩(wěn)定，便于設(shè)定沖擊閾值。沖擊閾值一般設(shè)定為振動(dòng)信號(hào)峰值的2～3倍，如果機(jī)器已經(jīng)存在輕微的松動(dòng)，則閾值設(shè)置應(yīng)稍低一些。

　　(3)4～20 mA電流的測(cè)量，此時(shí)沖擊傳感器進(jìn)入正常工作模式。6850沖擊儀可以讀出由沖擊傳感器產(chǎn)生的電流值。電流值與沖擊次數(shù)的關(guān)系是：在3．2 s的時(shí)間內(nèi)，如果沒(méi)有發(fā)生超過(guò)閾值的沖擊事件，傳感器輸出4 mA，每增加1次超過(guò)閾值的沖擊事件，輸出增加1 mA，一直到發(fā)生16次以上超過(guò)閾值的沖擊事件，傳感器輸出20 mA。電流輸出的改變發(fā)生在每次復(fù)位時(shí)間周期的結(jié)束時(shí)刻，但是如果發(fā)生16次以上超過(guò)閾值的沖擊事件，則電流立即上升至20 mA，而不是等到時(shí)間周期結(jié)束，這是出于往復(fù)機(jī)運(yùn)行安全的考慮。

　　3 應(yīng)用情況

　　沖擊事件超出允許范圍的報(bào)警電流值可以按不同應(yīng)用自行設(shè)定，例如早期預(yù)警可以設(shè)定為8 mA(4次超出閾值的沖擊事件)，緊急警報(bào)可以設(shè)定為12 mA(8次超出閾值的沖擊事件)。閾值設(shè)定值與報(bào)警電流值存在一定關(guān)系，如果閾值設(shè)置得較低，那么報(bào)警電流值應(yīng)設(shè)置得較高些。為了積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，不要過(guò)早地把報(bào)警信號(hào)和壓縮機(jī)的運(yùn)行直接采用機(jī)械連鎖，而是把報(bào)警形式設(shè)計(jì)為在上位機(jī)主頁(yè)面上用不同顏色顯示越界的撞擊事件次數(shù)，以引起工作人員注意。另外，可以在壓縮機(jī)參數(shù)分析頁(yè)面中的趨勢(shì)分析菜單下，展示壓縮機(jī)4個(gè)汽缸包括沖擊次數(shù)在內(nèi)的特征參數(shù)的歷史走向，改變顯示區(qū)下方的滑塊位置，可以檢查不同日期和時(shí)間超出閾值的沖擊次數(shù)。

　　在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行初期，曾發(fā)生兩次報(bào)警信號(hào)，一次是由于傳感器防爆盒的蓋子松動(dòng)引發(fā)的，壓縮機(jī)的整機(jī)振動(dòng)帶動(dòng)防爆盒蓋子和盒體發(fā)生斷斷續(xù)續(xù)的沖擊，使得該氣缸的傳感器輸出時(shí)大時(shí)小，把蓋子擰緊后傳感器輸出恢復(fù)正常，這說(shuō)明沖擊傳感器非常靈敏。另一次則真正與壓縮機(jī)運(yùn)行狀況有關(guān)，即GB302D機(jī)3號(hào)缸的沖擊事件指示數(shù)明顯比其他缸高，后經(jīng)工作人員證實(shí)，該缸的十字頭確實(shí)略有松動(dòng)，這說(shuō)明傳感器工作正常，并正常發(fā)揮了監(jiān)測(cè)作用。

　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　從初步使用情況中發(fā)現(xiàn)，沖擊傳感器對(duì)沖擊事件很敏感，非常適合于監(jiān)測(cè)機(jī)械松動(dòng)、閥片裂縫、螺栓連桿斷裂前兆等諸如此類的機(jī)械故障，由此構(gòu)成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有望預(yù)防往復(fù)壓縮機(jī)以及同類機(jī)器嚴(yán)重事故的發(fā)生，具有明顯的安全和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。