状态监测技术在冰机故障诊断中的应用
王鹏
大庆石化公司设备维修中心炼油区维修车间 黑龙江省大庆市163711
摘要：冷却水系统中最关键的设备是系统车间的压缩机制冷装置，核心的设备是冰机。其安全稳定运行是整个系统的关键。当冰机未发生故障运行的参数超过正常值时，需对冰机的各种运行参数进行科学合理的分析，结合设备实际运行情况和设备运行状态监测数据进行综合判断，得到可靠的故障信息，为冰机的安全运行提供可靠保障。
关键词：压缩机；故障诊断；离线；信号处理
1.状态监测与故障分析诊断技术的概述
设备状态监测与故障分析诊断技术包含三个主要环节：状态监测、分析诊断和故障处置。状态监测的任务是在设备运行过程中，通过对可表征设备状态的物理参数进行监测，对其运行状态进行报警、预警和评价；分析诊断是通过对一系列动态参数和静态参数的分析，结合系统内部诊断模型和专家知识库，对可能发生故障的部位、类型及严重程度进行判断，给出明确的信息；故障处置是应用诊断信息进行有针对性的干预处置，并作为信息正确性的反馈。
对于机械设备，机械振动对机械故障的表现程度是最直接的，也是最完整的。当机械设备运行状态正常时，其机械振动的响应也是低能量且平稳的；一旦运行状态发生变化，机械振动的变化往往是最先表现出来的。结合工况变化和环境因素变化，可以得到明确的故障原因信息。
机械设备的故障种类很多，但对设备自身的影响程度不同。有些故障可以在有限制的条件无需处置，有些故障则需要尽快或立即处置，否则可能会导致重大设备连锁事故和经济损失。故障评估和相关的故障处置可以工作流的方式进行管理流转，形成以技术为本源的闭环管理机制。
故障的分析诊断是这个体系中最关键的技术环节，涉及到的关键技术最集中，如状态评价、故障预测预警、故障诊断专家知识库、故障智能诊断、大数据融合分析方法等。机械振动的报警或预警与传统的工艺量不同，往往不能用单一数值作为评价的基准，多是根据信号类型设置的一系列特征量，并综合考虑其变化规律，才能进行准确的报警和预警；故障诊断知识也非单一的机械振动规则，同样融合了工况负荷以及外部环境条件，是典型的一类大数据信息融合应用模式。
2.故障诊断技术
将在线监测技术运用于设备的故障诊断时，能够在设备的运行参数如振动和温度等指标超过设定值时进行预警，在故障的初期采取相应的处理措施，可以调整设备的运行参数避免非计划停车［2～4］。可以定确定的故障部位，有目的和提前准备相应的备件，有效提高检修的效率，从而缩短非计划停车时间，提高生产效率。同时，针对每台设备建立正常运行参数表，提高数值的可比较性。如同1个振动的数值在A设备上可能偏离正常值，需要采取相应的措施，但是在B设备上可能是属于正常的范围。因此，采取在线监测还可以有针对性地利用检测的数据，灵活处理［5］。
3冰机故障诊断
3.1 零部件故障诊断
在系统车间，冰机作为B类设备进行管理，其可靠运行的要求比较高，因此设备一些关键的零部件需要进行重点有效的监测。如曲轴、活塞杆、连杆、气阀、冷却器等，通过这些关键部位进行重点检测，可以有效地防止重大设备事故的发生。
3.2 整机的故障诊断
除主要的零部件进行重点监测外，整机的运行情况也至关重要。可以通过冰机的运行整体功能是否异常，是否存在故障隐患等异常情况，来分析和预测可能的故障，以确定维修方案，这是最主要的判断方式。通常整机的故障诊断指标较为规范，如压力、温度、转速、振动等可以量化的参数。
4 故障诊断实例
4.1 转子除垢造成的不平衡
在设备大检修后，单机试车时出现的强烈振动的情况，在进行解体检修重新组装后，单独试车时出现强烈振动，在转速还很低时振幅便超过了报警值，转速还没有超过第1阶临界转速，冰机的轴振幅就超过了联锁停车值，在当时状况下冰机无法投入正常运转。于是联系状态监测站将振动分析仪器运到现场，对该机进行信号采集与分析。
该次检测时冰机转速在1 560 r/min时轴振幅便已增加到86 μm（联锁值为100 μm）。监测过程及信号处理结果，说明振动信号中的1倍频成分最突出，其1倍基频成分的幅值具有随转速的升高而增加的特点。根据这些特征，并且振动又是发生在解体检修后，而该机转子又恰恰是经过手工除垢后未做动平衡处理便安装上的，此时基本可以判断强烈振动是因转子动平衡精度太差所致。最后的结论是需要再次解体检修，将转子做动平衡再次安装。在对转子进行动平衡处理后再次试车，冰机正常投入运行。
4.2 转子弯曲变形导致不平衡
在设备检修中，发现转子需要更换。使用备用转子进行更换后，开机过程中发现振动剧烈。立刻停机并联系状态监测站进行振动检测和分析。为配合得到状态监测的数据，设备重新开机，但是在冰机的升速工作中，只能短时间带负荷运行，振动值远远大于正常值而引起联锁停车。在实际的数据采集时可以发现，当冰机从停机状态逐渐加速，当转速刚过临界转速时，多处轴承监测处的绝对振动振幅超过设定值。但在设备的工作转速时，振动值减弱。但是提高设备负荷时，振动值明显升高，振动过大使得冰机的壳体也随之振动，只能停机。
机组振动的原因是转子的动不平衡造成。分析判断是由于转子在库房时间较长，未进行盘车，导致转子发生弯曲变形，转子系统弯曲挠度过大，又造成转子与汽缸内静部件的碰磨。因此伴随剧烈的响声。
由于设备的解体检修用时较长，此时可以尝试不解体检修，采用无负荷运转较长时间后，再逐渐加负荷的方式进行开车。实践表明，在工作转速运转1d后，冰机的振动明显减轻。然后再逐渐加负荷，直至设备运行的第5 d，已经能在正常负荷运行。避免了1次无谓的检修，节约了人力物力。同时制定了更为严格的库存转子特别是长而重的转子，必须定期进行盘车的制度。
5 结论
（1）转子不平衡是引起转动设备振动故障的常见故障，但是转子不平衡的故障容易与其他振动故障混淆。在实际的故障维修中，常见原因可能有结垢严重或者除垢后未作动平衡、设备停机时未按要求进行定期盘车、或者转子的叶片脱落等原因造成。
（2）通过在线状态监测的数据可以判断故障类型。同样的振动超标，原因可能有多种，有些振动超标可以通过减负荷运行至正常的检修周期或生产需要停车时再进行检修。
（3）在线状态监测可以在有准备的前提下制定检修方案，在设备未停机时，可以将备件准备好，有助于快速处理故障，减少故障处理时间。
（4）在线状态监测的应用，可以提高检修的准确程度。部分故障采取降速降负荷的方式进行处理，有效减少停车的次数并避免无谓的检修。
参考文献：
［1］朱圣东，邓建，吴家声，等.无油润滑压缩机［M］.北京：机械工业出版社，2000：307-312.
［2］荣吉利，纪常伟，王日新，等.航天器故障诊断专家系统技术的应用和发展［J］.强度与环境，1996（2）：48-59.
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［5］赵铁.往复式压缩机气阀故障诊断的实验研究［D］.西安：西北工业大学，2003.