一种螺杆压缩机状态监测与故障诊断系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种螺杆压缩机状态监测与故障诊断系统，包括加速度传感器、转速传感器、数据采集卡和PC机；所述的加速度传感器和转速传感器分别通过数据线经数据采集卡连接到PC机上。本实用新型实现了对速度、加速度信号的同步采集，能够在PC机上实时显示压缩机测点的转速，以及轴向和径向两个相互垂直方向的振动加速度信息，得到时域波形、频域分析等图谱，形成诊断报告。并且，通过对压缩机六个测点的信号进行分析，能够更加准确的获得其运行状态报告，从而更有利于诊断其是否出现故障以及判别故障类型。能够判断出很多螺杆压缩机故障信息类型，本实用新型能够多方面的进行检测分析。
【专利说明】
一种螺杆压缩机状态监测与故障诊断系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种螺杆压缩机，特别是一种螺杆压缩机的状态监测与故障诊断 技术。
【背景技术】
[0002] 螺杆式压缩机又称为螺杆压缩机，属于旋转机械。其由一对平行、互相啮合的阴、 阳螺杆构成，均具有凹形齿，两者相互反向旋转，是回转压缩机中应用最为广泛的一种。常 见的产品有螺杆式空气压缩机、螺杆式制冷压缩机及螺杆式工艺压缩机。早在20世纪50年 代，就有了喷油螺杆压缩机，当时被应用在制冷装置上。螺杆压缩机结构简单，易损器件少， 能够在较大的压力差或压力比的状况下工作，排气温度低，对制冷剂中含有的大量的润滑 油不敏感，具有良好的输气调节特性，能够被广泛的应用在冷冻、冷藏、空调和化工工艺等 制冷装置上。由于其在工业生产等领域应用较为广泛，也因此得到了快速的发展。
[0003] 由于科学技术的进步，机械工业自动化程度也随之越来越高，先进的设备采用了 大量的高新技术，因此，对这些设备的安全性和可靠性则具有严格的要求。随之，对此类大 型旋转机械设备的监测与诊断技术应运而生。故障诊断技术与当代最新的传感技术、最新 的信号处理技术、非线性原理和方法的相互融合，将虚拟现实技术与实际应用密切结合，从 而促进了监测与诊断的飞速发展。自60年代以来，国内外对此类技术的研究也取得了一定 的成绩。比较有名的例如丹麦B&K公司研发的2500系统和3540系统、美国BENTLY公司研发的 ADRE系统、美国WHEC系统、日本三菱MHM系统以及意大利的SMAV监测系统。并且已为国内企 业例如宝钢、渤海油田、大连石化等配备了大型旋转机组监测保护系统。在国内，此类监测 技术的发展起步于80年代中期，虽然晚于其他国家，但是发展迅速。目前已经开发出一系列 监测及故障诊断系统，例如"20万千瓦的汽车发电机组振动监测与故障诊断系统2HX-10"、 "汽轮机发电机组诊断系统"等。
[0004] 此类监测与诊断技术的发展，能够避免一些不必要的经济损失和恶性事件的发 生，从而降低机器的故障发生率，减少维修费用和维修周期，以达到提高经济效益的目的。 因此，这种监测和诊断机制对机械设备的安全性、可靠性以及经济效益的提高就有了很大 的意义。
[0005] 目前可用于压缩机类的旋转机械进行状态监测和故障诊断的技术方案主要有以 下几种：
[0006] 1、采用单片机芯片与以太网相结合的方法实现。主要是采用多个单片机系统分别 对振动信号和转速信号进行采集，通过RS-232连接到上位机，以计算机作为上位机进行分 析处理。
[0007] 2、在1992年，正式给用户使用的丹麦B&K3540系统，既可以在线监测，也可以进行 离线监测。在线监测过程中，振动信号监测仪2520将在线实时采集的数据发送到振动中心 工作站，二者可通过RS-232、局域网或电话线进行连接;在离线监测时，采用B&K便携式数据 采集仪，把采集到的数据收回至工作站。在该系统中，所有的分析过程均在上位机实现，下 位机主要完成实时数据的采集。
[0008] 3、中国浙江大学监测技术与智能仪器研究所研发的CMD-3系统，通过RS-232将上 位机与前置机连接进行数据通信。前置机的组成是一个主从计算机式的微型计算机系统， 主要完成数据的采集和部分监测，一分钟采集一次参数和振动波形数据，能够独立工作，并 且在上位机进行数据分析。
[0009] 现有技术存在的问题如下：
[0010] 1、采用单片机和以太网结合的方案，由于采用传统的单片机芯片，导致系统只能 实现一些简单数字信号处理和控制。又因为单片机总线结构较为简单和处理能力较弱的制 约，导致单片机不能满足系统对复杂度和实时性的要求，同时也不利于大量的数字信号处 理和系统的独立运行。
[0011] 2、大多数的监测系统难以实现长时间的数据采集，数据的存储量时常受到制约。 数据采集过程中并行采集多路数据信息也很重要，它对故障的诊断有着重要的意义，然而 很多系统难以实现同步数据的采集。大多数的监测系统数据文件保存部分不完善，后期查 询故障时很难进行故障分析。 【实用新型内容】
[0012] 为解决现有技术存在的上述问题，本实用新型要设计一种螺杆压缩机状态监测与 故障诊断系统，以实现以下目的：
[0013] 1、螺杆压缩机传输信号为模拟信号，需要转换成数字或脉冲信号进行采集分析；
[0014] 2、需要同时采集设备运行过程中的转速信息以及轴向和径向方向上的振动信息。 因此，需要设计多通道并行采集，使其能够对压缩机运行时待测点的转速、旋转轴两个方向 上的振动信息进行采集。3、可以获取足够的压缩机运行状态信息，为多方面、多角度分析判 断压缩机的工作状态，在远程PC机上能够实时地、动态地显示现场螺杆压缩机运行情况和 各路传感器采集信号的图形显示提供了可能；
[0015] 4、可以获取压缩机状态信息数据，使得后期可查询历史数据。
[0016] 为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：
[0017] -种螺杆压缩机状态监测与故障诊断系统，包括加速度传感器、转速传感器、数据 采集卡和PC机;所述的加速度传感器和转速传感器分别通过数据线经数据采集卡连接到PC 机上。
[0018] 所述的加速度传感器有两个，分别安装在测点处的同一个横截面位置的外壳上， 一个测轴向方向的振动加速度，另一个测径向方向的振动加速度;所述的转速传感器安装 在电机转轴末端外侧，所述的电机转轴末端设置一个圆盘，且转速传感器激光发射点与圆 盘的圆心在同一水平线上，二者之间的距离为10~20cm，转速传感器激光光束对准圆盘的 平面。
[0019] 进一步地，所述的PC机为安装有螺杆压缩机运行状态的监测和故障分析系统的PC 机。
[0020] 进一步地，所述的加速度传感器为CT1005L ICP/IEPE压电加速度传感器。
[0021 ] 进一步地，所述的转速传感器为SZGB-7型光电转速传感器。
[0022]进一步地，所述的数据采集卡为NI 9234数据采集卡。
[0023] 进一步地，所述的圆盘为环形圆盘，环形圆盘的外圆弧上设置凹槽。
[0024] 进一步地，所述的加速度传感器通过强磁底座安装到测点处。
[0025] 与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
[0026] 1、由于本实用新型选用NI 9234数据采集卡，其内部置有24位A/D模数转换器，直 接将采集的模拟信号转化成实时的数字信号；
[0027] 2、由于本实用新型采用多通道共享模式，设置通道口循环快速扫描采样，减少了 采集延迟时间；选用的NI 9234采集卡具有四个模拟输入通道，能够实现三个通道并行采 集；
【附图说明】
[0028] 图1为螺杆压缩机的六个测点示意图。
[0029]图2为本实用新型的结构示意图。
[0030]图3为传感器安装示意图。
[0031]图4为带有凹槽环形圆盘的平面图。
[0032]图5为本实用新型设计方案框图。
[0033]图6为本实用新型功能结构原理图。
[0034]图7为参数设置界面。
[0035]图8为时域分析界面。
[0036]图9为频域分析界面。
[0037]图10为数据分析处理界面。
[0038]图11为数据显示界面。
[0039] 图中：1、圆盘，2、加速度传感器，3、转速传感器，4、主动轴，5、从动轴，6、第一测点， 7、第二测点，8、第三测点，9、第四测点，10、第五测点，11、第六测点，12、数据采集卡，13、PC 机。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合附图对本实用新型进行进一步地描述。
[0041] 如图1-4所示，一种螺杆压缩机状态监测与故障诊断系统，包括加速度传感器2、转 速传感器3、数据采集卡12和PC机13;所述的加速度传感器2和转速传感器3分别通过数据线 经数据采集卡12连接到PC机13上。
[0042] 所述的加速度传感器2有两个，分别安装在测点处的同一个横截面位置的外壳上， 一个测轴向方向的振动加速度，另一个测径向方向的振动加速度;所述的转速传感器3安装 在电机转轴末端外侧，所述的电机转轴末端设置一个圆盘1，且转速传感器3激光发射点与 圆盘1的圆心在同一水平线上，二者之间的距离为10~20cm，转速传感器3激光光束对准圆 盘1的平面。
[0043] 进一步地，所述的PC机13为安装有螺杆压缩机运行状态的监测和故障分析系统的 PC机。
[0044] 进一步地，所述的加速度传感器2为CT1005L ICP/IEPE压电加速度传感器。
[0045] 进一步地，所述的转速传感器3为SZGB-7型光电转速传感器。
[0046] 进一步地，所述的数据采集卡12为NI 9234数据采集卡。
[0047] 进一步地，所述的圆盘1为环形圆盘1，环形圆盘1的外圆弧上设置凹槽。
[0048] 进一步地，所述的加速度传感器2通过强磁底座安装到测点处。
[0049] 如图1-11所示，本实用新型的工作方法，包括以下步骤：
[0050] A、布置加速度信息采集点
[0051] 根据监测计划，分时段循环将加速度传感器2安装在第一测点6至第六测点11上； 第一测点6为电机的外壳上;第二测点7为压缩机与电机的连接器外壳上;第三测点8为压缩 机主动轴4的输入端机器外壳部位;第四测点9为压缩机从动轴5与连接器端相连的机器外 壳部位;第五测点10为压缩机主动轴4末端轴承处;第六测点11为压缩机从动轴5的末端轴 承处。
[0052] B、采集信息
[0053] 利用加速度传感器2采集螺杆压缩机的运行状态信息，即压缩机的旋转轴转速和 同一测点上的轴向和径向方向上的振动加速度信号；加速度信号为电压信号，通过数据采 集卡12进行模数转换，把采集到的电压变化信息传送到PC机13上形成加速度信息。
[0054] 利用转速传感器3监测转速，采用非接触方式采集转速信号，通过圆盘1的凹槽作 为转速传感器3的触发标志，获得一系列的脉冲信号，通过数据采集卡12进行模数转换，把 采集到的脉冲信息传送到PC机13上形成转速信息，直接以显示控件显示。采集到的转速信 息和两个方向的加速度信息能够在图11所示的界面内进行实时记录。
[0055] C、分析信息
[0056] PC机13采用LabVIEW虚拟仪器设计实现。在开始分析数据时需要先识别无效数据， 会出现"滑雪坡"曲线，即直流偏移量，通过设置多采样数，使得稳定时间延长，从而减小干 扰。因此设有如图7所示的参数设置界面，分别在数据采集之前对采样率、采样参数以及传 感器灵敏度进行设置。接下来需要经过处理得到时域波形谱、频谱、自功率谱、自相关谱、互 相关谱、轴心轨迹和三维瀑布图等。
[0057] 1、轴心轨迹:根据得到的两个方向的振动加速度信息，利用簇函数将两个加速度 信号进行整合连接，当两个方向的振动强度相等时，则形成规则圆，否则呈椭圆。如图10中 所示，含有轴心轨迹界面。轴心轨迹显示的是轴心在轴承内的移动情况。
[0058] 2、时域波形:将采集的两个方向的振动加速度信息直接连接波形图控件，可观察 到时间、相位和幅值信息，形成实时波形。如图8所示，即能获得转速数值以及两个方向的振 动加速度波形。
[0059] 3、如图9所示，含有自功率谱和频谱分析波形。以下分别对二者进行分析：（1)、频 谱：按下式计算时间信号的FFT，使时间信号的当前FFT频谱与前一次平均过程重置后的最 后一次计算得到的FFT频谱进行平均，返回平均频谱的幅度和相位。Fs为采样频率，采样点 数为N，经过FFT之后就是一个为N点的复数，每一个点对应一个频率点，通过计算各个点频 率值组合成频谱：
[0060] Fn=(n_l)*Fs/N
[0061] Fn能分辨到的频率为Fs/N。若出现两倍行频分量则可能出现转轴偏心的问题。 (2)、自功率谱:输入信号为时域信号，通过以下函数式进行计算：
[0062] 功率谱
[0063 ] η是信号中点的个数，*表示复共辄。经过自功率函数控件计算后，逐点绘制成自功 率谱，在波形图中显示。
[0064] 4、如图10所示，为数据分析界面，其中含有自相关波形、互相关波形、轴心轨迹、瀑 布图等分析图谱。
[0065] (1)、自相关和互相关分析谱：函数x(t)的自相关Rxx(t)定义如下： 〇〇
[0066] i?xx (t) = x (t)?x [χ{τ)χ{?·^-τ)?? -'CG
[0067] 珍代表相关，测得两个方向的振动加速度分析后的自相关谱，能够描述时域的变化 状态。互相关分析计算得到两个时域之间的协方差，从而得到两个方向的振动加速度在不 同位置上的匹配程度。若匹配程度较低，则说明转轴出现问题，否则没有问题。
[0068] (2)、瀑布图：直接利用三维瀑布图控件，分别将两个方向的加速度信号和转速信 号作为x、y、z三个方向进行三维绘制，则可得到关于三者的立体变化图。若立体图不规则， 说明转轴出现问题，可能出现偏离或者弯曲的故障。
[0069] 本实用新型的设计使得硬件采集部分与PC机软件分析部分紧密结合，利用加速度 传感器2分别对压缩机的不同测点进行监测，即可得到各组测点的运行状态信息及诊断结 果。
[0070] 本实用新型需要同时采集设备运行过程中的转速信息以及轴向和径向方向上的 振动信息。因此，需要设计多通道并行采集，使其能够对压缩机运行时待测点的转速、旋转 轴两个方向上的振动信息进行综合分析处理，从而得到分析所需要的图谱。
[0071] 由于本实用新型PC机设置高采样率、高灵敏度，使得采集到的信号形成准确的波 形图谱。本实用新型对信号进行了 FFT功率谱、FFT功率谱密度、FFT幅值谱和FFT相位谱分 析，主要是通过快速傅里叶变换以及汉明窗等函数的应用形成清晰的图谱，并形成轴心轨 迹和瀑布图；利用轴系同一截面上两路相互垂直的振动信号合成轴心轨迹来监测其运行状 态和故障类型，而瀑布图和趋势分析主要是根据其分析压缩机的状态的运行情况。即实现 了实时显示数据信息，也实现了多方面、多角度的对设备进行工作状态分析。
[0072]由于本实用新型在PC机设置了数据库系统，通过LabVIEW设置显示表格，并设置1/ 〇文件输出路径，将采集的数据以文件形式保存，可用于历史故障分析。
[0073] 综上所述，本实用新型实现了对转速、加速度信号的同步采集，能够在PC机上实时 显示压缩机测点的转速，以及相互垂直方向的振动加速度信息，得到时域波形、频域分析等 图谱，形成诊断报告。并且，通过对压缩机六个测点的信号进行分析，能够更加准确的获得 其运行状态报告，从而更有利于诊断其是否出现故障以及判别故障类型。能够判断出很多 螺杆压缩机故障信息类型，例如轴承损坏或转子故障、部件出现松动、扇叶损坏、电机或主 机轴承损坏、压缩机组基础地脚松动或在本区域内有其他设备与机组产生共振等问题。本 实用新型能够多方面的进行监测分析。
[0074] 本实用新型不局限于本实施例，任何在本实用新型披露的技术范围内的等同构思 或者改变，均列为本实用新型的保护范围。
【主权项】
1. 一种螺杆压缩机状态监测与故障诊断系统，其特征在于:包括加速度传感器(2)、转 速传感器(3 )、数据采集卡（12)和PC机(13);所述的加速度传感器(2)和转速传感器(3)分别 通过数据线经数据采集卡(12)连接到PC机(13)上； 所述的加速度传感器(2)有两个，分别安装在测点处的同一个横截面位置的外壳上，一 个测轴向方向的振动加速度，另一个测径向方向的振动加速度;所述的转速传感器(3)安装 在电机转轴末端外侧，所述的电机转轴末端设置一个圆盘（1)，且转速传感器(3)激光发射 点与圆盘（1)的圆心在同一水平线上，二者之间的距离为10~20cm，转速传感器(3)激光光 束对准圆盘(1)的平面。2. 根据权利要求1所述的一种螺杆压缩机状态监测与故障诊断系统，其特征在于:所述 的加速度传感器(2)为CT1005L ICP/IEPE压电加速度传感器。3. 根据权利要求1所述的一种螺杆压缩机状态监测与故障诊断系统，其特征在于:所述 的转速传感器(3)为SZGB-7型光电转速传感器。4. 根据权利要求1所述的一种螺杆压缩机状态监测与故障诊断系统，其特征在于:所述 的数据采集卡（12)为NI 9234数据采集卡。5. 根据权利要求1所述的一种螺杆压缩机状态监测与故障诊断系统，其特征在于:所述 的圆盘(1)为环形圆盘(1)，环形圆盘(1)的外圆弧上设置凹槽。6. 根据权利要求1所述的一种螺杆压缩机状态监测与故障诊断系统，其特征在于:所述 的加速度传感器(2)通过强磁底座安装到测点处。
【文档编号】F04C28/28GK205714773SQ201620554943
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】赵凤强, 王峰
【申请人】大连民族大学