冲击传感器的应用研究

0 引 言

往复压缩机的机械故障诊断是一个引起广泛关注的研究课题。往复式压缩机的工况与旋转式压缩机有很大差别，用于离心机的传统振动监测和分析技术，不能成功地用于往复机。美国南加里佛尼亚洲一家工厂有五台大型往复压缩机，几年前，其中一台压缩机发生连杆断裂的严重事故，但传统的振动检测系统却没有发出预警信号。国内工业现场大型往复压缩机的重大事故也发生过多起，仅南京某厂从1996年以来，共发生了12起活塞杆断裂事故，平均每年发生一起。往复压缩机没有状态监测系统以及使用不可靠的监测系统的状况不能再继续下去，必须寻找一种更好的检测方法来防止事故重复发生。在此提出使用冲击传感器来检测机械松动，进而防止因松动进一步扩展所带来的部件裂缝甚至断裂的严重后果。冲击传感器开辟了监测往复机以及类似机器机械故障的一种全新思路，具有很好的发展前景。

1 IT6810系列冲击传感器的工作原理

旋转式压缩机的振动信号带有一种相对稳定的模式，而往复机的振动信号含有大量暂态的、不稳定的、瞬变的冲击成分，试图准确分析每一个成分对应于什么机理是一件很困难的工作。冲击传感器的思路是，所有这些暂态的、不稳定的、瞬变的成分本身能否用来构成一种新的有效的监测模式，也就是不再沿用旋转式压缩机检测稳态模式的方法，而是检测往复机所独有的换向运动所产生的冲击，通过冲击的程度来预示可能存在的螺栓松动、间隙增大、阀片裂缝，以及很多往复机通常可能发生的失效形式。

这样一种假设是合乎逻辑的：在正常情况下，往复机应当具有某种冲击"模式"。这种冲击模式是指在一段给定时间内发生冲击事件的幅度和次数。偏离正常状态时，例如螺栓或配合处发生松动、运动部件内部出现裂缝等，都将导致冲击模式的明显变化。正常模式的确定在一定程度上带有经验数据的性质，而不是通过理论推算而来，但在实践中被证明是可行的。在这一点上，很像最初靠富有经验的技术人员或工人，用一根铁棒敲敲打打，再用耳朵倾听机器内部的声音来确定机器的运行状态一样，方法看起来很古老，但却有效。冲击传感器用来感受高幅度、短时间的尖脉冲，这个特点表征了往复机中存在的大多数潜在的问题。这些尖脉冲在稳定状态振动信号的总能量中并不占有明显的比重，它们在用于检测旋转式压缩机的传统信号处理的过程中往往显现不出来。而在冲击传感器中，专门的峰值检测电路在规定的时间长度内捕捉和计算超出阈值的冲击事件的次数，这种记数方法在实践中被证明是非常可靠的，从而形成了冲击传感器的工作原理。

2 冲击传感器的安装与设置

2．1 冲击传感器选型

南京一大型石油化工股份有限公司芳烃厂的GB302D氢气压缩机是一台二级四缸、卧式、H型对称平衡往复式活塞压缩机。为了检测包括机械松动以及由此引发的连杆断裂等严重事故在内的压缩机不正常工作状态，决定安装美国METRIX公司于2005年推出的冲击传感器。由于生产现场有防爆要求，故选用了带防爆盒的IT6812型传感器。

2．2 冲击传感器安装

由于冲击传感器用来辨别诸如松动、裂缝、断裂等状况，故在GB302D往复压缩机4个缸的十字头滑道箱外壳上各布置1个，安装方向垂直于连杆的运动方向，用以测量往复机因连杆螺母松动、连杆断裂等故障所引发的冲击烈度。图1为可供选择的安装位置图，图2为现场安装照片。

　
2．3 冲击传感器内部结构和主要参数

冲击传感器把新的测量方法和常规4～20 mA回路供电传感器技术结合在一起(见图3)。


它有一个内部压电晶体敏感元件，并使用一个定时功能作为烈度检测的一部分。一个冲击事件计数器和存储单元用来记录达到预设的幅度阈值等级的事件。4～20 mA信号对应于在一个称作复位时间的预设时间窗口内发生的超过阈值等级的冲击事件的次数。电流回路负载电阻的典型数值是，在用于PLC、监视器或DCS的场合中分别为50 Ω，100 Ω或250 Ω。最大电阻值RLmax是供电电压值的函数：


传感器规范的主要内容为：输出电流：4～20 mA，两线；冲击范围：在0．8～3．2 s的时间范围内，输出正比于冲击次数，16次冲击对应20 mA；冲击阈值：50～1 200 mV；回路供电电压：直流(VDC)15～30 V。

2．4 冲击传感器设置

在传感器完成安装，压缩机正常工作的情况下，即可进行阈值设定。调节传感器参数的测试电路如图4所示，要注意在测试模式下冲击传感器的电源连接极性和正常运行模式正好是相反的。250 Ω电阻用于将电流脉冲转换成电压脉冲，以便在示波器上显示。调节工作也可以借助于一个手持的6850冲击仪进行，该冲击仪通过专用插座连接到冲击传感器上。6850冲击仪带有一个视窗，可以显示由冲击传感器产生的供阈值设定用的脉冲和机器的振动峰值，以及供复位时间设定用的脉冲周期(见图5)，同时也提供电源。旋转传感器上的两个调节螺钉，可以改变脉冲周期和脉冲高度。