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。

    (1)设定复位时间。图5中的脉冲周期，即从第1个脉冲的上升沿到第2个脉冲的上升沿的长度代表复位时间。复位时间(0．8～3．2 s)的确定取决于压缩机的旋转速度，GB302D机的速度是300 r／min，属于低速范围，复位时间应设定为3．2 s。时间值可以通过视窗上的刻度读出。
    (2)设定冲击阈值。图5中两个脉冲的高度代表阈值大小，阈值的设定取决于振动峰值的大小。机器振动信号仅在测试模式下才显示出来。在测试模式下，6850冲击仪可以显示每个时间周期内以mV为单位的振动脉冲的峰值电压，并计算和显示出最大值。在随后的时间周期内，如果最大峰值电压大于前一周期的值，则显示值将会随之增加；如果最大峰值电压有所减小，但仍大于前一周期最大峰值电压的1／2，则显示值维持不变，只有当随后周期内的最大峰值电压不足前一周期最大峰值电压的1／2时，显示值才会减小。这种显示方式的好处是尽可能保持峰值电压的相对稳定，便于设定冲击阈值。冲击阈值一般设定为振动信号峰值的2～3倍，如果机器已经存在轻微的松动，则阈值设置应稍低一些。
    (3)4～20 mA电流的测量，此时冲击传感器进入正常工作模式。6850冲击仪可以读出由冲击传感器产生的电流值。电流值与冲击次数的关系是：在3．2 s的时间内，如果没有发生超过阈值的冲击事件，传感器输出4 mA，每增加1次超过阈值的冲击事件，输出增加1 mA，一直到发生16次以上超过阈值的冲击事件，传感器输出20 mA。电流输出的改变发生在每次复位时间周期的结束时刻，但是如果发生16次以上超过阈值的冲击事件，则电流立即上升至20 mA，而不是等到时间周期结束，这是出于往复机运行安全的考虑。

3 应用情况
    冲击事件超出允许范围的报警电流值可以按不同应用自行设定，例如早期预警可以设定为8 mA(4次超出阈值的冲击事件)，紧急警报可以设定为12 mA(8次超出阈值的冲击事件)。阈值设定值与报警电流值存在一定关系，如果阈值设置得较低，那么报警电流值应设置得较高些。为了积累运行经验，不要过早地把报警信号和压缩机的运行直接采用机械连锁，而是把报警形式设计为在上位机主页面上用不同颜色显示越界的撞击事件次数，以引起工作人员注意。另外，可以在压缩机参数分析页面中的趋势分析菜单下，展示压缩机4个汽缸包括冲击次数在内的特征参数的历史走向，改变显示区下方的滑块位置，可以检查不同日期和时间超出阈值的冲击次数。
    在监测系统运行初期，曾发生两次报警信号，一次是由于传感器防爆盒的盖子松动引发的，压缩机的整机振动带动防爆盒盖子和盒体发生断断续续的冲击，使得该气缸的传感器输出时大时小，把盖子拧紧后传感器输出恢复正常，这说明冲击传感器非常灵敏。另一次则真正与压缩机运行状况有关，即GB302D机3号缸的冲击事件指示数明显比其他缸高，后经工作人员证实，该缸的十字头确实略有松动，这说明传感器工作正常，并正常发挥了监测作用。

4 结 语
    从初步使用情况中发现，冲击传感器对冲击事件很敏感，非常适合于监测机械松动、阀片裂缝、螺栓连杆断裂前兆等诸如此类的机械故障，由此构成的监测系统，有望预防往复压缩机以及同类机器严重事故的发生，具有明显的安全和经济效应。