基于红外热像及反演算法的气缸故障诊断.pdf

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1、172化工机械2013年基于红外热像及反演算法的气缸故障诊断张思阳4∽徐敏强1高晶波1(1．哈尔滨工业大学航天学院；2．中国石油哈尔滨石化分公司)摘要对往复压缩机气缸故障诊断提出新思路，利用红外热像技术，对往复压缩机气缸进行热力学模型分析。公式推导，通过导热反问题反演计算出气缸外部温度变化时内部温度场的变化。红外热像图可以详细测量每一点的温度变化，并由历史数据对比发现问题，分析气缸内部温度升高的故障原因，找到故障部件，给出机组维修策略。关键词往复压缩机气缸故障诊断红外热像中图分类号TQ051．21文献标识码A文章编号0254-6094(2013)02．0172舭往复压缩机

2、气缸故障诊断常规方法主要有压力信号提取方法¨。1，如利用P．V图判断机组气缸故障。此方法因需要在压缩机气缸上安装压力传感器，实施难度很大。气缸故障诊断方法还可以通过振动方法基于混沌理论卜。来检测气缸的故障，气缸的故障越严重，则混沌性越明显。其他还可以通过声发射技术来进行诊断。这些方法都需要安装一些设备来对振动、声音信号等进行监测，实施存在一定难度。往复压缩机在运动时无论是压缩气体做功还是部件间的摩擦都会产生一定热量，因此可以考虑利用红外热像监测技术对压缩机气缸进行诊断。红外热像技术目前应用较多的领域是土木工程、医学及军事等领域"’61。红外热像监测技术对机械设备，尤其是对

3、往复机的故障诊断在国内外还是一项空白，随着热像精度的不断提高，采用红外热像诊断往复机械故障有其直观性和全局性，应用前景可观。在往复压缩机的气缸外壁采集红外热像云图来监测缸体外壁温度变化信息，通过物理模型结合反热问题计算、分析物体内部温度场变化，判断机组是否存在故障。红外热像监测技术的最大优点是测温范围广、操作方便，直接测量相关设备外壁温度，不需要打开设备就可以分析出部件的状态，对设备无任何破坏，通用性强，节约成本，问题反映直观。尤其是对往复压缩机气缸等通过采取振动、温度、压力及声音等方法分析困难的故障可以通过红外热像技术进行测量和分析。1建模及测量1．1基本思想往复压缩机

4、运行时，气缸内部温度无法直接获得，通过对其气缸外壁扫描可形成表面物体轮廓热像。考虑到测量精度的影响因素，对热像数据进行修正，反算出内部温度。图像数据分析可以采用矩阵法、聚类等方法。计算出局部最大温度、温度变化量、温度与指标对比情况、温度变化趋势，根据数据库温度、历史温度，可以分析设备各点状态。并根据物体运行特点及结构形式找到关注的温度点，如温度最高点、机组关键点和可能的故障点。通过与历史数据对比，根据各点的温度变化情况来确定检测部件是否存在故障。通过所测机组的形状、内部结构和材料性质建模利用的传热方程，当外界温度变化时反演内部温度，包括局部高温点、损坏区、热传导范围、程度

5、、介质影响、对各部件及机组的影响等。并在机组解体维修时，通过实际情况进行对照验证，确认反问题求解的准确性，校正数据验证模型的准确性，对模型及热像图进行优化并建立热像数据库。1．2反演算法分析结合热力学傅里叶定律和传热学知识，通过}张恩阳，男，1971年4月生，在职博士研究生，高级工程师。黑龙江省哈尔滨市，150001。第40卷第2期化工机械173外壁的温度变化经过反推得出内部件的温度情况，通过热能分布特点进一步判断出故障原因。首先对气缸进行三维温度场分析，建立热传导方程。因为气缸某点温度与热源强度q、传播时间t、到热源的距离r、外壁环境温度咒、轴向距离h及热传导系数k等有

6、关，因此温度场丁为(q、T。，t、r,h，

7、

8、})的函数：T=以q，TE，t，r，h，I)(1)其中如果热源q，到热源的距离r、h，t未知，T。、k已知，且温度场沿柱面是均匀分布的，即不考虑角度的影响。另外，认为产生的热量是稳定的，导热系数为常数，根据文献[7]得到导热微分方程：塑=^(磐+÷塑+窖)+qatarahpc(2)、zrz’、其中P和c分别为微元体的密度和比热容。方程的两个定解为：初始条件r(R，h，f)=7"o(

9、11)(3)边界条件r(o，h，O)=q。(R，h，f)(4)建立的圆柱坐标如图1所示。一◆^图1往复压缩机壳体圆柱坐标模型其中r、h分别表示直角

10、坐标系中圆半径方向的距离和轴线方向的距离，r为温度场，0表示0时刻，t表示热量传到边界区后达到稳定状态的时刻，R表示压缩机壳体外侧。因热源强度未知，需要另外给出附加条件，通常附加条件可以用两种形式：r(r，h，tI)=qo(r，h，tI)(5)或j÷丁(r，h，t)I，：R=g(R，h，t)(6)o，第一种附加条件需要知道缸体某一位置的温度分布，r表示缸体内某一位置相对于气缸中心的距离。如在缸体壁上开孑L安装测温探头来测定某一深度的温度作为一个附加条件。第二种附加条件需要知道缸壁处的温度变化率，g(R，z，t)表示外径R处的温