於国平1，王朝晖2，张晓东2
摘要：简述应用在海洋地震勘探气枪震源船的往复式高压空压机的基本情况，通过EMDS故障诊断仪和分析系统，并运用振动法，从测点布置、周期确定、气阀振动的幅值分析和气阀频谱特性分析四方面对该机气阀振动信号进行了分析，对状态检测工作具有重要意义。
关键词：往复式；高压空压机；气阀振动；低频；频移；幅值；频谱特性
中图分类号：TH165.3文献标识码：B
LMFVHGD5624W35型高压空压机在海洋地震勘探气枪震源船上用于为气枪阵列提供高压空气。该机为双列W型气缸排列，第一级为双作用，二、四级和三、五级为级差式。我们采用石油大学（北京）机械故障诊断中心开发的EMDS故障诊断仪和故障诊断分析系统，运用振动法监测和分析两台机组的关键运动部件，取得了较好的效果。
一、测点布置
测点选取遵循以下两个原则：第一，能够正确并敏感地反映振动信息；第二，能够反映曲柄连杆机构往复运动的情况。共布置测点44个，分别为曲轴的两端轴承和曲轴箱中部三个测点，用来诊断曲轴轴承的工作状态；各级气缸的进、排气阀和气缸套外侧34个测点，用来监测气阀、活塞、缸套摩擦副的状况；十字头外侧六个测点，监测十字头的运动状态；机组基础一个测点，用于评价机组的整体振动状况。
二、周期的确定
为了便于在时域图形内准确地找到并分离出各种振动，分析各振源引起的振动以及时域波形组成的特点，首先需要准确地确定监测周期。本文采用两种方法求取周期，并进行了互相验证。
1．低频分析法
对1#机组第一级进气阀（1）的4#测点进行频谱分析，如图1所示。
由于受实际采样频率和频谱分析点数的影响，有时所感兴趣频带的特征不是很明显。因此，选择频谱图中某一频带进行频移细化，以避免这种问题，同时还可对各个频段进行细致分析。在气阀处测得的振动主要有阀片与缓冲片和阀座的高频撞击振动，有活塞的往复运动造成的低频振动有气流冲击造成的高频振动。为了确定周期，对低频段进行频移细化分析。
频谱细化可使局部频段幅值或能量分布清晰。对图1中的0~125Hz段进行频移细化，如图2所示。可以清晰地看到，以9.5Hz为基频，二、三、四、五、六、七、八倍高次谐波非常明显，从而可知基频为9.5Hz。1#机组的转速为9.5×60=570r/min。
2．时域分析法
从时域图可以看到，由于气阀部位存在气流的冲击以及进、排气阀片在开启和关闭时的冲击和互相干扰作用，使得气阀的时域图形十分复杂，不利于区分出周期成分。10#测点（第三级进气阀）的时域压缩图如图3所示。可知，在一个周期内气阀的阀片敲击作用主要集中在3.5kHz以上。为了去除低频成分，便于周期成分的查找，采用3.5~6kHz的带通滤波，经过滤波和时域压缩的图形如图4所示。可以清晰地看到一个周期内的高频振动信号。
在一个周期内，确定出起点为84，终点为1775。在数据采集中使用的采样频率为16kb，可以容易地求得转速为567.7r/min，转频为9.46Hz。与频谱细化方法求得的9.5相比，误差为0.4%。
在得到准确周期后，可在时域图中按照气阀工作特点准确分离出各种振动并对其形态进行监测。
三、气阀振动的幅值分析
通过对各级气阀振动信号时域特征的求解和对比分析，得到如下结论。
1．各级进气阀的振动幅值（最大值、最小值、绝对值、方差等）小于对应级排气阀的振动幅值。
2．随着工作压力的提高（由16.45MPa提高到20.8MPa)，各级2027气阀的振动幅值均增加，阀片在开启和回落时与缓冲片和阀座的敲击作用变大。机组工作在34.5MPa时曾出现第五级进气阀和排气阀阀片突然破碎的故障。经检查发现阀片的制作材料为PEEK。在高压工况下，由于强大的高频冲击振动作用，使得阀片过早疲劳损坏。以后工作在28MPa压力时未出现过类似的故障。所以工作在高压时，对阀片和弹簧的质量要求更高。
四、气阀频谱特性分析
图5是在16.45MPa工作压力下第一级气阀的频谱图（其他各级略)。
通过对各级进、排气阀频谱图的分析可以得出如下结论。
1．振动信号的频率分布在08kHz频段。所以必须使用加速度传感器、高的采样频率才能得到真实的信号。
2．同级进、排气阀频谱图的形状具有相似性，排气阀的振动能量大于进气阀。与进气阀频谱相比，排气阀的频谱向更高的频段发展。
3．由于各级气阀的形状、大小和工作压力不同，其频谱图并不完全相同。
4．0~1kHz的低频段具有相似的频谱分布特征，主振动频率为15.625Hz或者62.5、93.75Hz，主要是由机组振动和活塞往复运动引起的。4kHz以上主要为气阀在开启与关闭时，阀片与缓冲片和阀座的撞击作用及气流冲击造成的。
5．经过详细的频谱分析可知，气流的冲击噪声主要集中在4kHz以上的高频段。
6．图5中第一级排气阀(1)在4kHz和5.5kHz处出现了能量很大的峰值，与第一级排气阀（2）的频谱图有较大差别，同时时域指标也有很大提高。判断为该气阀的阀片在开启和关闭时与缓冲片和阀座的撞击过大造成。经过800h的监测运行，该气阀振动的时域和频谱指标均无变化和进一步恶化的趋势，既避免了更换气阀的昂贵费用，又保证了机组的运行安全。
7．第四级排气阀在4.74.8kHz处出现异常大的集中峰值。从时域图看到，在整个时域内振动幅值都很大，并且可听到气阀处清脆的敲击声。初步判断为阀片或者弹簧存在故障。如果继续使用可能会造成阀片和弹簧因过早疲劳损坏而产生故障。拆检时发现为弹簧故障造成阀片的颤振。更换弹簧后气阀工作正常。
通过运用振动分析法对空压机组气阀特征频段和时域指标的分析，明确了机组的特征频段以及能量分布，对开展更深入的研究和状态检测工作具有重要的意义。
参考文献：
张来斌等．机械设备故障诊断技术及方法．石油工业出版社，2000.