动力学参数在直线压缩机故障诊断中的应用

唐明生，邹慧明，王 敏,2，吴永恒，袁庆庆，田长青,2

（1.中国科学院理化技术研究所中国科学院低温工程学重点实验室，北京100190；2.中国科学院大学，北京100190；3.黄石东贝电器股份有限公司，湖北黄石435000）

1 引言

直线压缩机采用直线振荡电机直接驱动活塞往复运动做功，相比于传统往复活塞压缩机，直线压缩机省掉了曲柄连杆传动机构，因而具有结构紧凑、运行效率高及变容量方式灵活等特点，成为小型制冷装置压缩机技术的重要发展方向[1]。目前直线压缩机已经在低温领域得到应用，如作为脉冲管制冷机的压力波发生器[2-3]。在民用领域也受到越来越多的关注，其应用包括冰箱[4-7]、车载小型冷藏箱[8]、家用空调[9-10]及电子冷却[11-12]等。

由于直线压缩机的自由活塞式结构设计，如图1所示，为保证较高的容积效率，需要将压缩机行程控制在上止点位置。由于压缩机活塞运动对运行环境参数变化敏感，环境参数的改变将导致压缩机频率特性变化，轻则使压缩机运行效率降低，重则可能导致压缩机活塞撞击排气阀片，尽管采用了菌状阀的排气结构，活塞轻微撞击排气阀片的故障行为具有一定的可恢复性，但如果不及时对压缩机驱动电参数进行调整造成频繁撞击阀片将导致压缩机损坏。现有的研究表明压缩机固有频率直接影响压缩机运行效率[13]，但是固有频率随压缩机运行工况变化而变化。对应于因运行工况改变带来的压缩机效率降低及撞击排气阀片等可恢复性的故障行为可归结为暂时性故障。

为避免压缩机撞缸发生，在直线压缩机行程控制方面，首尔大学的Gyu-Sik Kim等[14]将直线电机电磁力系数和等效电感拟合成电流和位移的经验公式，以此提高计算位移的精度。国内的张金权[15]，崔丽娜[16]等采用直线压缩机位移自传感器技术，对冰箱用直线压缩机控制系统进行了研究。论文作者则通过对压缩机活塞从启动运行到开始排气，再到超过压缩机上止点位置全工作过程进行了研究，并分析了上止点位置的特征[17]，同时论文作者对直线压缩机动力学参数测量方法进行了研究[18]。

对于直线压缩机中其他典型故障，如排气阀密封失效、谐振弹簧失效等均会导致压缩机效率严重降低，进而导致严重损坏而无法修复。因动力学参数能直接反映压缩机运行状态，因此本文针对直线压缩机典型故障情形，研究了直线压缩机故障运行状态变化过程中对应动力学特征参数的变化规律，期望明确典型故障与动力学参数之间的对应关系，为建立直线压缩机运行状态在线监测及其故障诊断方法提供实验数据支撑。

2 直线压缩机数学模型

2.1 样机结构形式

图1是动磁式直线压缩机结构示意图，其主要由气缸、活塞、吸气阀、排气阀、谐振弹簧、直线电机（动子、内定子、外定子、线圈）等组成。当对直线电机励磁线圈通以交变电流时，在内外定子间隙产生交变磁场，交变磁场与动子永磁体产生的恒定磁场相互作用，产生电磁力，驱动直线电机动子往复运动。

2.2 动力学参数计算数学模型

直线压缩机理论模型可以分为两部分：电磁学模型和动力学模型，图2所示为直线电机等效电路模型和动力学模型。

直线压缩机中气体力由于受活塞运动和吸排气压力差的影响，而呈现非线性和时变的特点，因此，常将非线性气体力用等效弹力和等效阻尼进行线性化表示，从而得到的直线压缩机数学模型[17]如下所示

式中u——输入电压，V

i——输入电流，A

Re——等效电阻，Ω

Le——等效电感，H

K0——电磁力系数，N/A

m——等效质量，kg

x——活塞位移，mm

图1 直线压缩机结构原理图

图2 直线压缩机理论模型

t——运行时间，s

cf——摩擦阻尼系数，N·s/m

cg——气体等效阻尼系数，N·s/m

ks——谐振弹簧刚度，N/m

kg——气体等效刚度，N/m

相应地通过对压缩机电压、电流及二者之间的相位角的检测，可得到直线压缩机主要动力学参数计算公式[18]。

直线压缩机活塞振动幅值

系统等效刚度

式中ω——输入功率角频率，rad/s

Im——输入电流幅值，A

Um——输入电压幅值，V

3 实验系统介绍

图3所示为直线压缩机在线监测系统示意图。主要由直线压缩机、稳压电源、位移传感器、压缩机制冷性能实验台及LabVIEW测控软件构成。通过LabVIEW采集到PWM控制器输出的供电参数，根据动力学参数计算方法计算直线压缩机特征参数并实时显示；然后根据计算得到的特征参数调节控制器输出电压和频率，控制压缩机运行状态。PWM控制器接收LabVIEW程序发送的控制信号，通过脉宽调制技术输出电压至直线压缩机，同时将输出的供电参数传输至LabVIEW程序。实验中为测试活塞位移等运行情况，在直线压缩机机壳上端面和侧面布置了可视化窗口，并在外部设置激光位移传感器，测量活塞位移。通过将活塞行程测量值与实验测试值进行比较，从而对动力学参数计算方法法进行校正。在直线压缩机电路安装电压及电流传感器，测量波形数据由NI采集卡PCI6221进行读取和保存。

实验测试了直线压缩机排气阀片破裂及谐振弹簧断裂两种故障情形下，直线压缩机动力学参数的变化特征。通过预先在排气阀片及相应的谐振弹簧处人为制造一定裂痕，加速模拟压缩机故障情形的出现。

图3 直线压缩机动力学参数在线监测系统示意图

图4 实验排气阀片损坏情况

4 结果分析

4.1 排气阀片破裂动态特性

图4所示为实验过程中排气阀片严重损坏的图片。图5显示了压缩机运行过程电压及行程变化，在压缩机达到确定工况吸排气压力所需的行程后，不再对电压进行调整，压缩机位移基本保持稳定运行；当排气阀破裂导致泄漏瞬间，排气压力致使活塞向远离上止点的方向偏离，同时活塞行程突然增大。由于控制系统具有行程限制功能，当行程超过保护值后控制器产生保护动作，控制器迅速下调供电电压，使得活塞行程也大幅减小。当控制系统再次通过增加电压来提高压缩机活塞行程时，供电电压与行程响应之间的关系发生了变化，同样电压下，排气阀破裂后，活塞行程更大。图6显示了压缩机运行过程电流及功率变化，可以看到在排气阀破裂时功率和电流均出现较大地增加。图7显示系统等效弹簧刚度和等效阻尼的变化，压缩机稳定阶段，等效刚度及等效阻尼保持不变，排气阀破裂后，等效刚度及阻尼均大幅降低。

图5 压缩机运行过程电压及行程变化

图6 压缩机运行过程电流及功率变化

图7 系统等效弹簧刚度和等效阻尼的变化

4.2 谐振弹簧断裂的动态特性

图8所示为直线压缩机谐振弹簧断裂后位移波形曲线及LabVIEW计算得到的活塞位移。从图中可以看到，虽然活塞位移随着电压的增加而增加，但压缩机谐振弹簧组中一个弹簧断裂后，由于活塞受力不均，测试得到的活塞位移曲线出现紊乱，存在不稳定波动，导致电机感应电动势出现波动，进而导致采用无位移传感算法计算得到的位移值出现较大波动，并且使得计算值与实测值出现较大偏差。系统刚度和阻尼在故障状态与正常状态运行的对比如图9所示。实验用压缩机采用8根弹簧的弹簧组，实验中模拟其中1根弹簧断裂。从测试结果可以看到，故障状态与正常运行状态相比，系统等效刚度最大值基本相同，且也表现为下降趋势；系统等效阻尼正常运行时系统阻尼随电压增加先减少，行程增大到一定后（达到吸排气压力）基本保持不变。但在故障运行时明显偏大，由于弹簧的断裂，导致气缸活塞之间侧向力增加，使得摩擦阻尼增大，且随着电压的增加后（行程增大），故障时系统等效阻尼会继续增加。

图8 谐振弹簧脱落后计算位移与实测位移曲线

图9 等效刚度及等效阻尼对比

5 结论

本文介绍了直线压缩机动力学参数测试方法，通过实验研究了直线压缩机排气阀片破裂及谐振弹簧断裂2种故障情形下，直线压缩机动力学参数的变化特征。通过对实验结果的分析，得出了以下结论：

（1）当排气阀破裂导致泄漏瞬间，活塞所受气体压力突然增加，致使活塞向远离上止点的方向偏离，压缩机行程突然增大，同时排气阀破裂后，相比正常运行时，等效刚度及阻尼均大幅降低。

（2） 弹簧断裂脱落后，活塞因受力不均，随着电压的增加，活塞振动出现紊乱，存在不稳定波动，导致电机感应电动势出现波动，计算得到的位移值出现较大波动。故障情形下，系统等效阻尼较正常运行时明显偏大。

（3） 通过动力学参数（等效刚度、等效阻尼等）的实时在线测量，可以作为监控与判别直线压缩机运行状态的特征参数。