摘要： 本文以往复式活塞隔膜泵的曲柄滑块机构为研究对象，当其零部件出现磨损故障时，建立动力学特性的分析模型，为往复式隔膜泵的状态监测和故障诊断提供新的理论依据，并探索出对往复式隔膜泵故障诊断的新方法，以利于设备诊断技术在往复式机械应用中取得良好效果。

关键词：往复式机械   动力学模型   磨损   故障

引言

往复式机械由于结构复杂、激励源多且运行不平稳等特点，使得对往复式机械的故障机理研究得不够彻底，研究方法也少，并且研究成果很不理想。因此，有必要对往复式机械进行深入的研究。往复式机械的故障主要分为：结构性故障和性能故障。结构性故障是指零件磨损、裂纹、油路堵塞、装配不当、动静件间的碰磨等；性能故障主要是机械设备的性能指标达不到要求，如功率不足、油耗量大等。

一、机械设备往复式零部件磨损特性

首先，对于理想机构模型来说，间隙是不存在的，因此运动是理想运动，而实践生产中间隙的存在影响了机构的实际运动，达不到理想运动，这样，使得机构的实际运动与设计的理想运动有误差。其次，间隙的存在，改变了机构杆件的受力情况，会使机构在运转中受到很大的冲击与碰撞，对于高速机构来说，其冲击和碰撞更为明显，影响杆件的寿命。最后，间隙的存在易加剧运动副磨损，虽然在有时候，间隙的存在能使润滑充分，从而磨损减小，但总体还是加剧磨损。往复式隔膜泵属于高速设备，因此间隙的存在对其有严重的影响，会产生极大的振动和噪音，加剧运动副磨损，减少其使用寿命。

二、往复式隔膜泵系统故障特点

往复式隔膜泵系统由于激励源多、运行不平稳、各部件众多，因此，其振动信号存在非平稳特性，且由于相互干扰和相互耦合使得采集到的信号十分复杂，总体来说，往复式隔膜泵故障具有以下特点：

（一）故障的多元性

故障的多元性主要是指往复式活塞隔膜泵中零部件繁多、结构复杂、工作环境恶劣，因此设备可能发生故障的部件很多，并且很复杂，比如不同部件可能会发生同一故障、同一部件可能会发生不同的故障，而同一部件发生同一故障和不同部件发生同一故障的原因不尽相同。隔膜泵的多元性特点说明故障的产生是多方面的，存在很多种可能性。因此，对于隔膜泵产生的故障，只有在深入了解隔膜泵的组成结构、运行状态、工作条件等，才能准确地判定故障发生的部位和原因。

（二）故障特征的不确定性

故障的不确定性主要是指工作环境的不同、工作条件的不同，隔膜泵产生故障的原因不同，而且用不同的故障诊断方法，且诊断的结果也不尽相同，即使使用相同的分析方法，在不同条件下同一故障的表现形式也有差别。之所以隔膜泵会有故障特征的不确定性，主要是因其结构复杂、部件繁多，使得各部件相互祸合、相互干扰，因此某一部件的故障特征会随着其他部件的工作状态而改变，对此，我们只有对其进行基于动力学特性分析和故障机理研究，才能提高隔膜泵状态监测和故障诊断的准确性和可靠性。

（三）故障的并发性

故障的并发性主要是指隔膜泵在工作过程中，因为零部件容易磨损，并且相互祸合、相互干扰，使得隔膜泵在同一时间内出现多个故障。在多个故障中，我们需要将各个故障分离出来，并分清其主次，还要把各个故障产生的部位与原因分别找出来。因此，对于隔膜泵这种多故障系统中，我们需要了解各故障的形成原理、部位和性质，才能在隔膜泵多故障模式中，根据隔膜泵中综合故障所表现出来的形式加以诊断。

三、含间隙隔膜泵出现磨损故障时动力学模型的建立

含间隙机构的动力学特性分析由于和刚度系数、阻尼系数、摩擦系数、恢复系数、接触形态等有关，因此是一个特别复杂的问题，需要考虑诸多因素。

（一）二状态模型

二状态模型就是碰撞—分离模型，它将运动副元素间的相对状态分为分离和接触两种状态来研究，是一种定量的分析方法。二状态模型考虑了一些物理参数，比如刚度系数和阻尼系数等，同时它引入了无质量弹簧阻尼器来描述运动副接触表面碰撞特性。在建立二状态模型后，对其求解出的系统动力学方程进行数值积分时，需要首先确定运动副元素之间是处于分离还是接触状态（通过引入阶跃函数），然后再对相应状态下的系统的动力学方程进行积分。在本文中，采用二状态模型，即分离—接触模型。

（二）出口瞬时输出流量的求解

由于活塞组件的往复运动，作用在在活塞上的流体压力不是常值，而是呈现周期性的变化，该压力对系统的振动有一定的影响，因此对其作如下分析。

由上式不难看出，流量脉动必然造成压力脉动，而且是二次方放大的关系。

（三）碰撞接触力模型的建立

线性化接触力模型，则法向和切向接触力可表达如下

四、往复式机械故障诊断方法

往复式隔膜泵作为复杂的机械设备，其状态监测和故障诊断的技术手段和方法很多，通常采用的是在线间接诊断方法，即通过二次诊断信息来间接判断其中关键零部件的状态变化。通过仪器直接读出温度信号、油液参数等振动信号，但振动信号不能直接反映设备的运行状态，需要用现代信号处理方法进行分析，通常用混沌与分形理论方法。

（一）混沌与分形理论方法

基于混沌和分形理论的故障诊断方法是近几年发展起来的比较新的方法。分形理论是近代发展起来的一种非线性数学方法，在本世纪末该理论逐渐被学术界应用于内燃机故障诊断与状态监测领域。混沌理论是研究非线性系统动力行为的新方法，利用混沌原理，计算振动信号的关联维数和李雅普诺夫指数，为故障特征参数的提取提供了一种新方法。

（二）含间隙隔膜泵曲柄滑块机构的非线性特性分析：庞加莱截面

对含间隙隔膜泵曲柄滑块机构零部件磨损故障时的非线性特性分析，我们采用庞加莱截面法进行分析，根据如前所述的动力学模型，结合龙格—库塔法求解出数值结果，然后选择一个截面作为庞加莱截面，绘制出含间隙隔膜泵曲柄滑块机构铰接副处出现磨损故障情况下的庞加莱截面，根据庞加莱截面法判断规则可知，对于周期运动，庞加莱截面上只有一个不动点或少数离散点；对于准周期运动，庞加莱截面上是一封闭曲线；对于混沌运动，庞加莱截面上是成片的密集点且有层次结构。如下是铰接副处在不同磨损情况下的庞加莱截面：

为铰接副在不同状况下的庞加莱截面，其中左图为铰接副在磨损量r=0. 15mm、刚度系数k=7.15e6、压力p=14.5e7Pa、转速w=1240r/min下的庞加莱截面；右图为铰接副在磨损量r=0. 15mm、刚度系数k=7.15e8、压力p=14.5e7Pa、转速w=1240r/min下的庞加莱截面；从铰接副在不同状况下的庞加莱截面可知，当铰接副出现磨损间隙时，滑块运动为混沌运动。

结论

本文采用的是混沌与分形理论方法，首先建立了含间隙隔膜泵出现磨损故障时动力学模型，并采用庞加莱截面法对含间隙隔膜泵曲柄滑块机构零部件磨损故障时进行非线性特性分析，并通过MATLAB画出动力学方程的庞加莱截面，得出磨损部件运动是混沌运动的结论，有利于今后对其进行更深入的研究。

参考文献

[1]曹龙汉、曹长修、孙颖楷等，柴油机故障诊断技术的现状及展望，重庆大学学报（自然科学版）2001年24（6）：135- 138.

[2]杨其俊、孙辉、裴峻峰，连续小波变换在往复泵泵阀故障识别中的应用，振动测试与诊断，2000年20（1）：47- 53.

[3]刘卫华，往复式压缩机故障诊断方法研究，西安交通大学硕士学位论文，2004.

[4]高军、王朝晖，基于概率密度的往复泵故障诊断研究，石油机械，2003年31 （10）：45- 49.