压缩机研究内容

往复式压缩机事故一般分成机械故障和燃烧、爆炸事故。由于运动件较多，事故中大多数还是机械故障(有些燃烧、爆炸事故也是由于机械故障引起)，典型的机械故障有阀片碎裂、十字头及活塞杆断裂、汽缸开裂、汽缸盖破裂、曲轴断裂、连杆断裂和变形、连杆螺栓断裂、机身断裂和烧瓦、电机故障等。据统计，往复式压缩机有60%以上的故障发生在气阀上，能够及时发现气阀故障对往复式压缩机故障诊断是相当重要的;活塞杆断裂、裂纹事故也较常见，占重大事故的25%左右。活塞杆断裂，不仅损坏活塞本身，使机组的其它零部件产生连锁性破坏，而且还会引起爆炸，造成重大人员伤亡和严重经济损失;其它事故及故障的发生，同样影响着生产的正常运行和安全。因此，往复式压缩机状态检测与故障诊断的研究主要针对以上的典型机械故障fgl。往复式压缩机故障情况的特点归纳如下:

(1)故障的多元性

往复式压缩机的结构复杂，系统中零部件繁多，因而发生的故障也具有多元性。这种多元性主要表现在发生故障的部件众多;同一部件会发生不同的故障;同一部件同一故障对应不同故障原因等特点。

这种多元性决定了故障的产生对应于系统的不同层次而表现出不同

特征，换句话说，同一部件的故障可能是由于系统的不同层次所造成的。这里所说的层次是由故障源、传播路径、系统负荷等综合因素组成的。

只有在深入了解往复式压缩机的运行状态、工作条件、故障历史记录等信息的基础上，才能准确的判定故障部位和故障类型。这要求人们在故障分析时应从多方面入手，深入每个层次分析。

(2)故障特征的不确定性

往复式压缩机系统故障对压缩机的工作状态比较敏感，不同条件下的故障特征存在较大的差异。比如使用同一种分析方法，对同类型的不同压缩机组，在相同部位上的同一故障的表现形式往往存在难以理解的差别。这种不确定性还表现为用不同的故障诊断方法，对相同故障的故障程度进行描述，也经常出现一定的偏差。造成这种不确定性的原因，一方面是由于组成往复式压缩机系统的各子系统相互关联，各系统之间的祸合性很强，因此某一子系统的故障影响了其它相关子系统的工作状态，故障特征也随之改变。另一方面，往复式压缩机故障诊断技术尚不完善，还没有找到一种特别有效的分析方法来处理所得的测试数据。因此，人的主观上的认识也受到一定的限制。

(3)故障的并发性

由于易损件多、子系统之间的相互干扰，使得往复式压缩机在工作过程中，不可避免的出现多个故障同时存在的情况。相对于旋转机械，这种多故障并存的现象，是往复式压缩机故障的一个显著特点。通过有效方法把各个故障的特征准确的提炼出来，是目前往复式压缩机故障诊断中的一个比较突出的问题。在多故障模式的故障诊断中，由于故障的多样性，故障特征向量的复杂性，应建立多种故障模式下的判断原则和判

断标准，掌握多个故障模式间的相互关系。然后综合分析多故障模式下的征兆和机组状态，弄清设备故障性质、程度、类别、部位及产

2. 3往复式压缩机的常用诊断方法

对于往复式压缩机这样一个复杂的机械系统，如何切实有效的进行故障诊断确实是一个科研难题。为此，国内外的专家学者以及从事设备维护的科研人员都进行了深入的研究，采用了多种的测试手段和不同信号处理方法，对故障的特征提取、故障分类和故障程度判定等综合运用了大量相关学科的知识。主要的诊断方法可以归纳为以下几种:

(1)参数监测y s-ZOO

通过监测压缩机在运行过程中的排气量、排气压力、排气温度、润滑油温度、润滑油压力等参数来进行故障诊断。这些参数可以及时、有效的判断出压缩机在土作中出现的问题，为故障诊断提供了有力的依据。但是应该注意到，这些参数对于故障的精确定位还是无能为力的，而且

在故障的早期阶段，这些参数也是不敏感的。例如，某气缸的排气压力异常，基本可以断定是排气阀出现了问题，但是该段具有多个气阀的时候，很难仅仅通过该段总的排气压力来断定具体哪一个气阀出现了故障。在气阀弹簧失效的初期，从进、排气压力参数中也很难看出端倪。

(2)振动信号分析[}z’一]

往复式压缩机在工作过程中，不同部件的工作状态总是可以通过振动形式表现出来，因此，振动信号中含有丰富的信息。同时，由于振动信号的测量相对简单，仪器设备比较丰富可以适合各种不同场合，所以基于振动信号分析的往复式压缩机故障诊断技术一直是热点。但是，由于往复式压缩机在工作时激励源众多，各部件之间的振动信号存在严重的相互干扰，传递到机体表面的振动信号往往十分复杂。往复式压缩机的转速较低，机械回转振动通常表现在低频处，有些机组的工作频率甚至不足1 OHz，但是由于冲击引起的其他部件的固有振动往往频率较高。因此，合理选择可以覆盖整个信号频带的传感器和测试设备是非常重要的。传感器的安装、振动侧点的选择、信号测试条件的相对一致性，都是在进行振动测试时应该认真思考的问题。

(3)温度监测t2s_z}

这里的温度不仅仅包含进、排气温度，润滑油温度等工艺参数，更主要的是指往复式压缩机的许多零部件，在有冲击、摩擦及磨损的状态下所表现出来的特定位置的温度变化。例如，对于柱塞式压缩机的填料泄漏故障以及气阀故障，温度就是很好的诊断参数。但是，由于压缩机结

构的限制，在很多对温度比较敏感的故障部件上，例如对于连杆的大、小头轴承位置，温度参数是很难测取的。在往复式压缩机的故障诊断中，温度往往作为诊断的依据和振动分析等其他方法结合使用。

(4)介质金属法[[28-30]

由于往复式压缩机运动件含有多种材料的摩擦副，这些摩擦副在相对运动时必然会生一定的损耗，而磨损掉的金属微粒会进入润滑液中，因此通过定期对润滑液中金属微粒的成分及含量进行测量，就可以对机体内部磨损程度和磨损部位做出判定。目前一般采用的测试手段有油液的铁谱分析、光谱分析、红外光谱和油品理化分析等。常用的是光谱分析和铁谱分析。光谱分析技术通过监测机械设备润滑系统中润滑油所含磨损颗粒的成分及其含量的变化，来监测不同部件的磨损情况。铁谱技术利用高梯度强磁场的作用，将从设备润滑系统中采取的油样，分离出磨损颗粒，并借助不同仪器检验分析这些磨损颗粒的形貌、大小、数量、成分，从而对设备的运转工况，关键零件的磨损状态进行分析判断。不过，当往复式压缩机多个部位同时存在磨损，且摩擦副的材料相同时，该方法就很难精确地判断哪一部位发生了故障。油液分析缺乏定量分析的技术和理论，其分析结果只是定性地描述，存在一定的随机性，一般需要大量的样本数据进行分析，并由其统计特性给出分析结果。

(5)示功图法[31-33]

对于往复式压缩机而言，其热力性能故障也是往复式压缩机故障诊断的一个主要内容。同时，某些机械性能故障也会通过热力性能表现出来，

而热力性能的变化又常常通过示功图的变化表现出来。因此，示功图诊断就成为往复式压缩机一种十分有效的故障诊断方法。示功图常用示功器来测取。常用的示功器有机械式，电器式和电子式，在故障诊断

中，一般采用电子式示功器。它是通过压力传感器和位移传感器将气缸内的压力信号和该瞬时的活塞位移信号同时测出，这些信号经过放大、滤波、A/D转换后送往计算机，这样就可以作图、打印和存储。然后通过比较所测取的示功图和正常示功图的差别就可以分析和诊断往复式

压缩机的某些故障。示功图法虽然可以直接的反映出往复式压缩机系统的工作状态，但是，气缸内的压力信号和活塞位移的信号很难测取，对于那些出厂时没有配备相应监测系统的压缩机来说，几乎不可能将绘制示功图所须的信号全部得到。同时，示功图法对于某些机械故障的诊断还是无能为力的，因此，虽然示功图法是非常有效的检测手段，但是在生产实际中却往往没有办法实现。

以上只是对往复式压缩机故障诊断方法的一个简要概括，随着科技的发展，新的理论和方法还在不断的涌现。需要说明的是，任何一种方法都有其应用的局限性，没有哪一种方法可以涵盖往复式压缩机故障诊断的全部内容，因此，综合应用以上各种方法才是解决问题的最好办法。

2.1.1往复式压缩机的系统构成

一般由主机和附属装置组成。主机一般有以下几大部分[}s}.

(1)机体它是往复式压缩机的定位基础构件，由机身、中体和曲轴箱三部分构成。

(2)传动机构

传动机构是曲柄连杆机构，由电机带动曲轴旋转，连杆的大头装在曲轴上，其小头与十字头相连，曲轴通过连杆带动十字头在滑道内作往复运动，再由十字头带动活塞组件在气缸内作往复运动。

(3)压缩机构

包括气缸、气阀、活塞组件及填料等。气缸的内表面与活塞工作端面所形成的空间是实现气体压缩的工作腔。气阀是装在气缸上控制气体作单向流动的，吸气阀只能吸气，排气阀只能排气。气阀的启闭动作主要由缸内、外压力差及气阀弹簧控制。活塞在气缸内作往复式运动时，使工作腔的容积作周期变化，它与吸、排气阀的启闭动作相配合，实现包括膨胀、吸气、压缩和排气四个过程的工作循环，从而不断吸入、排出并压缩气体。

(4)润滑机构

由齿轮泵(有的为转子泵)、注油器、油过滤器和油冷却器等组成。齿轮油泵由曲轴驱动，向运动部件低压供油润滑。注油器由曲轴或单独用微型电动机驱动，通过柱塞或滑阀的压油作用，高压供给各级气缸及填料所需要的压缩机油或气缸油。供油量和压力均可调节。注油器还可以手动供油，有的空压机还设有叶片泵，便于开机前先向各润滑点注油。

(5)冷却系统

风冷式的主要由散热风扇(用曲轴经V带驱动)和中间冷却器等组成。水冷式的由各级气缸水套、中间冷却器、管道、阀门等组成。系统中通以压力冷却水，借水的流动带走压缩空气和运动部件所产生的热量。

(6)操纵控制系统

它包括减压阀，卸荷阀、负阀(压力)调节器等调节装置，安全阀、仪表以及润滑油、冷却水及排气的压力和温度等声光报警与自动停机的保护装置，自动排油水装置等附属装置主要包括:空气过滤器、盘车装置、传动装置(指机外的)、后冷却器、缓冲器、油水分离器、储气罐、冷却水泵、冷却塔、各种管道、阀门、电气设备及其保护装置、安全防护罩、网等，有的还设有便于压缩机轻载启动(尤其是二次带压启动)和控制冷却水通断的电磁阀，以及压缩空气的净化装置和干燥装置等[tl}l0

2.1.2往复式压缩机振动的工作循环及振动激振源分析

图2.1为一活塞式压缩机的双作用气缸的结构简图，气缸、活塞组、连杆、曲轴组成了一个曲柄连杆机构。曲轴旋转，通过连杆、十字头和活塞杆带动活塞作往复运动，使得气缸壁和活塞围成的密闭容积发生周期性的变化。曲轴旋转一周，活塞往复一次，闭容积内的气体经过膨胀、吸气、压缩、排气这四个过程，压缩机完成一个工作循环。以缸盖一侧的工作腔为例，说明往复式压缩机的工作过程[yos}yos}0膨胀过程A-B:在位置A处，曲轴角为0度，活塞处于外止点。此时，缸头端排气阀关闭，由于气缸缸头端余隙的存在，缸头端内残留着一部分气体，气体压力为排气压力Pd。随着曲轴的转动，活塞被带着向右运动，缸头端容积增大，缸头端气体膨胀，气体压力迅速减小。直到活塞运动到B点，缸头端内气体压力达到最小值。

吸气过程B-C:到达B点后，随着活塞继续向右运动，缸头端内气体压力足够小以至于缸头端吸气阀在吸气腔内气体的压力作用下打开，吸气腔内气体涌入缸头端内。直到活塞运动到内止点C}缸头端的容积不再增大，缸头端内充满气体，气体压力为吸气压力Psa毅气图2.1双作用气缸结构简图

Fig. 2.1 the structure of the cylinder

压缩过程C-D:活塞在曲轴的带动下，由内止点C向外运动，缸头端容积变小，缸头端气体被压缩，气体压力增大，使得缸头端吸气阀关闭。活塞继续向外运动，缸头端内的气体受到压缩，体积不断减小，压力不断增大。直到活塞运动到D点，缸头端内气体压力达到最大值。

排气过程D-A:到达D点后，随着活塞继续向外运动，缸头端内气体压力足够大以至于缸头端排气阀在缸头端内气体的压力作用下打开，缸头端内气体涌入排气腔内。直到活塞运动到外止点A，缸头端的容积不再减小，缸头端内残留一部分气体，气体压力为排气压力Pdo 上述四个过程中，膨胀过程和压缩过程是热力过程，这两个过程中气体质量没有发

生变化，只是气体的状态参数发生了变化。它们可以是等温过程，绝热过程或者多变过程。而吸气过程和排气过程中，气体质量发生了变化，是质量迁移过程，不是热力过程。对于多缸往复式压缩机来说，各缸以一定工作原理周期性的顺序工作，而对每个缸来说，它们都具有与单缸相同工作特性。故个体和整体综合分析依然可分辨出各激振源的响

应，不过由于临缸的影响，响应信号会变得十分复杂，为信号分析造成一定的困难。

目前，国内安装己在线监测系统的往复式压缩机组非常少，即使安装也仅仅限于活塞杆沉降监测，但其只具有DCS显示或ESD(紧急停车)功能，不具备对压缩机早期故障预防及分析能力，还远远不能达到预期维修的目的。根据赫尔碧格公司数据

统计80%的往复式压缩机非计划停机都是由于气阀、活塞和活塞环、填料等部件出现故障导致，而这些故障80%都可通过在线监测系统早期预防。

2.3往复式压缩机常见故障及机理研究

往复式压缩机大多数零部件都处于来回的往复式工作状态，且其各零部件间连接方式多种多样，因此往复式压缩机故障大多发生于其连接部位，主要都是由于长周期

磨损或者疲劳失效导致。反映其故障状态的监测参数大致上可分为两类:一类是设备

热力学参数变化，如排气量、排气温度、排气压力等的变化;另一类是动力性能参数，

如曲轴振动、十字头冲击等。当然，有些故障所表现出来的特征既会引起热力参数变

化，也会伴有设备动力参数变化。

2.3.1气阀泄漏故障机理及表现特征

据相关资料统计，往复式压缩机气阀类故障是其最常见故障。气阀主要由阀座、阀片、弹簧及升程限制器组成，其中阀片、弹簧是气阀故障的主要原因。

(1)阀片在气阀内作高频率的往复运动，承受频繁的撞击，长周期容易使阀片疲

劳损坏或者断裂。另外阀片在工作过程中经常与密封面发生摩擦，当磨损量过大时就会影响气阀密封效果，而且影响阀片寿命;

(2)弹簧在工作过程中，承受不间断的交变应力，使得弹簧疲劳失效，无法达到预定的预紧力，出现气阀开启过早或过迟以及阀片震颤等

现象，而致使气阀不能正常工作。弹簧在变形过程中出现的与其他部位摩擦也会影响气阀寿命;

(3)气阀阀片运动过程中，摩擦引起阀座密封面损坏、气阀结碳、气阀通道进入异物等也是导致气阀泄漏的原因。

气体在气缸内经过压缩会使气体温度升高，吸气阀泄漏后，高温气体回流吸气管道经过吸气阀，会使吸气阀本身温度升高。排气阀泄漏后由于气体会回流至气缸内，也会使排气阀本身温度升高。另外气阀泄漏也会导致压缩机自身吸、排气压力参数发生变化。如果是由于阀片震颤或阀片断裂导致的气阀泄漏，其上述表现特征外，还会引起气阀开启与关闭过程中动力参数变化。

2.3.2拉缸故障机理及表现特征

气缸在做往复运动过程中，支撑环（活塞环？）会隔开活塞与气缸内壁，避免两者直接摩擦。支撑环属于易损耗零件，长期磨损后，如更换不及时，就会导致活塞与气缸内壁两种硬质材料发生摩擦，导致气缸内部破损。气缸内进入异物也会导致拉缸故障。

拉缸故障出现会导致活塞杆下沉，并且伴有冲击特征，另外由于活塞与气缸间隙过大，会发生气体泄漏现象而引起吸、排气压力变化。

2.3.3气缸进液机理及表现特征

对于临界温度较低的气体，或者由于气体湿度过大，会使气缸内产生气液混合介质，在压缩机压缩过程中就会产生“气锤”现象，而给气

缸或活塞带来很大的冲击。“气锤”的冲击现象一般发生在压缩机换向的过程中，所以气缸进液故障会在在压缩机换向时产生很大的振动特征。

2.3.4+字头与滑道间隙过大故障机理及表现特征

十字头是将旋转运动转变为往复运动的枢纽，其被固定在滑道内做

往复运动，如出现润滑不良或者有杂质进入滑道以及长时间运转，都会增大十字头和滑道的磨损量，不断积累就会致使十字头与滑道间隙过大。

其主要变现特征就是导致活塞杆沉降量增大，机组自身振动增大，

但对设备热力性能参数影响不大。

2.3.5十字头大小头瓦间隙过大故障机理及表现特征

十字头大小头瓦虽然能做旋转运动，摩擦会比较均匀，但压缩机

在换向过程中，或出现压力波动时都会对两者产生冲击，致使大小头瓦局部磨损量过大，导致十字头大小头瓦间隙过大。当出现间隙过大故障时，会在压缩机换向过程中产生较大振动冲击，并且会致使活塞杆沉降量有突变特征。

2.3.6曲轴轴承损坏机理及特征

由于压缩机各运动零件都做不等速运动，以及偏心旋转运动，就会产生相应的惯性力，正常情况下，在设计机组时会尽量平衡掉惯性力，但由于压缩机工况恶劣、复杂，致使惯性力不断变化，而这部分惯性力就会由主轴承来承担。另外疲劳失效也会引起轴承故障。曲轴轴承损坏表现特征为机体自身振动值增大，并且具有周期性振动特征。

2.3.7基础松动故障特征

往复式压缩机基础主要用来平衡压缩机自身产生的倾覆力矩，当基础松动或固减压缩机的螺栓松动后，由于部分倾覆力矩无法平衡掉，就使压缩机有向旋转方向倾仁的趋势，这使得机身振动明显增大，且无规律。

2.3.8其它故障

由于往复式压缩机结构复杂，振动激励源较多，有些故障还不能完全准确分辨，如十字头销松动与大小头瓦间隙过大特征非常相近，基础松动或基础螺栓松动也无法准确定位，类似于这样特征相近的故障的监测还有待于进一步研究。

2.4小结

本章首先研究了压缩机理论工作循环与实际工作循环，并对两者差异作出分析r}较，以便了解压缩机工作特性。通过现场工作经验总结及压缩机结构特征的研究，J苞结了压缩机常见故障机理及其故障特征，为在线监测系统设计提供有力依据。

(1)气阀温度监测

机组的吸气和排气阀通常是往复式压缩机中维修率最高的部件。往往气阀出现故障时都伴有压缩气体泄漏情况，这就会导致气阀本体温度升高。故障阀会明显降低压缩机的效率。通过监测气阀温度变化趋势，早期发现气阀故障。

(2)活塞杆沉降监测

活塞支撑环属于易损耗类零件，而活塞支撑环磨损必然导致活塞杆位置下沉，通过对活塞杆沉降值监测，可以避免由于支撑环磨损过量而引起的“拉缸”事故，从而造成昂贵的维修或非计划停车费用。通常活塞杆沉降监测能监测的故障有十字头与活塞

杆连接松动，十字头与滑到间隙过大，支撑环磨损，气缸与活塞杆同轴问题等。

(3)曲轴箱振动监测

对称平衡式压缩机上的气缸作用在曲轴上的力从物理上讲能相互抵消，但是当过程发生变化，如气阀损坏、泄露、曲轴轴承损坏等故障时，其作用在机器上的压力会产生不平衡。通过曲轴箱振动监测功能可以对往复式压缩机旋转振动传送到压缩机壳体的机械振动提供理想的监测。其主要可监测的故障有基础松动，曲轴轴承损坏，曲轴变形，惯性力、倾覆力矩不平衡等。

(4)壳体振动/冲击监测

往复压缩机工作过程中，振动信号多属于冲击信号，如阀门开启与关闭、活塞运动换向等，并且多种机械类故障也往往具有冲击类特征。通过对压缩机组冲击信号的测取可以有效的监测这类故障。壳体振动/冲击监测主要监测故障有十字头大小头瓦余隙过大，十字头销松动，气阀等故障。

(5)示功图监测

示功图监测是往复压缩机在线监测中比较有效的一种手段。对气

缸内部实时压夕则取，可以求出机组实际工作P-V图，通过与正常工作时P-V图对比，可以清晰判送讥组运行状况，包括其效率，实际压缩比，活塞杆负载等主要参数。动态压力监测三要可监测故障有气阀阀片断裂，气阀卡塞，气阀弹簧刚度不足或过大，拉缸，活塞环滇料函等多种故障。

(6)活塞杆载荷监测

活塞杆在运行过程中，承受长周期的交变载荷，对其寿命影响非

常大。由此引走的活塞杆断裂事故也非常严重。活塞杆载荷监测功能是示功图监测功能的衍生，通过对气缸内实时压力的测取，经过计算，即可得到活塞杆载荷，间接判断压缩机运行段态。

(7)多参数分析

往往压缩机故障并不能只凭借一种监测手段即可准确判定，多参

数分析功能即冷以上一种或集中功能图谱在一个界面下实现，通过多种方式对比，来分析压缩机故肠原因。查看哪几个功能用户可根据实际情况自己选择。

(g)报表制作功能

企业设备管理人员，需定时对机组运行状态出具评价报告，该功

能可根据机组冬际运行情况，自动生成报告与报表，减少设备管理人员工作负担。并且该报表可自r_义内容。

3.3.2在线监测系统监测方案

根据以上功能分析，结合现场实际安装经验，监测方案如图3-5所示