往复式压缩机的故障诊断研究
摘要：为了能够有效地进行往复压缩机故障诊断，就相关问题进行了研究。

首先，分析了往复式压缩机的常见故障及机理；其次，讨论了往复式压缩机的故障诊断的基本要求；最后，研究了往复压缩机的故障诊断的关键技术。

关键词：往复式压缩机；故障诊断；机理
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往复式压缩机的运动部件是一整套曲柄连杆机构，在工作时不仅有加速运动，同时也有减速运动，还有旋转运动以及往复运动。

往复压缩机在工作载荷的作用下，作用在连杆、活塞、十字头以及曲轴上的力包括惯性力、气体力以及摩擦力。

惯性力通常情况有两种，分别是曲柄旋转时形成的旋转惯性力以及活塞、十字头组件往复运动时产生的往复惯性力，连杆运动时则同时存在这两种惯性力的作用。

在这些力中，气体力和摩擦力属于机器的内力，不会传递到基础上去，仅仅地影响中体、机身、缸体、缸盖以及不同运动部件的受力状态和往复压缩机的磨损以及功耗情况。

然而旋转惯性力、往复惯性力以及旋转力矩都是随曲柄转角变化的自由力和力矩，它们作用于机体轴承座上，经过地脚螺栓传递到基础，从而使基础形成振动。

但是基础对机体的反作用力也会使往复式压缩机产生振动。

此外，从压缩机的受力分析中可以知道，活塞力通过连杆传递曲轴上的一个垂直于汽缸轴线分力和十字头作用在滑道上的
侧向力，构成一个有使压缩机倾倒趋势的倾覆力矩，该力矩也是一
个随曲柄转角而周期性变化的自由力矩，传递到基础，同时也也将导致基础的振动。

1 往复式压缩机的常见故障及机理
往复式压缩机故障按机理可分成两大类：一类是流体性质的，属于机器热力性能故障；另一类是机械性质的，属于机械功能故障。

引起故障的原因不同，确定故障所采集的信号和使用的方法也应有所不同。

（1）往复式压缩机热力性能的故障及机理
常见往复式压缩机热力性能故障类型及起因如下所示：
（a）排气量不足：气阀泄漏、活塞组件泄漏、填料漏气、管路连接法兰垫片破损等；
（b）压力不正常：压力表失常、吸气压力低、气阀泄漏、油路堵塞、水压不正常等；
（c）温度异常：气缸拉伤、水路故障、填料函故障、形位超差、气阀泄漏等。

根据相关的生产经验可以看出，导致往复式压缩机热力故障的主要原因主要包括填料函和气阀等易损件的故障。

填料函的故障能够使排气量减少、压比失控等。

根据相关资料可知，气阀故障占往复式压缩机故障总数的55％，气阀故障将导致压比失控、排气温度增加、排气量减少等，甚至可拉毛气缸引起往复式压缩机机组报废。

在实际工业应用过程中，现场操作人员通常依据它来进行故障诊断。

（2）往复式压缩机机械功能的故障及机理
常见往复式压缩机机械性能故障类型及起因如下所示：
（a）异常振动：间隙过大、管路气流脉动、联接松动、过度磨损等；
（b）异常响声：活塞故障、间隙超差、联接松动等；
（c）过热：气缸过热、轴承过热、活塞杆过热、十字头过热等。

在生产过程中典型的机械故障有阀片碎裂、十字头及活塞杆断裂、活塞环断裂、汽缸开裂、汽缸和汽缸盖破裂、曲轴断裂、连杆断裂和变形、连杆螺栓断裂、活塞卡住与开裂、机身断裂和烧瓦、电机故障等。

根据现场应用可知，气阀故障的诊断在往复式压缩机故障诊断中是非常关键的，然而活塞杆断裂、裂纹事故也较常见。

因为运动件比较多，大多数还是机械性能故障。

2 往复式压缩机的故障诊断的基本要求
目前，国内大部分石化厂的设备故障诊断，特别是往复式压缩机的故障诊断，还没有进入应用科学方法来进行故障诊断的阶段，主要原因在于往复式压缩机的结构非常复杂，机组压力比较高，有独立设定的闭路冷却水系统，采用氮气密封系统，向填料函中间体内注入连续氮气，以封住向外的泄漏氢气，将启动、停车过程的各个步骤编成启动、停止程序，只要启动程序各开机步骤即可自动实现。

压缩机控制采用主控室内集中管理监测、控制、操作。

由于这些复杂的系统原因，对往复式压缩机的故障诊断方法还不能满足生产的实际需要，还存在许多的问题急待解决，如故障诊断中的信息
全面综合利用问题、诊断中不确定性信息处理问题、诊断过程的智能化问题等只有通过采用先进的不确定信息推理技术，实现故障的准确快速诊断，才能提高往复式压缩机的快速故障诊断与管理水平。

诊断的原始依据除了直接测量的数据外，还包括了大量的经验和历史统计信息。

这些信息往往具有不确定性，并以概率的方式出现，诊断中的故障和征兆之间的关系通常情况有不确定性。

无法有效地处理诊断领域中的不确定信息，就意味着不能有效地利用现有的信息进行有效的推理，显然这样诊断的质量也难以保证。

一种有效的故障诊断模型和方法必须既能处理不确定性问题，又能有效地表达和融合多源信息。

国内外有很多学者针对故障诊断技术，进行了深入的研究，提出了许多非常可行的诊断理论，如：故障树分析方法、专家系统和神经网络分析方法等。

3 往复式压缩机的故障诊断的关键技术
往复式压缩机采用曲柄连扦传动机构，运行中产生强烈的变向冲击和变载冲击，以及活塞对缸套的横向撞击，各气阀的阀门不断产生落座冲击，加之滚动轴承、管道、地基等各部位的振动，混叠交织，彼此干扰，振动频率结构十分复杂，给确诊故障带来了一定的困难。

因此，应该掌握实施监测诊断的技术要点，从而能够获得较好的诊断效果。

（l）合理布置测点
监测点是采集诊断信息的主要位置，对准确地监测噪声源是非常关键的，通常情况下应该符合以下基本要求：
（a）可以充分地获取能够体现往复式压缩机状态的真实信息，应尽可能靠近被监测的部位；
（b）每个部位的测点要与周围其它干扰源隔离性好，且尽量避开信号传递途中的分界面；
（c）适宜安放探头或传感器；
（d）能安全操作。

由于我国目前设计生产往复式压缩机，尚未充分考虑实施诊断的适检性问题，在现场选择测点时往往遇到种种不便·需根据上述原则妥善处理。

l型往复式压缩机的振动常用测点有：轴承部位；十字头滑块部位；活塞、缸套部位；气阀部位，地脚及地脚螺栓部位、电动机、排气管 (地脚螺栓可代表地基)。

每次监测诊断，可根据监测的目的，测试所有的点，或选测若干点，还能够添加其它的测点，从而能够获取充分的诊断信息。

（2）常用的诊断手段
（a）振动测试
振动测试分析是诊断往复式压缩机最基本、最有效的手段，往复式压缩机各运动副的磨损．连接件的松动，配合精度的改变，通常情况下均可以通过振动信号和相应的参数获得比较充分的反映。

对振动信号作多方面分析能够得到体现往复式压缩机状态的大量
诊断信息。

（b）温度监测
往复式压缩机的许多零部件，在强烈的冲击和摩擦条件下工作，所以温度也是体现其某些位置状态变化的敏感系数。

尤其对监测十
字头滑块、活塞等部位的润滑、磨损及配合情况，以及反映冷却系统、气阀部件的工作状态都是比较有效的。

(c)铁谱分析
铁谱分析用于监测往复式压缩机曲轴箱内运动副的磨损情况，属于一种非常理想的辅助手段。

然而，当包括了多个同种材质的摩擦副有磨损故障的情况下，利用铁谱分析无法精确地区别故障的位置。

所以，其能当作一种辅助方式和其余技术进行配合。

（3）实施状态判别
根据获得的状态信息，需要判别往复式压缩机所处的状态，即是否存在故障以及故障的原因、部位和程度。

根据我们的现场诊断经验，对往复式压缩机采用相对标准、类比标准和综合判别法对其进行状态判别，是简便有效的。

（a）相对标准判别法
用往复式压缩机在“良好”状态下的振动值作为“初始值”，按照实际测试获得的振值可以达到初始值的倍数来判别往复式压缩机的工作状态。

（b）类比标准判别法
对同型号、同规格的往复式压缩机，在相同的工况条件下，把相同部位测得的参数值或各种图谱进行比较，从两者的差异中判别设备的状态。

（c）综合判别法诊断比较复杂的故障，往往采用多种手段，应用多种分析方法，利用多个诊断标准实行综合判别。

4 结论
在往复式压缩机故障诊断的过程中，能够被利用的状态信息还很多，例如，往复式压缩机工作过程中的过程量和过程参数以及排泄物信息等，但活塞杆、曲轴、气阀的裂纹诊断仍是研究的重点。

不同的特征参数有各自的敏感区域，表现出对不同故障灵敏度的不同，因此，有效地应用大量信息来进行多源信息融合，将成为往复式压缩机故障诊断技术的发展趋势。

参考文献
[1] 刘卫华．往复压缩机热力参数故障诊断法研究[d]：博士学位论文，西安：西安交通大学, 2000．
[2] 齐伟敏．往复式压缩机热力故障判断方法[j]．机电设备，2005, (2)．。