1、 往復式壓縮機事故一般分成機械故障和燃燒、爆炸事故。由于運動件較多，事故中大多數還是機械故障(有些燃燒、爆炸事故也是由于機械故障引起)，典型的機械故障有閥片碎裂、十字頭及活塞桿斷裂、汽缸開裂、汽缸蓋破裂、曲軸斷裂、連桿斷裂和變形、連桿螺栓斷裂、機身斷裂和燒瓦、電機故障等。據統計，往復式壓縮機有60%以上的故障發生在氣閥上，能夠及時發現氣閥故障對往復式壓縮機故障診斷是相當重要的;活塞桿斷裂、裂紋事故也較常見，占重大事故的25%左右?；钊麠U斷裂，不僅損壞活塞本身，使機組的其它零部件產生連鎖性破壞，而且還會引起爆炸，造成重大人員傷亡和嚴重經濟損失;其它事故及故障的發生，同樣影響著生產的正常

2、運行和安全。因此，往復式壓縮機狀態檢測與故障診斷的研究主要針對以上的典型機械故障fgl。往復式壓縮機故障情況的特點歸納如下:(1) 故障的多元性往復式壓縮機的結構復雜，系統中零部件繁多，因而發生的故障也具有多元性。這種多元性主要表現在發生故障的部件眾多;同一部件會發生不同的故障;同一部件同一故障對應不同故障原因等特點。    這種多元性決定了故障的產生對應于系統的不同層次而表現出不同特征，換句話說，同一部件的故障可能是由于系統的不同層次所造成的。這里所說的層次是由故障源、傳播路徑、系統負荷等綜合因素組成的。只有在深入了解往復式壓縮機的運行狀態、工作條件、

3、故障歷史記錄等信息的基礎上，才能準確的判定故障部位和故障類型。這要求人們在故障分析時應從多方面入手，深入每個層次分析。   (2)故障特征的不確定性    往復式壓縮機系統故障對壓縮機的工作狀態比較敏感，不同條件下的故障特征存在較大的差異。比如使用同一種分析方法，對同類型的不同壓縮機組，在相同部位上的同一故障的表現形式往往存在難以理解的差別。這種不確定性還表現為用不同的故障診斷方法，對相同故障的故障程度進行描述，也經常出現一定的偏差。造成這種不確定性的原因，一方面是由于組成往復式壓縮機系統的各子系統相互關聯，各系統之間的禍合

4、性很強，因此某一子系統的故障影響了其它相關子系統的工作狀態，故障特征也隨之改變。另一方面，往復式壓縮機故障診斷技術尚不完善，還沒有找到一種特別有效的分析方法來處理所得的測試數據。因此，人的主觀上的認識也受到一定的限制。    (3)故障的并發性    由于易損件多、子系統之間的相互干擾，使得往復式壓縮機在工作過程中，不可避免的出現多個故障同時存在的情況。相對于旋轉機械，這種多故障并存的現象，是往復式壓縮機故障的一個顯著特點。通過有效方法把各個故障的特征準確的提煉出來，是目前往復式壓縮機故障診斷中的一個比較突出的問題

5、。在多故障模式的故障診斷中，由于故障的多樣性，故障特征向量的復雜性，應建立多種故障模式下的判斷原則和判斷標準，掌握多個故障模式間的相互關系。然后綜合分析多故障模式下的征兆和機組狀態，弄清設備故障性質、程度、類別、部位及產2. 3往復式壓縮機的常用診斷方法    對于往復式壓縮機這樣一個復雜的機械系統，如何切實有效的進行故障診斷確實是一個科研難題。為此，國內外的專家學者以及從事設備維護的科研人員都進行了深入的研究，采用了多種的測試手段和不同信號處理方法，對故障的特征提取、故障分類和故障程度判定等綜合運用了大量相關學科的知識。主要的診斷方法可以歸納為以下幾種

6、:    (1)參數監測y s-ZOO    通過監測壓縮機在運行過程中的排氣量、排氣壓力、排氣溫度、潤滑油溫度、潤滑油壓力等參數來進行故障診斷。這些參數可以及時、有效的判斷出壓縮機在土作中出現的問題，為故障診斷提供了有力的依據。但是應該注意到，這些參數對于故障的精確定位還是無能為力的，而且在故障的早期階段，這些參數也是不敏感的。例如，某氣缸的排氣壓力異常，基本可以斷定是排氣閥出現了問題，但是該段具有多個氣閥的時候，很難僅僅通過該段總的排氣壓力來斷定具體哪一個氣閥出現了故障。在氣閥彈簧失效的初期，從進、排氣壓力參數

7、中也很難看出端倪。    (2)振動信號分析z一    往復式壓縮機在工作過程中，不同部件的工作狀態總是可以通過振動形式表現出來，因此，振動信號中含有豐富的信息。同時，由于振動信號的測量相對簡單，儀器設備比較豐富可以適合各種不同場合，所以基于振動信號分析的往復式壓縮機故障診斷技術一直是熱點。但是，由于往復式壓縮機在工作時激勵源眾多，各部件之間的振動信號存在嚴重的相互干擾，傳遞到機體表面的振動信號往往十分復雜。往復式壓縮機的轉速較低，機械回轉振動通常表現在低頻處，有些機組的工作頻率甚至不足1 OHz，但是由于沖擊引起

8、的其他部件的固有振動往往頻率較高。因此，合理選擇可以覆蓋整個信號頻帶的傳感器和測試設備是非常重要的。傳感器的安裝、振動側點的選擇、信號測試條件的相對一致性，都是在進行振動測試時應該認真思考的問題。    (3)溫度監測t2s_z    這里的溫度不僅僅包含進、排氣溫度，潤滑油溫度等工藝參數，更主要的是指往復式壓縮機的許多零部件，在有沖擊、摩擦及磨損的狀態下所表現出來的特定位置的溫度變化。例如，對于柱塞式壓縮機的填料泄漏故障以及氣閥故障，溫度就是很好的診斷參數。但是，由于壓縮機結構的限制，在很多對溫度比較敏感的故障部

9、件上，例如對于連桿的大、小頭軸承位置，溫度參數是很難測取的。在往復式壓縮機的故障診斷中，溫度往往作為診斷的依據和振動分析等其他方法結合使用。    (4)介質金屬法28-30    由于往復式壓縮機運動件含有多種材料的摩擦副，這些摩擦副在相對運動時必然會生一定的損耗，而磨損掉的金屬微粒會進入潤滑液中，因此通過定期對潤滑液中金屬微粒的成分及含量進行測量，就可以對機體內部磨損程度和磨損部位做出判定。目前一般采用的測試手段有油液的鐵譜分析、光譜分析、紅外光譜和油品理化分析等。常用的是光譜分析和鐵譜分析。光譜分析技術通過監

10、測機械設備潤滑系統中潤滑油所含磨損顆粒的成分及其含量的變化，來監測不同部件的磨損情況。鐵譜技術利用高梯度強磁場的作用，將從設備潤滑系統中采取的油樣，分離出磨損顆粒，并借助不同儀器檢驗分析這些磨損顆粒的形貌、大小、數量、成分，從而對設備的運轉工況，關鍵零件的磨損狀態進行分析判斷。不過，當往復式壓縮機多個部位同時存在磨損，且摩擦副的材料相同時，該方法就很難精確地判斷哪一部位發生了故障。油液分析缺乏定量分析的技術和理論，其分析結果只是定性地描述，存在一定的隨機性，一般需要大量的樣本數據進行分析，并由其統計特性給出分析結果。    (5)示功圖法31-33

11、60;   對于往復式壓縮機而言，其熱力性能故障也是往復式壓縮機故障診斷的一個主要內容。同時，某些機械性能故障也會通過熱力性能表現出來，而熱力性能的變化又常常通過示功圖的變化表現出來。因此，示功圖診斷就成為往復式壓縮機一種十分有效的故障診斷方法。示功圖常用示功器來測取。常用的示功器有機械式，電器式和電子式，在故障診斷中，一般采用電子式示功器。它是通過壓力傳感器和位移傳感器將氣缸內的壓力信號和該瞬時的活塞位移信號同時測出，這些信號經過放大、濾波、A/D轉換后送往計算機，這樣就可以作圖、打印和存儲。然后通過比較所測取的示功圖和正常示功圖的差別就可以分析和診斷往復式壓縮

12、機的某些故障。示功圖法雖然可以直接的反映出往復式壓縮機系統的工作狀態，但是，氣缸內的壓力信號和活塞位移的信號很難測取，對于那些出廠時沒有配備相應監測系統的壓縮機來說，幾乎不可能將繪制示功圖所須的信號全部得到。同時，示功圖法對于某些機械故障的診斷還是無能為力的，因此，雖然示功圖法是非常有效的檢測手段，但是在生產實際中卻往往沒有辦法實現。  以上只是對往復式壓縮機故障診斷方法的一個簡要概括，隨著科技的發展，新的理論和方法還在不斷的涌現。需要說明的是，任何一種方法都有其應用的局限性，沒有哪一種方法可以涵蓋往復式壓縮機故障診斷的全部內容，因此，綜合應用以上各種方法才是解決問題的最好

13、辦法。2.1.1往復式壓縮機的系統構成    一般由主機和附屬裝置組成。主機一般有以下幾大部分s.    (1)機體它是往復式壓縮機的定位基礎構件，由機身、中體和曲軸箱三部分構成。    (2)傳動機構    傳動機構是曲柄連桿機構，由電機帶動曲軸旋轉，連桿的大頭裝在曲軸上，其小頭與十字頭相連，曲軸通過連桿帶動十字頭在滑道內作往復運動，再由十字頭帶動活塞組件在氣缸內作往復運動。    (3)壓縮機

14、構包括氣缸、氣閥、活塞組件及填料等。氣缸的內表面與活塞工作端面所形成的空間是實現氣體壓縮的工作腔。氣閥是裝在氣缸上控制氣體作單向流動的，吸氣閥只能吸氣，排氣閥只能排氣。氣閥的啟閉動作主要由缸內、外壓力差及氣閥彈簧控制?；钊跉飧變茸魍鶑褪竭\動時，使工作腔的容積作周期變化，它與吸、排氣閥的啟閉動作相配合，實現包括膨脹、吸氣、壓縮和排氣四個過程的工作循環，從而不斷吸入、排出并壓縮氣體。    (4)潤滑機構    由齒輪泵(有的為轉子泵)、注油器、油過濾器和油冷卻器等組成。齒輪油泵由曲軸驅動，向運動部件低壓供油潤滑。注

15、油器由曲軸或單獨用微型電動機驅動，通過柱塞或滑閥的壓油作用，高壓供給各級氣缸及填料所需要的壓縮機油或氣缸油。供油量和壓力均可調節。注油器還可以手動供油，有的空壓機還設有葉片泵，便于開機前先向各潤滑點注油。    (5)冷卻系統    風冷式的主要由散熱風扇(用曲軸經V帶驅動)和中間冷卻器等組成。水冷式的由各級氣缸水套、中間冷卻器、管道、閥門等組成。系統中通以壓力冷卻水，借水的流動帶走壓縮空氣和運動部件所產生的熱量。    (6)操縱控制系統   

16、 它包括減壓閥，卸荷閥、負閥(壓力)調節器等調節裝置，安全閥、儀表以及潤滑油、冷卻水及排氣的壓力和溫度等聲光報警與自動停機的保護裝置，自動排油水裝置等 附屬裝置主要包括:空氣過濾器、盤車裝置、傳動裝置(指機外的)、后冷卻器、緩沖器、油水分離器、儲氣罐、冷卻水泵、冷卻塔、各種管道、閥門、電氣設備及其保護裝置、安全防護罩、網等，有的還設有便于壓縮機輕載啟動(尤其是二次帶壓啟動)和控制冷卻水通斷的電磁閥，以及壓縮空氣的凈化裝置和干燥裝置等tll02.1.2往復式壓縮機振動的工作循環及振動激振源分析       

17、 圖2.1為一活塞式壓縮機的雙作用氣缸的結構簡圖，氣缸、活塞組、連桿、曲軸組成了一個曲柄連桿機構。曲軸旋轉，通過連桿、十字頭和活塞桿帶動活塞作往復運動，使得氣缸壁和活塞圍成的密閉容積發生周期性的變化。曲軸旋轉一周，活塞往復一次，閉容積內的氣體經過膨脹、吸氣、壓縮、排氣這四個過程，壓縮機完成一個工作循環。以缸蓋一側的工作腔為例，說明往復式壓縮機的工作過程yosyos0膨脹過程A-B:在位置A處，曲軸角為0度，活塞處于外止點。此時，缸頭端排氣閥關閉，由于氣缸缸頭端余隙的存在，缸頭端內殘留著一部分氣體，氣體壓力為排氣壓力Pd。隨著曲軸的轉動，活塞被帶著向右運動，缸頭端容積增大，缸頭端氣體膨

18、脹，氣體壓力迅速減小。直到活塞運動到B點，缸頭端內氣體壓力達到最小值。     吸氣過程B-C:到達B點后，隨著活塞繼續向右運動，缸頭端內氣體壓力足夠小以至于缸頭端吸氣閥在吸氣腔內氣體的壓力作用下打開，吸氣腔內氣體涌入缸頭端內。直到活塞運動到內止點C缸頭端的容積不再增大，缸頭端內充滿氣體，氣體壓力為吸氣壓力Psa毅氣 圖2.1雙作用氣缸結構簡圖Fig. 2.1 the structure of the cylinder    壓縮過程C-D:活塞在曲軸的帶動下，由內止點C向外運動，缸頭端容積變小

19、，缸頭端氣體被壓縮，氣體壓力增大，使得缸頭端吸氣閥關閉?；钊^續向外運動，缸頭端內的氣體受到壓縮，體積不斷減小，壓力不斷增大。直到活塞運動到D點，缸頭端內氣體壓力達到最大值。   排氣過程D-A:到達D點后，隨著活塞繼續向外運動，缸頭端內氣體壓力足夠大以至于缸頭端排氣閥在缸頭端內氣體的壓力作用下打開，缸頭端內氣體涌入排氣腔內。直到活塞運動到外止點A，缸頭端的容積不再減小，缸頭端內殘留一部分氣體，氣體壓力為排氣壓力Pdo    上述四個過程中，膨脹過程和壓縮過程是熱力過程，這兩個過程中氣體質量沒有發生變化，只是氣體的狀態參數發

20、生了變化。它們可以是等溫過程，絕熱過程或者多變過程。而吸氣過程和排氣過程中，氣體質量發生了變化，是質量遷移過程，不是熱力過程。對于多缸往復式壓縮機來說，各缸以一定工作原理周期性的順序工作，而對每個缸來說，它們都具有與單缸相同工作特性。故個體和整體綜合分析依然可分辨出各激振源的響應，不過由于臨缸的影響，響應信號會變得十分復雜，為信號分析造成一定的困難。       目前，國內安裝己在線監測系統的往復式壓縮機組非常少，即使安裝也僅僅限于活塞桿沉降監測，但其只具有DCS顯示或ESD(緊急停車)功能，不具備對壓縮機早期故障預防及分析

21、能力，還遠遠不能達到預期維修的目的。根據赫爾碧格公司數據統計80%的往復式壓縮機非計劃停機都是由于氣閥、活塞和活塞環、填料等部件出現故障導致，而這些故障80%都可通過在線監測系統早期預防。  2.3往復式壓縮機常見故障及機理研究    往復式壓縮機大多數零部件都處于來回的往復式工作狀態，且其各零部件間連接方式多種多樣，因此往復式壓縮機故障大多發生于其連接部位，主要都是由于長周期磨損或者疲勞失效導致。反映其故障狀態的監測參數大致上可分為兩類:一類是設備熱力學參數變化，如排氣量、排氣溫度、排氣壓力等的變化;另一類是動力性能參數，如曲軸振動

22、、十字頭沖擊等。當然，有些故障所表現出來的特征既會引起熱力參數變化，也會伴有設備動力參數變化。2.3.1氣閥泄漏故障機理及表現特征    據相關資料統計，往復式壓縮機氣閥類故障是其最常見故障。氣閥主要由閥座、閥片、彈簧及升程限制器組成，其中閥片、彈簧是氣閥故障的主要原因。 (1)閥片在氣閥內作高頻率的往復運動，承受頻繁的撞擊，長周期容易使閥片疲  勞損壞或者斷裂。另外閥片在工作過程中經常與密封面發生摩擦，當磨損量過大時就會影響氣閥密封效果，而且影響閥片壽命;  (2)彈簧在工作過程中，承受不間斷的交變應力

23、，使得彈簧疲勞失效，無法達到預定的預緊力，出現氣閥開啟過早或過遲以及閥片震顫等現象，而致使氣閥不能正常工作。彈簧在變形過程中出現的與其他部位摩擦也會影響氣閥壽命;(3)氣閥閥片運動過程中，摩擦引起閥座密封面損壞、氣閥結碳、氣閥通道進入異物等也是導致氣閥泄漏的原因。 氣體在氣缸內經過壓縮會使氣體溫度升高，吸氣閥泄漏后，高溫氣體回流吸氣管道經過吸氣閥，會使吸氣閥本身溫度升高。排氣閥泄漏后由于氣體會回流至氣缸內，也會使排氣閥本身溫度升高。另外氣閥泄漏也會導致壓縮機自身吸、排氣壓力參數發生變化。如果是由于閥片震顫或閥片斷裂導致的氣閥泄漏，其上述表現特征外，還會引起氣閥開啟與關閉過程中動力參數

24、變化。2.3.2拉缸故障機理及表現特征氣缸在做往復運動過程中，支撐環（活塞環？）會隔開活塞與氣缸內壁，避免兩者直接摩擦。支撐環屬于易損耗零件，長期磨損后，如更換不及時，就會導致活塞與氣缸內壁兩種硬質材料發生摩擦，導致氣缸內部破損。氣缸內進入異物也會導致拉缸故障。拉缸故障出現會導致活塞桿下沉，并且伴有沖擊特征，另外由于活塞與氣缸間隙過大，會發生氣體泄漏現象而引起吸、排氣壓力變化。2.3.3氣缸進液機理及表現特征對于臨界溫度較低的氣體，或者由于氣體濕度過大，會使氣缸內產生氣液混合介質，在壓縮機壓縮過程中就會產生“氣錘”現象，而給氣缸或活塞帶來很大的沖擊?！皻忮N”的沖擊現象一般發生在壓縮機換向的過程

25、中，所以氣缸進液故障會在在壓縮機換向時產生很大的振動特征。2.3.4+字頭與滑道間隙過大故障機理及表現特征十字頭是將旋轉運動轉變為往復運動的樞紐，其被固定在滑道內做往復運動，如出現潤滑不良或者有雜質進入滑道以及長時間運轉，都會增大十字頭和滑道的磨損量，不斷積累就會致使十字頭與滑道間隙過大。其主要變現特征就是導致活塞桿沉降量增大，機組自身振動增大，但對設備熱力性能參數影響不大。2.3.5十字頭大小頭瓦間隙過大故障機理及表現特征    十字頭大小頭瓦雖然能做旋轉運動，摩擦會比較均勻，但壓縮機在換向過程中，或出現壓力波動時都會對兩者產生沖擊，致使大小頭瓦局部磨

26、損量過大，導致十字頭大小頭瓦間隙過大。當出現間隙過大故障時，會在壓縮機換向過程中產生較大振動沖擊，并且會致使活塞桿沉降量有突變特征。2.3.6曲軸軸承損壞機理及特征 由于壓縮機各運動零件都做不等速運動，以及偏心旋轉運動，就會產生相應的慣性力，正常情況下，在設計機組時會盡量平衡掉慣性力，但由于壓縮機工況惡劣、復雜，致使慣性力不斷變化，而這部分慣性力就會由主軸承來承擔。另外疲勞失效也會引起軸承故障。曲軸軸承損壞表現特征為機體自身振動值增大，并且具有周期性振動特征。 2.3.7基礎松動故障特征 往復式壓縮機基礎主要用來平衡壓縮機自身產生的傾覆力矩，當基礎松動或固減壓縮機

27、的螺栓松動后，由于部分傾覆力矩無法平衡掉，就使壓縮機有向旋轉方向傾仁的趨勢，這使得機身振動明顯增大，且無規律。2.3.8其它故障    由于往復式壓縮機結構復雜，振動激勵源較多，有些故障還不能完全準確分辨，如十字頭銷松動與大小頭瓦間隙過大特征非常相近，基礎松動或基礎螺栓松動也無法準確定位，類似于這樣特征相近的故障的監測還有待于進一步研究。2.4小結    本章首先研究了壓縮機理論工作循環與實際工作循環，并對兩者差異作出分析r較，以便了解壓縮機工作特性。通過現場工作經驗總結及壓縮機結構特征的研究，J苞結了壓縮機常見故

28、障機理及其故障特征，為在線監測系統設計提供有力依據。  (1)氣閥溫度監測    機組的吸氣和排氣閥通常是往復式壓縮機中維修率最高的部件。往往氣閥出現故障時都伴有壓縮氣體泄漏情況，這就會導致氣閥本體溫度升高。故障閥會明顯降低壓縮機的效率。通過監測氣閥溫度變化趨勢，早期發現氣閥故障。(2)活塞桿沉降監測    活塞支撐環屬于易損耗類零件，而活塞支撐環磨損必然導致活塞桿位置下沉，通過對活塞桿沉降值監測，可以避免由于支撐環磨損過量而引起的“拉缸”事故，從而造成昂貴的維修或非計劃停車費用。通常活塞桿沉降監測能監測的故障有十字頭與活塞桿連接松動，十字頭與滑到間隙過大，支撐環磨損，氣缸與活塞桿同軸問題等。    (3)曲軸箱振動監測對稱平衡式壓縮機上的氣缸作用在曲軸上的力從物理上講能相互抵消，但是當過程發生變化，如氣閥損壞、泄露、曲軸軸承損壞