往復(fù)壓縮機(jī)建模與故障機(jī)理分析

張福超，張宏斌，潘 迪，吳志東，王成龍

（1.齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

往復(fù)式壓縮機(jī)在石油、石化企業(yè)中是常用的一種機(jī)械設(shè)備。由于往復(fù)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，激勵(lì)源眾多，故障診斷難度較大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷完善，專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步，往復(fù)壓縮機(jī)故障診斷方法已經(jīng)初步系統(tǒng)化，繼續(xù)開發(fā)新的診斷技術(shù)和方法，對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)故障原因進(jìn)行有效診斷具有非常重要的意義。本文選取往復(fù)壓縮機(jī)的主要構(gòu)件進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)建模[1]，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，根據(jù)主要構(gòu)件的受力情況進(jìn)行故障機(jī)理分析，作為往復(fù)壓縮機(jī)故障診斷研究過(guò)程中的理論依據(jù)。

1 典型部件建模與力學(xué)分析

1.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

圖1 往復(fù)壓縮機(jī)幾何結(jié)構(gòu)模型示意圖

由壓縮機(jī)幾何結(jié)構(gòu)模型，可以得到：

活塞位移：

活塞的速度：

活塞的加速度：

1.2 動(dòng)力學(xué)模型

圖2 往復(fù)壓縮機(jī)部件受力分析

有圖2受力分析可知：

活塞部分的往復(fù)慣性力：

活塞受到的側(cè)向力：

曲柄做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的慣性力在 方向和方向的分量分別為：

1.3 轉(zhuǎn)動(dòng)力矩分析

往復(fù)壓縮機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)部件有曲柄、活塞等，根據(jù)以上模型對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)力矩分析。

氣缸壓力對(duì)曲柄產(chǎn)生的力矩為：

作用在曲柄銷上的力對(duì)曲柄軸產(chǎn)生的力矩：MPH＝PH·r·cosα

活塞運(yùn)動(dòng)對(duì)氣缸壁的作用力對(duì)曲柄軸產(chǎn)生的力矩：

由以上受力分析可知，往復(fù)壓縮機(jī)主要激勵(lì)源是活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力，活塞在曲柄軸的帶動(dòng)下長(zhǎng)期沖擊氣缸，造成活塞環(huán)、曲柄軸和氣缸磨損，使十字頭和滑道間隙增大，壓縮機(jī)振動(dòng)增強(qiáng)，從而引發(fā)諸多故障。

2 故障機(jī)理分析

往復(fù)式壓縮機(jī)的故障主要包括磨損與泄露兩大類[2]。磨損是機(jī)械動(dòng)力性能故障，屬機(jī)械性質(zhì)范疇，以壓縮機(jī)異常的響聲、振動(dòng)和過(guò)熱為主要特征；泄露是機(jī)械熱力性能故障，屬流體性質(zhì)范疇，以壓縮機(jī)工作時(shí)排氣量不足，排氣壓力、級(jí)間壓力、溫度異常為主要表現(xiàn)[3]。

采用故障樹分析方法對(duì)上述故障原因進(jìn)行分析，能夠直觀地提供往復(fù)式壓縮機(jī)常見故障部位的診斷可能性，同時(shí)也就相應(yīng)地決定了不同的診斷方法。

2.1 振動(dòng)機(jī)理分析

基于往復(fù)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，在開機(jī)狀態(tài)下，各部件之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生力的作用，造成壓縮機(jī)內(nèi)部激勵(lì)力和故障響應(yīng)。頻繁的激勵(lì)與響應(yīng)導(dǎo)致壓縮機(jī)振動(dòng)偏離正常狀態(tài)，除此之外，自主運(yùn)動(dòng)的其他部件也會(huì)使壓縮機(jī)在一定程度上發(fā)生抖動(dòng)。長(zhǎng)期、激烈的振動(dòng)必將導(dǎo)致壓縮機(jī)主要運(yùn)動(dòng)部件的磨損和松動(dòng)，部件之間的間隙逐漸增大、溫度過(guò)高，將導(dǎo)致故障的發(fā)生[4]。

2.2 漏氣機(jī)理分析

壓縮機(jī)易發(fā)生泄露故障的主要部件是填料函、氣閥和氣缸，泄露表現(xiàn)為往復(fù)壓縮機(jī)氣缸壓力不穩(wěn)、溫度異常、振動(dòng)信號(hào)非線性等狀態(tài)，采用先進(jìn)的傳感技術(shù)，對(duì)壓力和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、處理、分析及跟蹤監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)往復(fù)壓縮機(jī)漏氣機(jī)理分析及故障評(píng)估與診斷[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

基于往復(fù)壓縮機(jī)幾何模型，進(jìn)行力學(xué)建模，對(duì)主要運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，得到往復(fù)壓縮機(jī)力學(xué)模型，通過(guò)建立往復(fù)壓縮機(jī)故障樹分析圖，比較直觀的體現(xiàn)了往復(fù)壓縮機(jī)故障發(fā)生的主要部位，進(jìn)而在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行有效干預(yù)。往復(fù)壓縮機(jī)的故障引發(fā)是一個(gè)動(dòng)力沖擊累積的過(guò)程，對(duì)于往復(fù)壓縮機(jī)的故障診斷而言，需要考慮機(jī)械本身的強(qiáng)度損壞，還應(yīng)考慮在低沖擊力的基礎(chǔ)上往復(fù)機(jī)械的疲勞損壞。