往復壓縮機建模與故障機理分析

張福超，張宏斌，潘 迪，吳志東，王成龍

（1.齊齊哈爾大學 機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾大學 理學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

往復式壓縮機在石油、石化企業中是常用的一種機械設備。由于往復壓縮機結構復雜，激勵源眾多，故障診斷難度較大。隨著計算機技術的不斷完善，專家系統、人工神經網絡技術的不斷進步，往復壓縮機故障診斷方法已經初步系統化，繼續開發新的診斷技術和方法，對往復壓縮機故障原因進行有效診斷具有非常重要的意義。本文選取往復壓縮機的主要構件進行幾何結構建模[1]，對其進行力學分析，根據主要構件的受力情況進行故障機理分析，作為往復壓縮機故障診斷研究過程中的理論依據。

1 典型部件建模與力學分析

1.1 運動學模型

圖1 往復壓縮機幾何結構模型示意圖

由壓縮機幾何結構模型，可以得到：

活塞位移：

活塞的速度：

活塞的加速度：

1.2 動力學模型

圖2 往復壓縮機部件受力分析

有圖2受力分析可知：

活塞部分的往復慣性力：

活塞受到的側向力：

曲柄做圓周運動時，產生的慣性力在 方向和方向的分量分別為：

1.3 轉動力矩分析

往復壓縮機的主要運動部件有曲柄、活塞等，根據以上模型對其進行轉動力矩分析。

氣缸壓力對曲柄產生的力矩為：

作用在曲柄銷上的力對曲柄軸產生的力矩：MPH＝PH·r·cosα

活塞運動對氣缸壁的作用力對曲柄軸產生的力矩：

由以上受力分析可知，往復壓縮機主要激勵源是活塞往復運動慣性力，活塞在曲柄軸的帶動下長期沖擊氣缸，造成活塞環、曲柄軸和氣缸磨損，使十字頭和滑道間隙增大，壓縮機振動增強，從而引發諸多故障。

2 故障機理分析

往復式壓縮機的故障主要包括磨損與泄露兩大類[2]。磨損是機械動力性能故障，屬機械性質范疇，以壓縮機異常的響聲、振動和過熱為主要特征；泄露是機械熱力性能故障，屬流體性質范疇，以壓縮機工作時排氣量不足，排氣壓力、級間壓力、溫度異常為主要表現[3]。

采用故障樹分析方法對上述故障原因進行分析，能夠直觀地提供往復式壓縮機常見故障部位的診斷可能性，同時也就相應地決定了不同的診斷方法。

2.1 振動機理分析

基于往復壓縮機的結構復雜性，在開機狀態下，各部件之間會產生相對運動，運動產生力的作用，造成壓縮機內部激勵力和故障響應。頻繁的激勵與響應導致壓縮機振動偏離正常狀態，除此之外，自主運動的其他部件也會使壓縮機在一定程度上發生抖動。長期、激烈的振動必將導致壓縮機主要運動部件的磨損和松動，部件之間的間隙逐漸增大、溫度過高，將導致故障的發生[4]。

2.2 漏氣機理分析

壓縮機易發生泄露故障的主要部件是填料函、氣閥和氣缸，泄露表現為往復壓縮機氣缸壓力不穩、溫度異常、振動信號非線性等狀態，采用先進的傳感技術，對壓力和振動信號進行采集、處理、分析及跟蹤監測，從而實現往復壓縮機漏氣機理分析及故障評估與診斷[5]。

3 結語

基于往復壓縮機幾何模型，進行力學建模，對主要運動部件進行了運動學和動力學分析，得到往復壓縮機力學模型，通過建立往復壓縮機故障樹分析圖，比較直觀的體現了往復壓縮機故障發生的主要部位，進而在此基礎之上進行有效干預。往復壓縮機的故障引發是一個動力沖擊累積的過程，對于往復壓縮機的故障診斷而言，需要考慮機械本身的強度損壞，還應考慮在低沖擊力的基礎上往復機械的疲勞損壞。