螺桿壓縮機故障診斷及問題處理研究

李 洪，周志明，張菊紅

（中國石油吉林石化公司電石廠，吉林吉林 132022）

0 引言

螺桿壓縮機主要分為單螺桿式壓縮機和雙螺桿式壓縮機兩大類，這兩大類螺桿壓縮機均起源于1950 年代。單螺桿式壓縮機主要應(yīng)用于國防領(lǐng)域，雙螺桿式壓縮機則主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。螺桿壓縮機有3 種常見的產(chǎn)品，分別是螺桿式制冷壓縮機、螺桿式工藝壓縮機和螺桿式空氣壓縮機。這3 種產(chǎn)品的工作原理、優(yōu)缺點基本相同，適用于采暖空調(diào)方面，其制冷和制熱范圍十分廣泛，輸入功率范圍已發(fā)展至10～1000 kW，其故障的類型大致相同。螺桿壓縮機的常見故障現(xiàn)象有10 種，分別是機組排氣溫度超過100 ℃、機組油耗大或壓縮空氣含油量大、機組壓力低、機組排氣壓力過高、機組電流大、機組無法啟動、機組啟動時電流大或跳閘、機組振動幅度過大、風(fēng)扇電機過載和主機卡死，造成機組跳機。這些故障均可運用現(xiàn)代化的故障診斷技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行問題的分類，并制定通用性較好的解決方案。

1 螺桿壓縮機的基本構(gòu)造與工作原理

螺桿壓縮機結(jié)構(gòu)簡單、部件數(shù)量少，螺桿軸承等主要部件耐磨性好，排氣量基本不受排氣壓力的影響，在較大的工況范圍內(nèi)能保持很高的工作效率，使用滑動軸承可實現(xiàn)能量的無級調(diào)節(jié)（圖1）。

圖1 螺桿壓縮機

1.1 螺桿壓縮機的基本構(gòu)造

螺桿壓縮機主要由6個部分構(gòu)成，包含外層的機殼、內(nèi)層的軸承、軸封、轉(zhuǎn)子、能量調(diào)節(jié)裝置、油壓平衡活塞等，在工業(yè)上常用的雙螺桿壓縮機則包含陰、陽兩根螺桿，分別為凸齒形和凹齒形。螺桿壓縮機一般采用剖分式機殼，主要由吸氣端座、排氣端座、兩端端蓋及機體構(gòu)成。轉(zhuǎn)子由一對特殊螺旋齒形的螺桿相互嚙合形成，螺桿和軸多為一體式，材料以中碳鋼、合金鋼或球墨鑄鐵為主，精加工后需要平衡校驗。

軸承與軸封也是螺桿壓縮機的核心部件，壓縮機的陰、陽螺桿均由滑動軸承和向心推力球軸承支承。柱銷使滑動軸承在吸、排氣端座內(nèi)固定，在排氣側(cè)的2 個螺桿上各安裝2 只承受軸內(nèi)力的止推軸承。螺桿壓縮機的軸封以摩擦環(huán)式機械密封器居多，安裝在主動轉(zhuǎn)子靠聯(lián)軸器的端軸上。為了解決吸、排氣側(cè)之間的壓力差，使作用在陽螺桿上的軸向合力，比陰螺桿上的軸向合力大得多的問題，在陽螺桿上增設(shè)了油壓平衡活塞。

1.2 螺桿壓縮機的工作原理

螺桿壓縮機的工作原理主要分為吸氣過程、封閉及輸送過程、壓縮及噴油過程和排氣過程4 個過程。在螺桿壓縮機設(shè)計時，需要讓壓縮室可以充分吸氣，一般采用側(cè)吸口的方式設(shè)計。進(jìn)氣量的大小由調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，螺桿轉(zhuǎn)動時需要進(jìn)氣空間最大，即將陰陽螺桿的齒溝空間轉(zhuǎn)至與進(jìn)氣端壁開口重合，螺桿的齒溝空間與進(jìn)氣口之間空氣完全流通，此過程為吸氣過程。當(dāng)陰陽螺桿在吸氣過程結(jié)束后，其二者的齒峰與機殼隔絕，空氣在齒溝內(nèi)閉封不與外界發(fā)生空氣流動，則是封閉的過程。后續(xù)陰陽螺桿繼續(xù)轉(zhuǎn)動，在吸氣端齒峰與齒溝發(fā)生吻合，吻合面逐步向排氣端移動，這是氣體輸送的過程。壓縮過程與輸送過程幾乎同時進(jìn)行，嚙合面與排氣口間的齒溝間逐步縮小，齒溝內(nèi)的氣體壓力逐漸增強，氣體得到了壓縮。在壓縮過程中，潤滑油因壓力差的作用噴入壓縮室內(nèi)與室氣混合，這是噴油的過程。當(dāng)螺桿空壓機陰陽螺桿的嚙合端面轉(zhuǎn)到與排氣閥相通時，壓縮氣體的壓力達(dá)到壓縮的臨界值，被壓縮的氣體開始排出，直至齒峰與齒溝的嚙合面移到排氣端面，陰陽螺桿的嚙合面與機殼排氣口重合，這樣就完成排氣過程，即一個螺桿壓縮機的運行周期完成。

2 螺桿壓縮機故障診斷技術(shù)

2.1 螺桿壓縮機故障診斷

螺桿壓縮機的故障診斷跟其他機械的故障診斷一樣，均為利用各種檢查和測試方法，對螺桿壓縮機的是否存在故障進(jìn)行判斷、對其工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對故障發(fā)生的概率進(jìn)行預(yù)測，為螺桿壓縮機的使用和維護(hù)提供可靠的診斷數(shù)據(jù)。故障診斷技術(shù)的應(yīng)用離不開準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的采集和分析，結(jié)合數(shù)據(jù)分析技術(shù)，找到螺桿壓縮機故障的發(fā)生規(guī)律，形成一套適用性強的螺桿壓縮機故障診斷技術(shù)。綜合分析螺桿壓縮機的故障不難發(fā)現(xiàn)，螺桿壓縮機內(nèi)部的壓力變化、螺桿工作時溫度的變化、壓縮機內(nèi)部的噪聲和振動、壓縮機工作時的能耗變化等，都能成為螺桿壓縮機故障診斷的依據(jù)。通過信息系統(tǒng)對螺桿壓縮機數(shù)據(jù)的記錄和相同壓縮機不同時間的對比，以及大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中同類型壓縮機的對比，最終得到故障診斷的結(jié)論。故障診斷的數(shù)據(jù)不僅需要為查找故障服務(wù)，更多的是為螺桿壓縮機的預(yù)防性維護(hù)提供可靠的依據(jù)，節(jié)約維護(hù)時間和成本，降低設(shè)備的故障率，延長壓縮機的使用年限。

2.2 故障診斷的方法

螺桿壓縮機故障診斷的方法按照不同的維度可以劃分為直接與間接故障診斷法、外部和功能診斷法、實時和定期監(jiān)測診斷法、簡單和準(zhǔn)確診斷法等。螺桿壓縮機的故障診斷范圍包括組成部件、結(jié)構(gòu)單元和整體構(gòu)造。在實際的故障診斷過程中，工作人員可通過對噪聲、振動、壓力等進(jìn)行實時監(jiān)測，掌握螺桿壓縮機故障診斷的第一手資料，為后續(xù)的間接故障診斷和定期監(jiān)測診斷提供基礎(chǔ)。螺桿壓縮機故障的所有診斷方法需構(gòu)建成一個完整的故障診斷體系，它的構(gòu)建離不開檢測性能、診斷性能和綜合性能三大指標(biāo)的作為基礎(chǔ)：①檢測性能指標(biāo)，涉及一個故障檢測系統(tǒng)對“小”故障信號的檢測能力，故障檢測的及時性，故障的誤報率和漏報率；②診斷性能指標(biāo)，涉及故障分離能力和故障辨識的準(zhǔn)確性；③綜合性能指標(biāo)，涉及魯棒性和自適應(yīng)能力。

2.3 螺桿壓縮機故障診斷的具體方式

對于螺桿壓縮機的故障診斷，一般通過分布在其各部件上的傳感器來獲取數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至故障診斷數(shù)據(jù)庫，運用信號判斷法進(jìn)行診斷，這就是故障診斷中早期微弱的故障特征值提取。在傳統(tǒng)故障診斷中，諸如整體時域波形分析、小波分解、單通道頻譜分析、EMD（Empirical Mode Decomposition，經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解）以及雙通道軸心軌跡分析等都有各自的使用場景，與現(xiàn)代的智能診斷方法相比仍存在不小的差距，但是也有易觀察等優(yōu)點。例如，整體時域波形分析只要在波形中出現(xiàn)明顯的幅度變化，就可以認(rèn)定為異常。單通道的頻譜圖可以直觀地發(fā)現(xiàn)碰撞、磨損以及平衡方面的問題，為尋找故障原因提供幫助。

近年來隨著機器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了運用特征遷移法進(jìn)行螺桿壓縮機故障診斷的方式，這也是基于時域、頻域指標(biāo)提取和最大信息系數(shù)算法基礎(chǔ)之上的。最優(yōu)特征的選取是特征遷移方式的關(guān)鍵，通過標(biāo)準(zhǔn)化的歐氏距離來表示螺桿壓縮機故障特征的類內(nèi)和類間距離，使用無監(jiān)督K 均值聚類的方法對故障診斷的樣本進(jìn)行篩選，提高故障診斷的精準(zhǔn)度。

3 螺桿壓縮機的典型問題處理

通過對某公司螺桿壓縮機機組近3 萬個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)監(jiān)測，運用特征遷移法進(jìn)行故障診斷，不難發(fā)現(xiàn)振動烈度值的異常波動是影響螺桿壓縮機運行的典型問題。根據(jù)螺桿壓縮機故障診斷中發(fā)現(xiàn)的問題，采取了以下減振處理措施：①進(jìn)行陰陽螺桿的動平衡試驗，發(fā)現(xiàn)陰螺桿比陽螺桿偏重1 g，隨后進(jìn)行直線度的檢查，判斷其是否滿足需求；②檢查軸承并更換，雖然螺桿壓縮機的軸承未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的裂縫和嚴(yán)重的磨損，但是經(jīng)過認(rèn)真檢查發(fā)現(xiàn)軸承的滾柱和滾球上均有細(xì)小的裂痕，是輕微碰擦留下的痕跡，結(jié)合大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的判斷，軸承達(dá)到了預(yù)防性維護(hù)需要更換的年限；③校對聯(lián)軸器，聯(lián)軸器是連接電機和壓縮機的產(chǎn)物，在安裝和使用的過程中會導(dǎo)致螺桿不能和中心進(jìn)行很好的對準(zhǔn)，需要借助于紅外線激光儀進(jìn)行校正和對齊；④校準(zhǔn)螺桿排氣端面與排氣端板之間的間隙，使其保持在設(shè)計范圍之中。通過上述4 個步驟的處理，螺桿壓縮機頻譜和峰值分布范圍均達(dá)到了預(yù)期要求，振動問題得到解決。

4 結(jié)語

通過科學(xué)的螺桿壓縮機故障診斷方法和整個故障診斷體系的搭建，使得螺桿壓縮機的故障得到了及時處理，節(jié)省了設(shè)備故障搶修的時間，提高了螺桿壓縮機的可用性。通過大數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)等新型信息技術(shù)的輔助，使得螺桿壓縮機的故障診斷更加準(zhǔn)確，也更具效率。未來將通過對螺桿壓縮機故障類型的細(xì)分，收集更多的機器歷史運行數(shù)據(jù)，進(jìn)行更多場景故障診斷的實踐，力爭使螺桿壓縮機故障診斷的準(zhǔn)確率再上一個新臺階。