往复压缩机气阀故障模拟实验与诊断研究

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往复压缩机是-种在石油、化工、新能源等行业中大量、广泛使用的重要通用机械。由于机械结构和故障机理复杂，对其进行故障诊断难度较大。

往复压缩机故障多发的部位基本上是由动力传递部分、气体进出及其密封部分及辅助部分3大部分组成。导致往复式压缩机故障的各种因素所占的百分比如表 1所示。从表中可以看出，气阀是往复式压缩机故障率最高的部件，由气阀原因导致的压缩机故障约占故障总数的36%。

表 1 导致往复压缩机故障的各种因素故障 气阀 填料 工艺 活 卸 气缸 管道 机体 机体 冷却 部位 问题 塞环 衬垫 仪表 其他 载器 润滑 系统 齿轮 润滑 系统比例(%) 36 17.8 8.8 7.1 6.8 6.8 5.1 5.1 1.3 O.4 0.4 0.2 3.7气阀作为往复压缩机关键部件之-，需要长 时间在高频冲击、高温、高压或在带有腐蚀性介质收稿 日期： 2012-12-18 修稿日期： 2013-05-30基金项目： 国家重点基础研究发展计划(973”计划)项目(2012CB026000)；国家 自然科学基金重点项 目(51135001)2013年第 41卷第6期 流 体 机 械 7的环境下工作，在往复压缩机所有部件当中最易发生损坏 。气阀-旦发生故障有可能会影响到机组的压气量，降低机组的工作效率造成能量的浪费和工艺流程的生产效率，严重的甚至可能会导致活塞损坏或拉缸等严重问题。往复压缩机气阀常见的故障有：阀片损坏、气阀弹簧失效、气阀泄漏等 J。

本文分析气阀各种故障的基本原理，通过在实际的往复压缩机实验平台上对吸气阀、排气阀设计-系列相关的破坏性实验，使用传感器对机组的振动信号及气阀温度信号进行采集，利用BH5000R在线监测诊断系统对往复压缩机气阀的故障特征进行了识别和分析，对往复压缩机气阀的各类故障特征进行了有效提取，获得了很好的分辨效果。

缓冲片图 1 气阀结构往复式压缩机是通过改变气缸内的容积来控制气阀进行工作，往复压缩机-个完整的工作循环包括膨胀、进气、压缩和排气4个基本过程：(1)膨胀过程中，随着活塞的运动，气缸体积增大，缸内压力持续减小，气缸内外压力差增大。

(2)当汽缸与吸气阀阀腔之间的压力差克服弹簧力时，压力推动吸气阀阀片离开阀座直到阀片撞击升程限制器气阀完全开启，汽缸开始吸气过程。

(3)当活塞接近止点位置时，进气速度和气流推力减少，吸气阀阀片从升程限制器向阀座回落，当活塞开始向回运动时，气缸内压力持续增加，压缩过程开始。

(4)当汽缸与排气阀阀腔之间的压力差克服弹簧力时，压力推动排气阀阀片离开阀座直到阀片撞击升程限制器气阀完全开启，汽缸开始排气过程。

据统计，在所有气阀类故障当中阀片与阀座密封面失效占总数的 55%，弹簧失效占总数的27%，阀片断裂占9%，其它类别故障占 9%[4 3。

从上述数据可以发现阀片泄露、断裂、弹簧刚度异常是往复式压缩机的常见的故障。

在-个完整的吸排气过程中阀片要需要与气阀进行两次碰撞，在高压缸中气阀中还要承受高温气体的激振力。阀片长期在交变压力、气流冲击激振力及高温的影响下，很容易发生泄露变形或疲劳断裂等问题。

弹簧刚度太序太大都会影响气阀的正常工作：弹簧刚度低会造成气阀开启提前及气阀关闭延迟从而造成气体回流；刚度高则会造成气阀开启延迟及关闭从而减小气体流量，这两类问题都会导致排气效率降低 j。

所使用的压缩机与炼化企业实际生产中所采用的压缩机非秤近。通过在该实验平台上对往复式压缩机的气阀类故障进行模拟，可以最大限度的采集到与实际情况最为接近的故障数据，非常具有理论研究价值和实际参考价值。压缩机具体工作参数如表 2所示。

表 2 往复压缩机参数额定工作 额定排气量 额定转速 数采系统采 冷却压力(MPa) (m /min) (r/min) 样率(kHz) 方式0.2 12 5o0 10 水冷在排气压力(表压)为 0 MPa、0.1 MPa、0.2MPa 3个工况下对吸、排气阀泄漏故障、弹簧失效故障及阀片严重损坏故障进行了模拟。

在往复式压缩机的重要部位安装传感器，对压缩机的数据进行采集，布置的测点及传感器类型包括：(1)键相测点选用传感器：电涡流传感器；(2)温度测点选用传感器：铂热电阻传感器；8 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.6，2013(3)十字头振动测点选用传感器：加速度传感器；(4)曲轴箱振动测点选用传感器：加速度传感器；测点分布如图2所示。

I鱼 童型盛l图2 测点分布本实验对往复式压缩机故障诊断的振动信号分析方法主要采用时域分析法。由于往复式压缩机各部件不断进行周期性运动，造成压缩机振动信号的时域波形存在明显的周期性和周期响应特征，因此结合工作原理可从时域波形上对压缩机的运行状态做出粗略的判断 J。时域内常用的特征参数有峰值、峰峰值、均方根值等 ，本实验采用振动峰值作为时域特征参数。

4 故障实验与特征提取根据数据统计，阀片与阀座密封面失效、弹簧失效、阀片断裂3种故障为往复压缩机最易发生3类故障。根据以上情况，对这几种故障模拟实验进行了如下安排：(1)吸气阀阀片泄漏实验将 2缸外侧吸气阀的阀片取出，用钢锯在阀片上锯出-个缺 口，将气阀组装完毕后再装回压缩机。

(2)吸气阀弹簧失效实验将2缸外侧吸气阀取出，并将吸气阀中的弹簧取出-个，重新将气阀组装完毕后再装回压缩机。

(3)吸气阀阀片断裂实验将 1缸外侧吸气阀阀片取出，换上-个裂纹和-个缺口的阀片，将气阀碎片放入气阀，组装完毕后将气阀装回压缩机。

(4)排气阀弹簧失效实验将2缸外侧排气阀取出，将排气阀中的弹簧取出-个，将气阀组装完毕后装回压缩机。

(5)排气阀阀片泄漏实验将 1缸外侧排气阀取出，将损坏的阀片安装在排气阀上，将气阀组装完毕后装回压缩机。

(6)排气阀阀片断裂实验将2缸外侧排气阀阀片取出，换上-个裂纹和-个缺口的阀片，将气阀碎片放入气阀，组装完毕后将气阀装回压缩机。

故障特征选取方法：根据曲轴转角对吸、排气阀开启、关闭时间段进行划分，观察故障气缸在不同负荷下振动及冲击的变化。

5 数据分析5.1 阀片泄漏故障吸气阀泄漏实验现象：2缸外吸温度 1及外排温度 1开车后温度升高的速率均比2缸内吸、内排温度快∝至停车前，2缸外吸温度比内吸温度高 2C左右，外排温度比内排温度高 6C左右，如图3所示。

80赵 40赠O0 20 40时间(rain)图3 吸气阀泄漏分析：外侧吸气阀泄漏导致阀盖温度升高，缸道内的介质反复压缩导致排气温度升高。

排气阀泄漏实验现象：2缸外排温度 1开车后温度升高的速率比2缸内排温度快∝至停车前，2缸外排温度比内排温度高5C左右，如图4所示。

分析：外侧排气阀泄漏导排气管道内的高温介质回流进气缸，缸道内的介质反复压缩导致排气温度异常升高。

2013年第41卷第 6期 流 体 机 械 9赠图4 排气阀泄漏5.2 弹簧失效故障吸气阀弹簧失效实验现象：开车后2缸体振动波形在曲轴转角 20。-60。范围内出现多次冲击，如图5所示。

昌趔警幅- 图 5 吸气阀弹簧失效分析：通过计算可知曲轴转角2O。～6O。为外侧吸气阀开启相位，弹簧失效导致阀片不能准确、平稳地开启和闭合，由于 4个支持点弹力的不-致，阀片在工作中易出现歪斜、卡塞等问题。

排气阀弹簧失效实验现象：增加负荷后，2缸缸体振动波形在曲轴转角290。～330。范围内有持续的冲击，如图6所示。

t之暑趔警幅冁 -图 6 排气阀弹簧失效分析：通过计算可知曲轴转角 310。为外侧排气阀开启相位，弹簧失效导致阀片不能准确、平稳地开启和闭合，由于4个支持点弹力的不-致，阀片在工作中易出现歪斜、卡塞等问题。

5.3 阀片断裂故障吸气阀阀片断裂实验现象：开车后 1缸缸体振动波形在曲轴转角40。左右冲击明显；1缸外吸及外排温度明显比1缸内侧吸排气温度要高，截至停车以前，外侧吸气温度比内侧高8℃左右，外侧排气温度比内侧高3C左右，如图7所示。

20 40时间(rain)(a)温度 比较0 ∞O 6 3 O o 敷角O 胁 0 舳O 6 3 角0 10 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.6，2013生强烈的冲击同时也会导致严重的泄漏。

6 结论(1)本文基于 BH5000R系统对往复式压缩机气阀的各类故障进行了真实模拟，同现实生产情况极为贴近。实验所提取到的故障特征十分明显，数据的分辨效果很好；(2)往复压缩机气阀类故障主要体现在气阀的振动、温度两部分的数据上，实验数据证明了该种故障诊断方法的可行性和实用性；(3)往复压缩机气阀阀片轻微变形和泄漏在气阀温度数据上会有比较明显的体现但在缸体振动上特征不明显；(4)往复压缩机气阀弹簧失效故障特征主要体现在缸体振动冲击上，特别是在开车初期吸气阀会发生颤振在振动波形上出现多次冲击，但在排气阀上弹簧失效故障特征不明显，只能作为故障的判断提供初级的振动依据；(5)往复压缩机气阀阀片断裂故障特征在气阀温度和缸体振动波形上都会有比较明显的体现，但由于此时故障-般已经达到晚期阶段，如果不能及时对故障进行排除-旦碎片掉人缸道可能会导致活塞损坏或拉缸等严重问题。