4往复式压缩机故障分析和管道振动.ppt

1,4. 往复式压缩机的故障分析和管道振动,2,双作用往复活塞压缩机,3,往复式压缩机故障率,压缩机的大量故障是在使用中由于管理不当产生的，尤其是不善于检测、分析各种参数，不善于从参数的不正常变化中辨别故障产生的苗头，以致一旦发生或严重时才不得不停机处理，而有些故障可能会酿成机器损坏，有毒、易燃、易爆气体外泄等严重事故，因此需要重视对往复式压缩机的故障监测与诊断。,4,学习本章的目的与主要内容,目的： 了解往复式压缩机的故障类型、原因、诊断方法 本章主要内容 往复式压缩机的故障类型与故障原因 示功图及阀片运动规律的测量与故障分析 压缩机的气流压力脉动与管道振动,5,往复式压缩机的工作原理,6,往复式压缩机发生故障的部位基本上是由下列三部分组成： 传递动力部分一曲轴、连杆、十字头、活塞销、活塞等零部件的故障: 气体的进出及其密封部分气缸、进气和排气阀门、弹簧、阀片、活塞环、填料函及排气量调节装置等部分的故障； 辅助部分包括水、气、油三路的各种冷却器、缓冲器、分离器、油泵、安全阀及各种管路系统方面的故障。 从反映故障状态的监测参数(征兆参数)上可分为两大类: 一类故障征兆表现在机器的热力参数变化上，如机器的排气量变化，吸、排气压力变化，各部分温度变化以及油路、水路故障所表现出来的热力参数变化; 另一类故障征兆表现在在机器的动力性能参数变化上，如压缩机主要零部件的缺陷、磨损、损坏和断裂故障所表现出来的机器振动和不正常声音，还有各种原因引发的管道振动。,7,由于往复机械通常需要利用一系列机构将回转运动转换成往复运动（如往复压缩机）或将往复运动转换成回转运动（如内燃机），因而其机械结构比较复杂，运动形式也较为复杂。 与旋转机械相比，往复机械具有以下特点： 1)运动比较复杂，振动既有旋转运动引起的振动，又有往复运动产生的振动，还有燃烧时冲击产生的振动，众多的频率，范围宽广的激励比较难以识别； 2)振动随负荷变化，在转速一定时，其负荷又随外界情况变化；,往复机械的振动及诊断分析特点,8,3)同时发生多种振动，相互干扰大。当发动机的运动部件出现不同程度的机械故障时，难以从振动信号中检测出相应的激励变化情况； 如气体压力引起燃烧室组件的振动; 活塞撞击连杆引起的振动 活塞撞击气缸引起的振动等几乎在同一时刻发生 4)缸数多，互相耦合，相互干扰，邻缸对本缸以及本缸中各运动部件之间的相互干扰不易区分； 5)敏感测点的选择及判断依据的确定比较困难。,往复机械的振动及诊断分析特点,9,往复机械的故障类型,结构性的故障：指零件磨损、裂纹、装配不当、动静部件间的碰磨等。 性能方面的故障：机器性能指标达不到要求，如功率不足、油耗量大、转速波动较大等。 结构性的故障会反映在机器的性能中。,往复机械的振动及诊断分析特点,10,在实际工作中，由于采用性能分析法诊断故障属于间接诊断，一方面不直接，影响因素较多； 另一方面，采用性能分析法难度也比较大。所用传感器价格昂贵，寿命较短，因此对于往复机械的监测和诊断，一般以振动诊断法应用较多。 由于绝大多数故障都会在振动方面有所反映，因此对振动信号进行分析处理，可以诊断出绝大多数设备故障。,往复机械的振动及诊断分析特点,11,考虑到往复机械的复杂性，对往复机械的故障诊断不仅需要在理论上进行研究，还要做大量的实验研究和经验的积累，同时在检测方法上也不能单一化和简单化。 在应用诊断检测的同时，还需应用温度监测、铁谱分析以及性能参数的测定。尽可能采用多种检测手段进行综合检测，并进行谨慎细致的分析，以便尽可能早的发现故障，确诊故障的原因，采取切实可行的处理对策。,往复机械的振动及诊断分析特点,12,有关工业用柴油机410次停机故障的分类统计。反映了往复机械故障的复杂性。,往复机械的振动及诊断分析特点,13,启动性能的检测 启动性能是柴油机的重要指标，主要影响因素有：启动动力源性能，汽缸压缩性能，供油系统、进气系统以及环境温度等。 为此启动性能检测包括了：动力源（蓄电池）性能、汽缸压缩性能、供油压力波、进气压力波、启动瞬时转速等，据此进行单项或者多项相关性诊断。 动力性能的检测 动力性能是柴油机的核心，主要影响因素包括：汽缸的气密性、供油量、喷油提前角、进气量等。 可以利用内燃机瞬时转速变化对气密性和动力性进行监测和诊断。,往复机械的动力性能监测,14,增压系统的检测,目前，大部分柴油机（除高速小型柴油机外）都装有废 气涡轮增压器，增压器工作好坏直接影响主机工作的状 态，因此，为了监测涡轮与压气机的效率，需要测量涡 轮进出口压力、温度及其转速，对于压气机也要测量相 应的温度与压力参数。 对中间冷却器中增压空气压降的监测可以了解冷却 器的污染程度，对空气过滤器前后压降的监测可以确定 过滤器有否堵塞现象。,往复机械的动力性能监测,15,进排气系统的检测 内容有：进排气压力、各缸排气温度及排气的成分等， 各缸排气温度的变化将反映进排气阀及喷油器工作状况 瞬时排气温度的测定能监测喷油器的故障。 对于往复式空压机性能监测参数，除各缸温度、压力外，尚应监测排气量及汽缸的漏气量，以了解气阀、活塞等的工作状态。,因此，利用往复机械性能的监测来判别故障是一种方便、实用的诊断方法。,往复机械的动力性能监测,16,4 .1 往复式压缩机的故障类型与故障原因,4.1.1 压缩机热力参数异常及其故障原因 排气量降低 吸、排气压力不正常 温度不正常 工况改变对压缩机主要参数的影响 油路故障 4.1.2压缩机主要零部件的机械故障 气阀故障 活塞杆断裂 连杆螺栓断裂 曲轴断裂 活塞卡住、咬住或撞裂 4.1.3压缩机故障振动,17,压缩机热力参数异常-排气量降低原因,压缩机排气量降低的原因很多.大部分属于气流通道受阻，内、外泄漏，余隙过大、转速降低等方面的问题,18,压缩机热力参数异常-吸、排气压力不正常,19,压缩机热力参数异常-温度不正常,温度不正常包括压缩机吸、排气温度过高，气缸、轴承、活塞杆、机体等各部件过热。 前者属于介质在压缩过程中的状态不正常产生气体温度过高，带来气缸、阀门积炭、磨耗和零部件变形、损坏。 后者发生过热的原因是摩擦发热过大，或者摩擦副润滑、冷却状态恶化。摩擦过热情况可引起两种后果： 一是在较高温度下使摩擦副加快磨损; 二是热量不断积聚，直至烧毁摩擦表面.酿成重大事故。 因此需要用测温仪器或手摸、眼看等方法，加强对压缩机各部位的温度监测。,压缩机主轴瓦温度的允许范围,20,压缩机热力参数异常-压缩机各部位温度不正常的原因,21,压缩机热力参数异常-工况改变对压缩机主要参数的影响,在流程工业中使用的多级压缩机，常因工艺参数的变化改变了压缩机的工作条件，从而影响到压缩机的某些性能参数。 经常遇到的工艺参数变化有:压缩机吸气压力变化、排气压力变化以及各级吸气温度变化，这些参数的变化直接影响到压缩机的各级压力、排气终了压力、排气温度、排气量和功率消耗。 （1）吸气压力变化 a.对各级排气压力影响 进人压缩机的气体压力变高或变低.引起压缩机各级排气压力、排气温度、排气量和功率的变化。 各级排气压力与第1级吸气压力的关系为 Pdi 第i级排气压力， Ps1,Psi第1级和第i级吸气压力: Vs1,Vsi第1级和第i级活塞行程容积。 在活塞行程容积不变情况下，各级排气压力与第1级吸气压力成正比例增减。,22,b 对各级排气温度影响 单级压缩机排气温度是随吸气压力的上升而降低。 多级压缩机吸气压力变化产生压比变化，同时也引起排气温度变化，但影响最大的是末级。因此如果吸气压力下降，末级压比增大最明显，末级排气温度最容易超出允许范围。 C 对排气量影响 当排气压力不变时，吸气压力下降，则压比上升. 对于单级压缩机，由于容积系数F降，排气量下降; 对于多级压缩机，主要导致末级压比上升，依次影响到第1级，使第1级吸气量下降，最终排气量也下降。但级数愈多，影响愈小.,23,D 对功率影响 压比较低压比1.2)的压缩机，吸气压力下降，指示功下降，功耗下降。反之指示功上升，功耗也上升。 其原因可从示功图上看出，如图所示，当压比较小时，吸气压力由原来的Ps下降到Ps,则指示功由L增大到L.当压比较大时，吸气压力由Ps下降到Ps，则指示功由L减小到L。,吸气压力变化对功耗的影响,24,(2)排气压力变化 由于工艺条件变化，使压缩机排气终了压力变高或变低，影响到压缩机的排气量、排气温度、各级级间压力和功率消耗、 a.对排气量影响 单级压缩机的排气压力上升，压比增大，容积系数下降，排气量下降； 多级压缩机的排气压力上升，首先是末级压比上升，直至影响到第1级，使第i级排气量减少，级数较多时对排气量的影响较小。 b.对排气温度影响 排气压力上升，主要引起末级排气温度上升，对其余各级的影响依次减小。反之，排气压力下降，也只使末级排气温度下降。 c.对级间压力影响 排气压力上升，压比增大。容积系数下,.从末级起吸入压力上升；使所有级的级间压力上升;排气压力下降，使所有级的级间压力下降。 但是在多级压缩中只有末级的压比变化较为明显，随着级数前移，压比变化迅速减弱。 d对功率影响 多级压缩机的排气压力上升，仅使末级和末前级的功率消耗增大，其他级的功耗基本不变。,25,(3)吸气温度变化 中间冷却器工作情况的好坏，会影响到各级吸气温度的高低，从而影响到压缩机的排气量、排气压力、排气温度和功率消耗， a.对排气量影响 气温度的变化改变了气体的比体积，使吸入气体的体积有变化。吸气温度愈高，吸入气体愈少。吸入气体的体积差为 式中V 由于级温度变化而引起吸人容积变化量; V 原来的吸人容积; Ts,Ts 分别为原来的吸气绝对温度、吸气温度变化量。 例如，压缩机原来吸气温度为270C，如果气缸尺寸不变，则吸气温度每升高1c，供气量就减少0. 33。 另外，吸气温度变化以后，吸人气体与气缸壁的热交换情况也发生了变化，影响到压缩机的温度系数和排气量。吸气温度变化对排气量的影响主要在第1级，第1级的吸气温度升高，则第1级的容积系数下降，吸气量减少，排气量也减少。往后各级的变化是愈到高压级影响愈小。,26,b.对排气压力影响 单级压缩机的吸气温度变化不影响排气压力; 多级压缩机的终了压力仍不受吸气温度影响，但是级间压力将随吸气温度的变化而变化。级间温度变化，将影响到前一级的排气压力和下一级的吸气压力，如级间温度下降，使前一级的排气压力和压比降低，但后一级压比上升。 C对排气温度影响 压缩机各级的排气温度在压比一定时，完全取决于各级的吸气温度，吸气温度上升，排气温度也上升。 d.对功率影响 单级压缩机所消耗功率与吸气温度无关，但多级压缩机的吸气温度上升，使压缩过程偏离等温压缩线，因而功耗增加。,27,压缩机热力参数异常-油路故障,压缩机油路包括油泵、注油器以及油路系统中的过滤器、冷却器、管路压力表等部分。 故障主要表现在油压偏低、偏高、油温过高，油量不足，局部润滑不良，注油不正常等方面。 油路系统的故障会引发机器摩擦、发热、烧损、咬死等一系列间题，必须查明原因，及时处理。,28,油路故障原因,29,压缩机主要零部件的机械故障,4.1.2.1气阀故障 气阀工作状态的好坏是压缩机技术发展的核心问题之一，往复式压缩机有60%以上的故障发生在气阀上。据某石化公司炼油厂对循环氢压缩机的故障统计，气阀故障引起的停机次数占总停机次数的85%以上。气阀一旦发生故障，马上影响压缩机的产气量，降低效率，浪费能源。阀件破损后碎块落人气缸，引起气缸拉毛，活塞和活塞环损坏，带来更为严重的问题。 往复式压缩机为了提高产气量，技术上的发展方向是高速、短行程。但是转速提高后带来的后果， 一是在阀隙中的气流速度增大。阀片两侧压差上升，阀在开启和关闭过释中对阀座和阀挡的冲击速度、冲击力增大，这使阀片受力情况恶化，磨损加剧; 二是单位时间内阀片对阀座和阀档的冲击次数增多，阀片和弹簧更快地发生疲劳破坏，这些问题的解决需要在气阀结构上、阀片的动力特性上和阀片、弹簧的材料上进行研究。,30,目前对气阀的研究主要包括如下几方面内容: 气阀中流动气流压力损失的研究; 阀片材料冲击应力和疲劳的研究; 阀片的振动应力、腐蚀疲劳强度的研究; 阀片运动规律的数学模拟和计算机求解方法的研究: 阀片和弹簧磨损、断裂故障诊断方法的研究。,31,（1）气阀故障原因,气阀故障，主要是阀片、弹簧破损，气阀密封性差，阀片的开启时间和高度不对以及安装中产生的问题。,32,(2)气阀漏气鉴别方法,在多级压缩机中，若某一级排气阀漏气，排出气缸的气体又部分泄漏回气缸，不仅使该级排气温度升高，排气压力下降，而且该级的排出气量不足，使前级的排气压力上升。因此判别某级排气阀是否漏气，可测量该级阀盖上的温度是否升高，本级排气压力是否下降，前级排气压力是否上升的方法来识别。此外，还可以用金属棒或泄漏检测仪检查。气阀漏气严重时会发出吱吱的声音。 某一级吸气阀漏气，则该级吸气阀部位温度升高。同时由于该级吸人气体又在压缩过程中泄漏出去，使前级排气压力上升，而后面各级因吸人气量不足，排气压力下降。因此同样可用测量温度、压力和声音的方法来判别。 如果第1级吸气阀漏气，则随后各级气量下降，各级排气压力也相应下降，因此可从各级排气压力和气量是否下降来加以辨别。,33,（3）提高气阀耐用性的措施,a. 校核阀片运动规律 各种压缩机阀片在活塞运动过程中都有一定的开启时间和关闭时间，因此有人想到，正常阀片的启闭时间应该符合一般统计规律.戴维斯根据大量气阀使用结果.提出了一个判别气阀可靠性的准则。如图所示，图中有三个曲柄转角参数1,2和3，它们都是从行程止点倒回过来度量的角度。,图 校验弹簧力的三个特征角 一-阀片自由关闭曲线。 阀片典型运动轨迹,34,由统计得到，当与阀的特征角符合下列条件时，气阀的寿命都比较长: 式中 气阀假想关闭角，即假定无气体推力时，阀片在弹簧力作用下，从全开位置降落到阀座上所需时间对应的曲柄转角，(。); 关闭角。指阀片开始脱离升程限制器，直到活塞到达止点的时间所对应的曲柄转角，（。); 开启角。指阀片在气体推力作用下克服弹簧力到达全开的瞬时位置开始，到活塞运动止点这段时间所对应的曲柄转角，(。)。 物理意义: 阀片在实际关闭过程中，既受到弹簧力的作用。又受到气体的阻挡，因此阀片关闭时，2必须大于1，否则将产生较大的延时关闭，降低阀片使用寿命。 另外，如果出现23的情况，表示气阀没有充分开启，产生颤抖现象，同样也会降低阀片使用可靠性。 因此符合上述要求的气阀基本上都是良好的;不符合上述要求的气阀虽然不一定不好，但如果背离此关系较远时，其工作状态肯定有问题,35,建立这两个可靠性准则的主要意义在于用来分析和修正一些故障很多的气阀。如果这些气阀不符合该准则，而且经常出现故障时，处理的方法有: 调整关闭状态时弹簧的预压缩量 ; 调整弹簧的刚度系数K; 调整阀片升程h; 改变阀片厚度和设置缓冲片。,36,b.改变气阀结构 对于转速较高的压缩机，为了提高气阀耐用期，需采用较小的阀片开启高度，这样可以减小阀片的撞击速度，确保气阀及时关闭，改善气阀的运动频率特性。阀片开启高度降低后，气阀的流通缝隙面积将减小，气流阻力增大，补偿的方法是增加阀座的通道数、采用多环窄通道气阀。这样既可增大气流在阀隙中流通的面积，又可改善阀片的受力状态。,37,c. 调整弹簧力 提高阀片寿命的措施，除了降低阀片开启高度之外，还需要采用待性较硬的弹簧或变刚性弹簧。使阀片在开启过程中增加其缓冲能力。对于转速较高的压缩机,阀片弹簧应采用钢丝直径较粗、中径较大，工作圈数较多，阀片全开后总变形最较小的弹簧，这样，弹簧的工作应力就较小，耐用期较长，同时因为阀片的撞击速度降低后阀片的寿命也得到了提高。 但是气阀弹簧力也不能过强，否则气阀会过早关闭。弹簧力过强的极端情况.将导致气阀产生振颤现象。,38,d.阀片边缘倒圆角 由于阀片的破坏主要是在撞击载荷下由阀片边缘开始的径向断裂，所以阀片边缘应倒圆角，以消除产生在边缘的应力集中。如图 所示，对环状阀片，倒圆角的半径较小，一般取r=0.20.5mm.对于网状阀片，由于破坏多数发生在外圈边缘，因此在外缘应倒大圆弧，一般取R=57mm.其余为小圆角。,39,e. 改善阀片制造工艺 据资料介绍，阀片磨削的残余应力可达200MPa以上。阀片残余应力的存在将缩短阀片的使用寿命。为此可采用小磨削量，精磨后进行补充回火处理。 f. 控制压缩气体中的油水含量 实际操作证明，压缩气体中油水含量较多时，阀片使用寿命迅速下降.因为注人气缸的润滑油和气体压缩时析出的水分混合，流过气阀时就粘附在阀座和阀挡上，阀片和密封口接触时液膜产的附着力将阻碍阀片运动，引起阀片的开启和关闭滞后。当阀片克服附着力而脱离密封口后.以很大加速度撞击阀座或阀挡，从而降低了阀片的使用寿命。,40,（4）气阀故障诊断方法的研究,气阀故障主要表现为阀片损坏、弹簧折断和气阀漏气方面，其实这三种故障常常互为因果的，阀片损坏可导致气阀漏气，弹簧折断使得阀片对阀挡和阀座的冲击速度和撞击力增大，导致阀片碎裂。因此，利用阀片冲击力的变化、气阀有否产生泄漏等特征参数来判断阀片和弹簧故障。是当前研究利用振动信号诊断气阀故障的主要方法之一。 监测气阀的故障信号，除了观察压缩机的热力参数变化之外如压缩机各级吸、排气压力变化、气量变化、阀腔内温度变化以及压力脉动变化等)，更主要的是希望从气阀工作过程中产生的动力性能变化来诊断放障。目前对气阀故障进行监测和诊断的主要方法如下：,41,在压缩机气阀阀盖上用传感器拾取振动信号或噪声信号，然后对信号进行分析处理和故障识别。 在气阀阀室内用位移传感器拾取阀片运动规律信号，校核阀片运动规律。 引出气缸的压力，作出气缸内的P-V示功图，从示功图的变化上判别气阀故障， 测量吸、排气腔内的脉动压力和温度变化诊断气阀故障。,42,第种方法使用很方便，不需要在阀体上开孔安装传感器。但是在阀盖上的测振传感器接收到的信号中混有很多机器其他运动部件的信号，对信号的处理和识别难度较大，需要对各种型式的压缩机进行深人研究。 第种方法虽然能直接测到阀片的运动状态，而且还能得到阀片位移随曲柄转角或时间变化的关系，信号受环境的影响很少。但是对阀片位移测量需要在阀座或升程限制器上开孔安装传感器，这在实际应用中有一定困难。对阀片运动规律的测录主要用来分析气阀工作的好坏，指导气阀的设计和改进。 第种方法已在一些大型的、重要的压缩机上获得应用，已有不少人设计出各种形式的气缸压力引出装置，有些压缩机出厂时已在机体上预留出气缸测压孔，可用来作气缸示功图的测量。利用示功图来识别故障，对不同类型的压缩机也需要作深入的研究分析，从正常和异常两种情况的示功图对比上确定对哪一类故障是敏感的。 第种方法对诊断气阀故障的有效性还需作进一步研究。,43,4.1.2.2 活塞杆故障 往复式压缩机的活塞杆断裂事故也较常见，据报道约占重大事故的25%左右，对于中、小型化肥厂使用比较普遍的对称平衡型氮氢压缩机，活塞杆断裂的事故率达到51.5在石化行业，重整氢气压缩机也屡有活塞杆断裂事故发生。 活塞杆断裂，不仅损坏活塞和气缸，而且还由于其他零部件的连锁性破坏，使易燃、易爆或有毒气体向外泄漏，带来人员伤亡、生产装置毁坏等一系列严重事故，因此在操作中必须予以足够重视。 活塞杆发生断裂的地方多数是在活塞连接处与十字头连接处，其原因如下。,44,活塞杆的螺纹由于螺纹牙型圆角半径小，应力集中严重，容易在循环载荷下产生裂纹和断裂。因此对大型压缩机需用滚压加工。用以消除应力集中。 退刀糟、卸荷槽、螺纹表面的粗糙度达不到要求，容易产生表面裂纹。 活塞杆的材质和热处理有问题，例如存在粗晶、魏氏体组织、偏析以及强度和塑性不符合要求: 连接螺纹松动或连接螺纹的顶紧力不足。 某一级因其他故障原因而严重超载。 活寒杆跳动量过大。 工艺气体腐蚀。,45,为了降低活塞杆与十字头、活塞杆与活塞连接处的主应力幅和螺纹根部严重的应力集中现象，德国BORSIG公司在国际上率先开发了一种机械-液压连接方式的技术，该技术的活塞杆端为无螺纹结构，采用三次施加并释放达150MPa的超高油压，把活塞杆压配人十字头内，便受力零件产生预应力，从而有效地降低大直径活塞杆传统结构中螺纹根部存在严重的应力集中问题，极大地提高了活塞杆工作的可命性。,46,4. 1. 2.3 连杆螺栓断裂 连杆螺栓是压缩机最重要的零件之一。它的断裂将造成严重事故.由于连杆螺栓在工作时承受很大的交变载荷和几倍于活塞力的预紧力，因此对它不仅要求具有足够的静强度.更重要的是要有较高的耐疲劳能力。对其结构形状，应力集申情况和装配精度等方面都有严格要求。 连杆螺栓断裂的原因如下. 连杆螺拴拧得太紧或太松。拧得太紧，螺拴承受过大拉力而折断;拧得太松，工作时螺母松动，连杆大头瓦在连杆体内晃动，螺栓承受过大的冲击力而折断。因此拧紧螺母时要用扭力扳手按要求力矩上紧。或者用测量螺栓伸长量的方法来控制拉紧力。 开口销折断引起连杆螺栓松动、断裂。 连杆螺栓疲劳断裂。 连杆螺栓的材质、锻压 、热处理、加工，探伤和装配有问题(特别要注意螺栓的过渡圆角、退刀槽、螺纹表面的粗糙度是否符合技术要求)。 连杆大头瓦过热，活塞卡住或超负荷运转。连杆螺栓因承受过大应力而折断。 运动部件出现故障，对连杆螺栓产生较大冲击载荷(例如曲轴、卜字头、活塞杆断裂)。 长期使用达5000 8000h，未对连杆螺栓进行磁粉探伤和残余变形测量。如果螺栓有万分之一以上残余变形者均应报废。,47,4.1.2.4 曲轴断裂 曲轴是压缩机中传递动力的重要运动件。由于承受较大的交变载荷和摩擦磨损，所以对疲劳强度和耐磨性要求较高。曲轴一旦断裂，将使曲轴箱、连杆、十字头或活塞等发生一系列连锁性破坏。曲轴多数发生拐臂处断裂，曲轴断裂的原因如下。 压缩机地基与电动机基础发生不均匀沉降，使联轴器严重不对中附加载荷。曲轴承受巨大的附加载荷 压缩机超载或在紧急停机时产生的剧烈冲击。 安装不正确或工作中气缸轴线发生变化，与曲轴轴线不垂直，使曲轴承受附加弯矩。 轴瓦在曲轴上装配不良，支承面贴合不均，间隙过小，轴承发热，轴颈拉沟、咬住或弯曲变形。 轴颈与曲拐过渡圆角是最严重的应力集中点，该处最容易发生疲劳断裂。圆角半径一般取r=(0.050.09)d (d为曲拐轴直径)，其表面粗糙度不大于0.4um如果过渡圆角不圆，表面粗糙，此处易产生裂纹而断裂。 由于设计不合理、材质不良、热处理不合要求，探伤不及时等因素产生裂纹和断裂。,48,4. 1. 2. 5活塞卡住、咬住或撞裂 活塞发生卡住、咬住或撞裂的原因如下。 润滑油质量低劣，注油器供油中断，发生干摩擦，因摩擦发热，阻力增大被卡住、咬住。 气缸冷却水供应不足或气缸过热状态下突然通冷却水强烈冷却，使气缸急剧收缩，(抱缸)，把活塞咬住。 气缸带液(例如，制冷压缩机吸人蒸发器中的液体造成“冲缸”;压缩机吸人气体太潮湿，气体被压缩后有水分析出，发生气缸“水击），可撞裂活塞，甚至击破气缸。 气缸与活塞间隙太小。 气缸内掉入活塞螺母、气阀碎片等坚硬物，活塞撞击时碎裂。 活塞材质不良、铸件质量低劣，强度达不到要求。,49,4.1.3 压缩机故障振动,4.1.3.1曲柄连杆机构的运动惯性力 往复式压缩机的运动部件是一整套曲柄连杆机构，这套机构在工作时既有加速和减速运动，又有旋转和往复运动。压缩机在工作负荷下，作用在活塞、连杆、十字头和曲轴上的力有惯性力、气体力和摩擦力。 惯性力有两种，即曲柄旋转时产生的旋转惯性力和活塞、十字头组件往复运动时产生的往复惯性力，连杆运动时则兼有这两种惯性力的作用。 在这些力中，气体力和摩擦力属于机器的内力，不会传递到基础上去，只影响到机身、中体、缸体、缸盖以及各运动零部件的受力状况和机器的磨损和功耗状况。 但是旋转惯性力、往复惯力、旋转阻力矩都是随曲柄转角变化的自由力和力矩，它们作用于机体轴承座上，通过地脚螺栓传给基础，使基础产生振动。而基础对机体的反作用力也同样使机器产生振动。 另外从压缩机的受力分析中可知，活塞力通过连杆，作用在曲轴上的一个垂直于气缸轴线分力与十字头作用在滑道上的侧向力，构成一个有使压缩机倾倒趋势的倾覆力矩，该力矩也是一个随曲柄转角而周期性变化的自由力矩，传递到基础，也会引起基础振动。,50,在压缩机的几个自由力及力炬中，惯性力的周期性变化是压缩机产生振动的主要原因，下面简要介绍这两种惯性力的形成。,51,(1)活塞的位移、速度和加速度 当曲柄轴转过角时，连杆的摆角为，活塞的位移量为 令 式中称为连杆的长径比，活塞式压缩机的值一般在1/3.51/0.6范围内 。 因为 右边按二项式公式展开，并略去人高次项可得 则,52,对时间t求导数，可得活塞的运动速度 活塞运动的加速度为上式对时间t求导数,53,（2)曲柄连杆机构的旋转惯性力和往复惯性力 旋转惯性力主要是由曲轴的质量不平衡产生，另外连杆的刚体平面运动有一部分质量可转化为旋转运动质量.一部分转化为往复运动质量。整个机械的旋转惯性力可表示为 式中 mr 一旋转运动部分的总质量、它包括由曲轴产生的旋转运动质量和连杆大头部分转化过来的旋转运动质量； r 曲柄旋转半径; 曲柄旋转角速度。 旋转惯性力引起机器的振动像不平衡振动一样，产生每转一次的转速频率振动，这种振动可以通过平衡方法把旋转惯性力基本消除掉，即在旋转惯性力所指的相反方向上施加平衡质量。,54,往复运动的惯性力是由往复运动部件的加速度产生。假定往复运动部件的总质量为ms(它包括了活塞组件和连杆小头部分的转化质量)，则往复运动的惯性力为: 上式中往复运动的惯性力F;由两部分组成: 称为一阶往复惯性力，力的变化周期等于曲轴旋转一周的时间，且在=时为最大，因此一阶往复惯性力引起的振动频率为机器的转速频率。 称为二阶往复惯性力，力的变化周期相当于曲轴旋转半周的时间，且在和时为最大，因此二阶惯性力引起的振动频率为转速频率的2倍。,55,几种型式压缩机的不平衡往复惯性力的大小和方位,56,4. 1.3.2压缩机故障振动和不正常声音 (1)故障振动 往复式压缩机由于存在旋转惯性力、往复惯性力及力矩，将会引起机器和基础的振动。除了这种机械运动引起的振动之外，往复式压缩机由于间歇性吸气和排气，气流的压力脉动还会引起管路振动。如果气流脉动频率恰好与气柱或管道自振频率相同，就会产生管道共振，这种共振将带来严重的后果，不仅引起压缩机和基础、管道各连接部分松动，严重时甚至会振裂管道。,57,往复式压缩机故障振动的部位及原因,58,压缩机机体振幅的大小与机器的结构型式有关，在同样的激振力下。一般立式、卧式、移动式的压缩机振幅要大于角度式、固定式的压缩机。中国现行往复式压缩机机械振动测量与评价标准(GB/T777-87)是通过对压缩机机体外表面不同高度和不同方向上(X,Y、Z三个方向)进行振动测最.取其最大的振动速度有效值作为压缩机振动烈度的评定值。振动烈度的分档方法见表4-10。表中各档的比例是1：1.6,即每两个烈度的级差值为4dB。压缩机按不同结构型式分为四类，各类压缩机的振动烈度不允许超过规定的极限值。 对于天然气工业用的压缩机标准则以美国石油学会标准API 618为基础。,59,压缩机的振动烈度GB/T 7777-87),60,各类压缩机的振动烈度(GB/T 7777-873,61,压缩机的基础振动可引起基础下沉，机器结构部件损坏，与机器连接的管道振动，管件损坏等一系列严重事故，因此对基础的振幅有一定限止 测量振动大都采用测振仪。对于基础振动的测量，可用速度式传感器;对于机体各部位振动的测量可用速度式、加速度式传感器。如果测出的振幅超过允许值，则需要根据上述所列各类可能发生的振动原因寻找故障，否则带病运转，将会加速机器的损坏或出现人身事故。,62,(2)不正常声音 往复式压缩机运行过程中，各运动部件会发出有节奏的与转速一致的正常响声，有经验的工人能从不同响声中判断出压缩机运行是否正常。当响声有刺耳的噪声、撞击声和不规则的节奏时，他们可立即判定机器运转不正常，甚至能判断故障发生的大致部位。,63,往复式压缩机故障声音的部位及其原因,64,利用压缩机在运行中发出的不正常声音来判别故障，常用的监测手段是用听棒测听机器各个部位，也可用机械故障听诊器，它是利用加速度传感器拾取的信号经过滤波、放大，通过耳机测听，比听棒有更高的灵敏度和信噪比。,65,往复式压缩机由于运动部件机构复杂，零部件，产生故障振动和故障声音是由多多种原因产生的，而且各种激励力对机器外壳上某测点的振动响应，由于传输途径的干扰也往往难以识别故障。有些报道认为，往复式压缩机的故障频谱图不同于旋转机械，它除了工频成分之外，往往伴有许多高倍频成分，而且它们的幅值也较高。高倍频成分上的能量集中可能是反映出主轴承磨损、活塞撞击、阀片碰撞等故障。 因此对往复式压缩机进行故障振动和故障声音的状态监测，相对其他旋转机械来说难度较大，故障诊断的研究工作开展得还不很普遍，诊断方法多数还停留于依赖人的五官感觉，或者用一些简单的测试仪器。国内外也有一些工厂和研究机构注重对往复式压缩机的状态监测与故障诊断技术进行开发研究，已研制出有一定特色的在线监测系统。 例如，有些在线监测诊断系统能对机器进行多测点、多参数进行监测，监测参数有压缩机的气体压力、温度、流量、油温、振动、位移，电动机的电压、电流、功率等。有些监测系统还辅以气缸的示功图监测，阀片运动规律监测，润滑油磨损颗粒监测。监测压缩机运行中是否发生气缸下沉、活塞、活塞杆和填料磨损、气阀损坏、主轴承磨损、曲轴不平衡和运动部件连接松动等方面的故障。,66,【实例对称平衡式空压机的故障振动诊断。 某钢铁厂空压机站有多台2DI2-100/8型空气压缩机，曾出现过多起一、二级气缸十字头连杆断裂事故和基础底脚螺栓松动引起振动的故障。 该机型为2列、对称平衡式，结构布置如图所示。,I一一级缸;2一曲轴箱;3一二级缸; 4一基础;5一二级十字头导板; 6一一级十字头导板;7一电动机,测振点布置在曲轴两端轴承座上，主要检测电动机同曲轴的连接状态信号、曲轴旋转部件故障的振动信号，也可为其他测点的振动信号分析提供参考。 测振点、布置在一、二级气缸体和一、二级十字头导板部位，主要检测气缸体、活塞、连杆、十字头等往复运动部件工作过程中的振动信号。 测振点布置在曲轴箱底座上. 主要检侧曲轴箱机身底座的振动信号。,67,4. 2示功图及阀片运动规律的测量与故障分析,4.2 .1压缩机示功图显示的故障 4.2.1.1示功图的测量 压缩机运行时，气缸内的气体体积和压力是在不断变化的，通常利用示功器观察和记录不同活塞位置或曲轴转角时气缸内部气体压力的变化，所得到的就是p-V示功图。 示功器的原理是把活塞移动或曲轴旋转时的位置信号(用行程S、曲轴转角a或时间t)作横坐标，气缸内的压力信号作纵坐标，同时输人到光线示波器等一类显示或记录装置，然后描绘出气缸内压力和活塞行程体积的关系曲线。示功图的测量包括如下几个部分: 压力信号转换; 曲轴转角信号转换; 转速测量; 压力标定; 指示图显示。 常用的示功器有机械式、气电式和电子式,68,测试示功图的微机系统,69,测试示功图的微机系统,示功图的微机系统。图中应变式压力传感器送出的压力信号由动态电阻应变仪调制成士1V范围内的电压信号，经过采样放大器放大和零电平移动，由A/D变换器变换成数字量后输入微机。同时，光电传感器送出气缸内活塞止点信号(可在飞轮上某一相应点贴上一条状铝箔纸，产生反光脉冲信号代替活塞止点位置)，此信号经放大，一路送往数字转速显示仪测定转速;另一路经采样放大器调制后，作为开关量直接输人微机外设接口，控制A/D变换器的启动及采样循环的终了。系统可完成数据采集、处理、作图、打印及数据文件存贮。每次可显示连续的256点数据，作出p-t曲线图或p-a曲线图。,70,4.2.2.2用示功图判别压缩机的几种故障 利用示功图形状变化，可以显示压缩机在结构设计、管道配置以及操作运行中的故障和问题。 例如:测量压缩机的指示功率，气阀上的压力损失和功率损失，气缸余隙容积的大小，气阀和管道截面积是否太小，气阀、活塞环、密封填料是否泄漏.气阀弹簧力过大或过小，以及阀片颤振、气流脉动等故障情况。 故障的判别一般采用正常示功图与不正常示功图作对比的方式进行，井且要有一定的实践经验。,71,72,73,气阀某些故障的示功图形状,图(f、图(g)图(h)的吸、排气线呈多次波动状态，分别表示阀片发生颤振、阀片升程高度太高和气流压力脉动。三者情况有时较难区分，可以通过测量吸、排气腔或管道中的动态压力，把气流压力脉动情况区别开来。而阀片颤振情况与升程高度是有联系的，属于哪一类故障原因较难区分。,74,4. 2.2阀片运动规律曲线图 对一个性能良好的气阀来说，要求它在气缸内压力超过排气压力或低于吸气压力时能够迅速打开，亦即气流在阀上的压力损失要小;当阀片到达阀挡(升程限制器)时，没有太多的反弹，能够稳定地贴在阀挡上;阀片在开启和关闭过程中波动要小，关闭后不应有多次开启现象;当活塞到达上、下死点位置后，阀片能及时返回阀座。 这对一台正常运行的压缩机来说，这些性能要求都应该能够做到。但是当运行工况发生变化，气流发生压力脉动，气阀出现故障或者气阀本身存在设计不合理等问题时，上述要求就不能满足了。 气阀产生的故障现象集中表现在阀片的启闭运动上，因此测定阀片运动的规律，可以帮助诊断气阀故障，提高压缩机效率。,75,4.2.2. 1阀片运动规律曲线的测量 测定气阀阀片的运动规律，亦即侧量阀片在离开阀座后的位移量随曲柄转角(或时间之间的变化关系。 阀片位移量的检测传感器有光电式、电感式、电容式和电阻式等. 与之相应的测量方法就有光电法、电感法、电容法和电阻法等，,76,图为电感法测量中的非接触式电感位移传感器。其原理是在阀座或阀挡上装有电感线圈(其中一个为工作线圈。另一个为补偿线圈，用以补偿由温度引起的误差)。 当阀片作开闭运动时，阀片与线圈之间产生相对位移。改变了线圈的磁通量，因而引起感抗的变化。通过交流电桥电路的调制，把电感量变化转换为电压变化，然后把电压的变化信一号输人放大器，经过放大后进行数据采样和记录，便可得到阀片运动规律曲线。 但是电感式位移传感器是非线性的.即直接输出的电压信号与阀片位移量不成正比，为此需用一偏心轮作静态标定试验，标定后的曲线才是真正的阀片位移量与时间或曲柄转角的变化关系图,非接触式电感位移传感器 1-阀片;2-阀座或升程限制器;3.70-绝缘板。 4一工作线圈;5-线圈铁心;6-安装螺钉; 7-铁支架;8一补偿线圈;9-铁磁体外壳; 11-引线铆钉;12一引线,77,传感器与动态应变仪配合使用时的交流电路如图所示。图中是工作线圈，是补偿线圈.用以补偿由温度引起的误差。R1和R2是应变仪电桥盒内两个标准电阻。,78,图为阀片的运动规律曲线。图中纵坐标为阀片的开启高度，横坐标为时间(也可表示为活塞行程)。 阀片运动曲线上各点的斜率表示阀片各运动阶段在各个位置时的运动速度。,图4-11阀片运动规律曲线 t1-阀片开启过程时间; t2-阀片全开过程时间; t3-阀片关闭过程时间; t4-阀片全关过程时间; t5-阀片从开启到关闭终了经过的时间; t6-阀片从开启到第一次撞击阀挡之间的时间,79,阀片开启过程的平均速度为 h阀片升程高度; t6阀片从开启到第一次接触阀挡的时间。 阀片关闭过程的平均速度为 式中t3阀片关闭过程时间。 某一点的瞬时速度为,80,4. 2. 2. 2阀片运动规律曲线在故障诊断方面的作用 （1)判断阀片开闭是否及时 如果阀片滞后开闭或开闭时间过长，则可能的故障原