往复压缩机是一种在石油、化工、天然气储运、冶金、制冷等国民经济领域广泛应用的通用动力机械，具有流量范围宽、压力范围广、压缩效率高等突出优势。虽然往复压缩机应用优势明显，但其也存在振动大、易损件多、检修周期短等问题，活塞杆断裂、撞缸、连杆螺栓断裂、拉缸、管道裂纹、气阀阀片断裂、活塞组件磨损、填料磨损等典型故障时有发生。开展往复压缩机故障监测诊断技术的研究与应用是减少压缩机恶性故障发生、保障机组安全稳定运行的必由之路。

往复压缩机常见故障类型，可分为泄漏类、磨损类、断裂类、松动类、冲击类、堵塞类等。根据发生部位，分为气阀类、传递部件类、密封组件类等。

往复压缩机故障种类虽然很多，但按照监测的状态参数大致可分为两类：热力性能故障和机械性能故障。热力性能故障可以从压缩机热力性能参数的变化上体现出来，包括进排气量、进排气压力、温度的变化以及油路、水路流量及温度的变化等，可通过监测进、排气温度、气缸压力、润滑油温度、压力等进行改善，监测对象包括气阀、填料函、活塞环、轴承等。

机械性能故障可以从往复压缩机机械性能参数的变化上体现出来，如由于零部件磨损断裂而引起的冲击和振动。当然，某些故障所体现的征兆也会同时反映在热力参数和动力参数的变化上。

往复压缩机的状态监测和诊断方法有很多，目前通常使用在线监测诊断方法，通过传感器实时采集压缩机的工况信息，通常对处理后的信息进行人工分析和比对、诊断。

用于故障分析诊断的往复压缩机监测信号包括键相信号、振动信号、压力信号、温度信号等，结合压缩机的实际结构，可按键相信号、气阀温度信号、气缸动态信号、活塞杆位移信号、十字头振动信号、缸体振动信号、曲轴箱振动信号、机组主轴承信号进行在线监测测点的布局。

一.基于振动信号的监测诊断技术

首先是基于振动信号的气阀故障诊断方法的应用。气阀的故障是往复压缩机最常见的故障，个别机组气阀故障数量占故障总数的60%以上。气阀的故障诊断通常是采用加速传感器拾取阀盖上的振动信号，通过提取振动信号的特征反映气阀的工作状态，因而信号具有调制的特点。针对调制的特点，目前普遍使用的方法是通过带通滤波器对载波带进行滤波后，进行包络分析，最后提取包络分析后信号的时域特征指标来分析故障。因为伴随着设备工况的变化，载波的频带会发生变化，需要人为提前确定载波频率的特征带，并进行带通滤波，给实际应用带来了很多不便。

在实际运用中，采用多次带通滤波，对能量最大的一个频带进行包络解调的方法来解决这个问题，但是这种方法受噪声干扰太大，计算效率低下。因为气阀振动信号噪比低，而且对实时性要求高，这就限制了该方法在气阀故障诊断中的应用。另外，采用几何分离的方法进行多载波带的信号包络分析，但这种方法仅可以分辨出频率，对应的幅值误差太大，并且计算速度较慢。

而近年来，研究的方法采用从信号包络解调的精度和运算的实时性两方面考虑，将能量算子作为包络解调的方法，在包络解调之前的信号预处理中，使用小波包变换技术来避免人为确定特征带的问题，将提升方法引入小波包变换中，来提高小波包变换的速度，提出了基于小波包变换和能量算子技术的包络解调分析方法，将此技术用于往复压缩机气阀振动信号包络，提高对故障前后的信号进行分析计算，取得了满意的结果。

能量算子是在研究非线性语音建模时引入的一种调制信号的分离方法，用于分析和跟踪窄带信号的能量，在调制作用的结果中，可以解调出信号的幅值及瞬时频率。小波包变换本质上就是对信号进行等带宽多带滤波，在抑制噪声方面效果很好。将提升方法引入小波包变换后，提高了小波包变换的计算速度，在实时监测诊断应用中更有优势。采用小波包变换与能力算子相结合的包络解调分析框架，解决了对信号包络解调前，需要人为确定载波带对信号进行带通滤波的问题，不仅应用于气阀的故障诊断分析，还可以用于旋转机械的滚动轴承和齿轮箱故障分析。

其次是基于振动信号的连杆小头瓦故障诊断的应用，往复压缩机在运行过程中，驱动机的旋转运动最终转化为活塞的往复运动；运动形式的转换过程中，连杆是通过十字头销将动力传递到十字头及活塞上的，同时，气动力、活塞力也通过十字头销最终传递至连杆及曲轴上。因此，十字头销可以看做力传递的枢纽。

当十字头销受到的连杆力为零时，对它的曲柄转角即为连杆小头瓦转向角。机械结构中的圆柱转动副可视为滑动轴承，连杆小头处活塞销长度约为连杆小头宽度的3倍，为了装配需要和保证两构件在工作过程中的相对转动，转动副中轴径和轴承之间存在一定间隙，当转动副因润滑不良或其他各种原因造成磨损以后，间隙逐渐增大，此时，间隙对机械系统的动力学响应的影响显著增强。间隙的存在使转动副中多了两个自由度，即少了两个方面的约束，所以轴颈的中心与轴承的中心是不重合的，运动副是用来连接两个物体并传递力或力矩的，当磨损增大到一定程度后，力和力矩不能顺利地传递，使得被连接的两物体越过间隙后直接发生碰撞；

从而引起力和加速度出现较大的异常波动并伴有较大的幅值。间隙增大，对十字头加速的影响增强，波动的幅值增大，产生的碰撞力也增大，但是力和加速度发生突变的位置始终在其运动换向点附近。在有磨损间隙的工况下，十字头必然会在其运动的反向点附近产生短时高频振动，并通过与其连接的十字头滑道传递到机体表面。所以，在往复压缩机十字头滑道的正上方的机体表面安装加速度振动传感器，监测振动信号的时域波形，当发生小头瓦磨损故障，可在时域波形中看到在十字头的运动换向点附近出现大的振动冲击信号，采用振动信号角域分析的小头瓦磨损故障诊断方法在实际运行中是可行的。

二.基于活塞杆位移信号的监测诊断技术

1.活塞杆自激振动特征提取方法

自激振动是某些系统在输入和输出之间具有反馈特性并有能源补充，从而引起振动的。活塞杆部件在实际运动的过程中，由于活塞和十字头受到摩擦力的作用，会产生自激振动。活塞杆自激振动会产生相应的频率，这位提取诊断活塞杆类故障的特征参数提供了相应的参考。

2.基于活塞杆轴心轨迹的故障诊断方法

对于往复压缩机故障而言，必须能够从活塞杆轴心位置轨迹提取必要的特征参数来反映设备的运行状态。活塞杆轴心位置的变化与每一时间点位移传感器和活塞杆表面距离和活塞杆挠度有关，活塞杆挠度计算时可以把活塞杆看做简单的超静定梁，其十字头端可作为活动铰链支座，活塞端作为固定支座，活塞杆的自重作为均布载荷。对于往复压缩机，如果活塞杆挠度较大，会造成填料密封磨损加快，高温高压气体从填料处泄漏，排气量会大大降低，严重影响压缩机的工作效率，也会危害到设备及人的安全，因此，控制活塞杆的挠度极为重要。在实际工作中，采用绘制活塞杆正常和故障时轴心位置轨迹图进行对比分析，判断活塞杆是否正常工作，实现活塞杆运行状态的早期预警功能。

3.基于活塞杆位移信号的松动故障诊断方法

活塞杆在往复压缩机中是否连接活塞和十字头的零件。在压缩机运行过程中，活塞杆受力较大的部位主要集中在活塞杆与旋紧螺母螺纹连接处，活塞杆阶梯处和活塞杆与十字头连接处，这些地方由于形状的变化，运动过程中易引起应力集中。这些位置都是活塞杆发生跳动故障后，容易引起活塞杆断裂的主要位置，尤其是螺纹连接的末端需重点检测。活塞杆跳动故障会引起整个活塞杆组件的加速度值增大，从而导致振动增大，并且随着跳动量的增加，振动更加强烈。

此外，活塞杆的应力应变也会随着跳动量的增加而逐渐增大，在活塞杆的螺纹处，阶梯处和活塞杆与十字头连接处应力集中明显，易发生断裂的危险。活塞杆跳动故障的模拟分析结果与实际故障的状态监测具有高度一致性，采用动力学和有限元分析联合仿真的方法对研究不同类型的活塞杆故障具有指导意义，可以分析活塞杆在不同故障形式下的应力应变变化，为活塞杆各类故障的事故预防和故障诊断在线监测技术推广应用奠定基础。

4.基于活塞杆轴心振动能量的故障诊断方法

目前，国内外在役的往复压缩机故障在线监测诊断系统，都对活塞杆位移，包括纵向下沉与横向偏摆信号进行监测。使用的传感器为非接触式的电涡流传感器，通过两个方向的位移传感器，实现活塞杆运动过程中活塞杆相对传感器位置变化信号的在线监测。常规位移量监测方法属于相对参数监测，即传感器实时采集信号与初始安装位置的差值，计算活塞杆位移相对变化量。

在往复压缩机实际故障监测诊断中，基于活塞杆振动能量指数的方法可提取活塞杆轴心振动能量，轴心轨迹面积和单一方向振动能量参数，能有效反映活塞杆的运行状态，相对位移平均值受安装因素的影响较大，对故障监测效果较好，特别对断裂、撞缸故障更加敏感。

从实际运行结果来看，活塞杆振动能量伴随故障变化呈现出逐渐增大的趋势，故障预警效果相对较好，对完善在线监测系统的活塞杆监测报警参数，联锁保护系统控制参数具有积极意义，可有效弥补现有机组壳体振动裂度对故障早期反应不敏感的问题，提高在线监测系统与联锁保护系统故障预警、停车的准确性。

三.基于阀盖温度信号的监测诊断技术

气阀是往复压缩机故障率最高的部件，气阀故障会直接影响压缩机的排气量和工作效率；若阀片断裂后的残片落入缸体，可能引发严重的拉缸、撞缸故障，甚至导致压缩机爆炸事故。因此，气阀故障的早期故障预警与诊断意义显著。气阀阀盖温度数据直接反映阀腔内的介质温度和气阀的工作情况，同时气阀阀片运动过程中与阀座、升程限制器发生碰撞，因此缸体振动传感器也可对阀片工作情况进行监测。

在实际的往复压缩机气阀故障监测中，仍依赖人工完成，一是对于不同的气阀故障，如气阀泄漏故障，气阀阀片断裂故障，气阀弹簧失效故障等，需要同时结合气阀温度数据和缸体振动数据才能判断，但是这两类数据常常因为如现场干扰、负荷调节等一些原因存在变动，需要诊断专家完成人工诊断；二是不同往复压缩机缸体上的气阀个数不一致，也很难建立一般的智能分类器，如人工神经网络或支持向量机，实现气阀故障诊断。

实际工作中，往复压缩机在线监测系统实现了气阀阀盖温度的实时监测，但报警方式采用单一特征值过线报警，而相关报警线设置工作复杂，同时受工况影响，也存在报警延时问题。气阀正常工作时，气阀温度存在季节性、昼夜性、工艺性以及其它原因等的变化和波动，但是同类气阀之间具有波动起伏一致的特点；当缸体的某气阀发生故障时，该气阀温度会偏高自身气阀温度而升高，并与其它气阀温度不再保持正常起伏一致的特点。根据这个特点，实际工作中可提取能够反映这个特点的特征参数，实现故障异常监测，进一步对故障气阀进行自动定位，实现故障早期快速报警。

四.基于气缸动态压力信号的监测诊断技术

1.基于仿真动态压力的连杆大头瓦故障诊断方法

大头瓦是曲轴传递动力的关键节点，由于往复压缩机大都具有强制润滑功能，大头瓦磨损在机组处于稳定工况下时不易发生。但由于往复压缩机的工况随生产改变得较为频繁，气缸内工作状态不稳定，从而直接影响曲柄连杆结构的动力学行为。在这样的工况下，大头瓦瓦面巴氏合金长期受动载荷的作用，易发生疲劳磨损，一旦磨损，润滑油膜受到破坏，疲劳面将快速扩展，进而恶性循环导致大头瓦快速失效。

因此，振动监测方法是捕捉大头瓦异常的一种有效方法，而如何确定大头瓦磨损相位成为关键。由于连杆大头瓦磨损故障模拟实验难度大，同时易引发曲轴表面拉伤，因而，在实践中，会采用相关类似的故障机作为分析对象，采用模拟动态压力仿真技术，建立往复压缩机关键运动部位受力模型，完成连杆大头瓦动态载荷分析，实现早期预警与诊断。

2.基于实测动态压力的故障诊断方法

基于动态压力测量的示功图监测和分析是往复压缩机状态监测与故障预警的重要工具；尤其是通过示功图可以更灵敏、更早期地监测效率的变化，更早期地对气阀泄漏等可能造成爆炸事故的严重故障进行预警。示功图是指在往复压缩机的一个循环中，气缸内气体动态压力随活塞位移而变化的循环曲线。可用动态压力传感器测量动态压力，键相传感器测量飞轮转动角度换算成形程或体积来实现示功图的监测。

大量的实践表明，往复压缩机气体压缩过程出现的异常或故障，示功图都会表现出不同的形状。能够远程监测示功图，且灵敏、定量地监测出示功图形状的异常，就可以提高监测系统的故障预警能力，利用现代图形变换和统计模式识别的方法来实现其监测、异常识别，达到往复压缩机故障早期识别的目的。

五.基于声发射技术的活塞杆断裂的预警技术

当固体材料受到力作用时，由于内部缺陷的存在或微观结构的不均匀性，会产生应力集中，使塑性变形加大或形成裂纹与扩展，这时会释放出弹性波，这种现象称为声发射。活塞杆在周期性非对称拉---压载荷下产生裂纹及裂纹扩展，会产生声发射现象。声发射信号的产生率是变化无常的，活塞杆的裂纹扩展过程产生是声发射信号是连续的。裂纹疲劳扩展到一定程度后扩展速度会加快，这与应力强度的大小有很大关系，而裂纹疲劳扩展可以通过声发射参数反映出来，这是通过声发射技术对活塞杆的疲劳断裂进行预测的主要依据。严格来说，没有裂纹的活塞杆应该没有声发射现象，但因活塞杆加工质量问题，存在一些细小的裂纹，会有少数声发射现象。

声发射特征参数中幅度和能量对有无裂纹都很敏感，由于幅度计算相对简便，采用幅度作为监测参数来判断活塞杆有无裂纹。声发射的能量和计数会随裂纹扩展程度的增加而增大，可以通过两者趋势的变化程度来预测活塞杆的使用寿命。活塞杆不同部位裂纹的声发射特征参数基本相同，说明当螺纹连接部位出现裂纹后，应变率、疲劳次数同样会与声发射计数、能量有对应关系。

设备故障诊断的发展方向一直是：不断寻求解决工程实际难题的方法与技术。往复压缩机随着在线监测诊断系统技术的发展推广应用不断地丰富完善，故障诊断专家系统、故障智能保护系统的研发与应用是发展的必然趋势。

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