往复式压缩机结构、故障诊断监测办法及故障处理办法

本网编辑 2021-10-26

往复式压缩机是指通过气缸内活塞或隔膜的往复运动使缸体容积周期变化并实现气体的增压和输送的一种压缩机，属容积型压缩机。根据作往复运动的构件分为活塞式和隔膜式压缩机。

往复式压缩机工作时，曲轴带动连杆，连杆带动活塞，活塞做上下运动。活塞运动使气缸内的容积发生变化，当活塞向下运动的时候，汽缸容积增大，进气阀打开，排气阀关闭，空气被吸进来，完成进气过程；当活塞向上运动的时候，气缸容积减小，出气阀打开，进气阀关闭，完成压缩过程。通常活塞上有活塞环来密封气缸和活塞之间的间隙，气缸内有润滑油润滑活塞环。

由于往复压缩机结构的复杂性，所以出现故障的零部件较多，引起故障的原因不一。往复压缩机特征参数信号主要包括热力信号、振动信号以及噪声信号等，其中热力信号又包括各部件温度、排气量、排气压力、气缸内压力等。通过对特征信号的监测分析，识别判断压缩机的故障类型，是故障诊断技术的核心思想。

往复式压缩机6大部件结构

往复式压缩机是容积式压缩机的一种，其主要部件包括气缸、曲柄连杆机构、活塞组件、填料（也就是压缩机的密封件）、气阀、机身与基础、管线及附属的设备等。

1、气缸

气缸是压缩机主要零部件之一，应有良好的表面以利于润滑和耐磨，还应具有良好的导热性，以便于使摩擦产生的热能以最快的速度散发出去；还要有足够大的气流通道面积及气阀安装面积，使阀腔容积达到恰好能降低气流的压力脉动幅度，以保证气阀正常工作并降低功耗。余隙容积应小些，以提高压缩机的效率。

2、曲柄连杆机构

该机构包括十字头、连杆、曲轴、滑导等——它是主要的运转和传动部件件，将电机的圆周运动经连杆转化为活塞的往复运动，同时它也是主要的受力部件。

3、活塞组件

主要有活塞头、活塞环、托瓦和活塞杆。活塞的形状和尺寸与气缸有密切关系，分为双作用和单作用活塞。活塞环用以密封气缸内的高压气体，防止其从活塞和气缸之间的间隙泄漏。托瓦的作用顾名思义是起支撑活塞的作用，所以托瓦也是易损件，托瓦材质的好坏也直接影响压缩机的使用寿命。

4、填料

活塞杆填料主要用于密封气缸内座与活塞杆之间的间隙，阻止气体沿活塞杆径向泄漏。填料环的制造及安装涉及“三个间隙”。分别为轴向间隙（保证填料环在环槽内能自由浮动），径向间隙（防止由于活塞杆的下沉使填料环受压造成变形或者损坏）和切向间隙（用于补偿填料环的磨损）。目前平面填料多为“三六瓣型”和“切向切口三瓣型”。

5、气阀

是压缩机最主要的组件，同时也是最容易损坏的零件。其设计的好坏会直接影响到压缩机的排气量、功耗及运转可靠性。好的气阀应具有以下特点：高效节能（占轴功率的3%~7%），气密性与动作及时性完美结合，寿命长（一般实际寿命8000h），形成的余隙容积小，噪音低，温升小，可翻新使用。目前气阀的材质分为金属和非金属，就目前的情况看，非金属材料阀片的应用越来越广泛。

6、管线和附属设备

压缩机的管路和出入缓冲器的设计是否合理，将直接影响机组的振动情况。

往复式压缩机5大故障诊断监测办法

目前，往复式压缩机的故障诊断监测方法主要有以下几种：

1、热力性能监测法

温度是往复压缩机较为敏感的特征参数，监测温度的变化可以了解压缩机内部零部件的工作状态，如排气阀漏气，在吸气过程会出现倒吸现象，导致气阀温度升高；活塞杆拉伤，填料函的温度也会升高等。使用温度监测方法时，传感器可置于机体外侧，不需改变壳体结构，操作方便。

往复压缩机一个运动周期包括吸气、压缩、排气、膨胀4 个过程，压力在4 个过程中呈周期性变化，缸内压力变化曲线可直接反应压缩机是否正常运行。如吸气阀泄漏，吸气过程压力延长，排气过程缩短，膨胀过程曲线也会下移。由于压力测点位于缸内，在缸盖或壳体其它位置要预留安装孔，这是压力监测的需要特别注意的地方。

2、振动监测法

振动信号也是往复压缩机故障诊断的一个敏感特征参数，如气阀损坏、活塞杆下沉、十字头螺栓松动、连杆磨损等大多数故障均伴随着振动信号的异常。基于越来越成熟的信号分析技术，对往复压缩机非稳态振动信号的研究工作也越来越多，如通过加速度传感器测十字头滑道箱、汽缸侧壁、汽缸盖、轴承等处的振动信号来诊断动力性故障，是一种比较有效的方法。

3、位移监测法

往复压缩机活塞杆断裂通常会引起其他零部件的破坏，严重时甚至会引起机组爆炸。活塞杆

断裂是瞬间发生的，断裂之前的裂纹监测非常困难，只能对断裂部位做事后分析，目前还没有可靠有效的诊断预警方法。通过安装位移传感器，监测活塞杆的沉降量，间接了解活塞环、十字头等的磨损状况，可以作为一种辅助手段。

4、油液监测法

油液监测是通过对压缩机润滑油进行油液分析，检测样品内磨损颗粒的大小、形状、成分等，是一种比较理想的辅助手段。如用铁谱分析、光谱分析、颗粒计数等监测空压机运动副的磨损情况等。有学者通过检测油品中的铜元素含量，发现大头瓦碎裂，成功避免了事故的发生。

5、噪声监测法

噪声信号中有机械设备运行的信号，也包含周围环境及其它噪声源的信号，因此，噪声监测在往复压缩机故障诊断中也可以作为一种可靠的辅助手段。结合先进的噪声传感器，分离提取典型故障噪声信号，是往复压缩机故障诊断领域未来研究的一个热点和难点。

往复压缩机故障种类繁多，一个故障会引起多个特征参数的变化，因此在故障诊断过程中应该综合考虑多参数之间的关联性，以便更精确地识别故障类型。此外，人工智能系统和神经网络技术也越来越多的应用在往复压缩机故障诊断系统中，使故障诊断技术达到了智能化的高度。

按往复压缩机引起事故的零部件不同分类，各类故障所占的比例如下图所示。其中，吸、排气阀故障概率最高，达到36%；其次，填料函、连杆、活塞杆等引起的事故所占比例也挺高。

图:往复式压缩机各类故障所占比例

表1 给出了常见故障类型及所采用监测诊断方法，为往复压缩机故障诊断提供一个参考。

往复式压缩机10大常见故障及处理办法

1、吸气阀泄露或者密封垫片损坏

吸气阀泄漏或者密封垫片损坏主要表现为：

（1）温升高，阀盖发热；
（2）对应的排气阀温度升高；
（3）阀所在级与前一级间压力升高；
（4）压缩机排气量下降；
（5）进气温度升高。

气体经过压缩后温度上升，吸气阀泄漏或者密封垫片损坏后，高温气体返回进气腔，造成阀温升高，进气温度上升，从而再次被压缩后排气温度升高。另外，压缩后的气体回流造成前面压力升高，压力越升高排气量下降就越多。

2、排气阀泄漏或密封垫垫片损坏

排气阀泄漏或者密封垫片损坏主要表现为：

（1）排气阀温度升高，阀片发热；
（2）排气压力下降；
（3）压缩机排气量下降。

由于排气阀泄漏或者密封垫片损坏。在气缸吸气过程中，部分压缩后的高温高压气体回流至气缸使混合气体温度升高，再次被压缩后温度更高，回流还造成流量下降，排气压力下降。

3、负荷调节机构卡涩

负荷调节机构卡涩主要表现为：

（1）负荷调节指示器不动作；
（2）对应的进气阀温度升高，阀盖发热；
（3）对应的排气阀温升高；
（4）阀所在级与前一级间压力升高；
（5）压缩机排气量下降；
（6）进气温度升高。

负荷调节机构如果卡在泄荷的位置会造成吸气阀泄漏；如果卡在加载位置上则会造成压缩机负载启动，影响传动部件的使用寿命。

4、活塞环常见的故障有：

（1）活塞环断裂；
（2）活塞环涨死，失去弹性，不能膨胀；
（3）活塞环过度磨损，间隙增大。

活塞环不能起到密封作用的主要表现形式为：

（1）该级排气温度升高；
（2）该级排气压力降低；
（3）压缩机排气量下降。

对于双作用往复压缩机，即气缸内一侧在压缩时，另一侧在吸气，当活塞环损坏或者涨死时，不能起到密封作用，使得盖侧或轴侧被压缩的高压高温气体通过活塞环窜入轴侧（或盖侧）低温低压气体中。与吸入的低压温气体混合，混合之后气体温度升高，又由于压缩气体通过活塞环互窜，使该级的排气压力下降，压缩机的排气也随之下降。

5、工艺介质夹带颗粒物

现场检查有时会发现在压缩机气缸及填料密封腔体中有大量沉积物。这些沉积物是由工艺介质夹带过来的微细固体粉尘或结焦的碳粒组成，其硬度往往很高。其在密封腔处的沉积必然会造成密封填料严重的磨损，从而大大缩短填料密封环及活塞杆的使用寿命。通过调整工艺使压缩机参数达到设计要求，必要时可加气固分离器分离掉这些颗粒杂物，就可避免气缸与活塞环、活塞杆与填料摩擦副之间的颗粒磨损。

6、活塞杆组合密封环紧箍力过大或弹簧失弹

往复式压缩机活塞杆与填料密封处于相对运动状态，填料环通过抱紧活塞杆来实现对介质的密封，填料环的抱紧力由弹簧及环径向压差来实现。显然，弹簧的紧箍力越大，填料对活塞杆的抱紧力就越大，活塞杆与填料环的相对摩擦就会越严重，摩擦产生的热量就越多，从而造成填料环使用初期温升非常高，磨损特别厉害。由于填料环常用填充聚四氟乙烯制成，其热膨胀系数较大，初始阶段产生的摩擦热量若不能被及时带走，填料环热膨胀变形大，加上填料环弹簧紧箍力大，摩擦磨损加剧，形成恶性循环。经过短短几天的剧烈磨损，当填料对活塞杆的抱紧力趋于减小即摩擦力减小时填料环与活塞杆之间的缝隙增大，介质泄漏量增加，最终密封失效。解决办法是在总体结构不变的前提下，更换活塞密封环调整活塞密封环与缸体之间的间隙或采用具有自润滑性能，耐磨性能更好的材料制作活塞环和填料环，再者可适当降低弹簧紧箍力，设计引入间隙密封。

弹簧的失弹大多是由于弹簧疲劳所导致，弹簧质量问题只占少数情况，只能更换质量好些的弹簧。

7、填料密封盒冷却水流量偏小

填料密封盒部位的温升主要是由于填料环与活塞杆剧烈摩擦引起的，这些摩擦热应被及时带走。实际上，由于填料密封盒用水与缸套用水基本都采用并联形式，填料密封处的压降大，因而导致填料盒冷却水流量不够，摩擦热不能被及时带走，影响了填料的正常使用寿命。因此，应适当增大循环水压力及流量以使循环水及时带走活塞杆与填料环摩擦产生的热量。控制填料密封盒处的温度不大于60℃。

8、填料密封处注油量过小或过大

注油量过大容易造成过多的油乳化，形成沉积物；过小则填料环润滑效果不好，磨损速度加快，影响使用寿命。注油量的确定除了按厂家的标准注入外，还应该在试车初期，通过检查密封环处的运行情况，确定一个合适的量。试车结束后，打开检查填料处活塞杆上有无碳状物，以判断注油量的大小。

9、管路振动导致故障

引起往复压缩机及其管线振动的原因主要有两类：一类是由机组振动的不平衡基础设计不当而引起。压缩机在组装过程中由于技术或质量问题造成机组装配误差大，引起机组的平衡恶化产生振动。压缩机基础质量太小也可引起压缩机本体振动。另一类是由管线内气流脉动引起活塞式压缩机吸气和排气的间隙变化，可使气体产生脉动——压缩机管线内充满气体时形成气柱。该气柱是一个有连续质量的弹性振动系统，受到一定工况条件的诱导就会发生振动——在机组管系的弯头处气体运动方向会发生改变，从而使管线受到气体冲击力的作用。系统管线弯头太多、管线受到的冲击力就会很大。如果弯头处缺少固定支点，将会产生剧烈振动。当流体稳定流动时，管线不产生振动；但当流体运动方向在管线断面突变处变化时，流体速度发生变化，导致管线受力改变——使管线内局部压力变化，产生一定的脉动，诱发振动。如果管内有脉动存在，则管线内各部分的压力不同，也会形成振源。由于管系内弯头较多，流体在管线内不断地改变流动方向，对管线形成冲击；并且流体自身的状态也发生变化——这些变化诱发的振动，其频率与管系固有频率重合时，则产生共振。

采取的措施

消除共振最基本的方法是将气流脉动压力减小，并将其固定在允许的最小值之内，使激发频率不等于管路固有频率。具体方法有：

（1）在紧靠压缩机每一级出入口处各设置一个缓冲罐，改变管系的气柱固有频率，破坏振源与管系振动频率的重合，并可降低气流脉动的幅值。但是缓冲罐容积设计不好也会引起振动，经验表明其应该比气缸行程容积大10倍，且尽量靠近气缸；
（2）在管系的适当位置，特别是管线的弯头处增设固定支撑，并在管线与支点间加垫硬橡胶板以改变支撑弹性并改变管系的振动频率；
（3）在管线的适当位置增设孔板，以改变管系的振动频率，用孔板减振会伴有较大阻力损失，因此只用于已发生共振且无法改变截面的情况，其作用远不及缓冲罐的作用。

10、撞缸

撞缸是往复机组的重大恶性事故，主要表现为缸体内发生巨大的撞击声，严重时导致机组多处损坏，如缸盖撞飞，大小头瓦断裂甚至发生爆炸。撞缸分为液击和金属撞击两种，液击声音比金属撞击声要沉闷一些，但是后果一样严重。防范措施主要是规范日常操作防止大量带液；加强巡检，发现异常声音及时排查。

本文来源于综合信息。