目前，往復(fù)式壓縮機在企業(yè)生產(chǎn)中，尤其是石油化工、機械制造、航天航空、軍工制造領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛。隨著工業(yè)生產(chǎn)對機電設(shè)備的要求不斷提高，往復(fù)式壓縮機也逐漸朝著智能化、復(fù)雜化、易操作的方向發(fā)展。其具有運動部件多、集成性高、維護(hù)難度大等特點，任何時間出現(xiàn)壓縮機故障，都可能導(dǎo)致往復(fù)式壓縮機無法正常運行，給生產(chǎn)企業(yè)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。所以，生產(chǎn)部門必須對壓縮機內(nèi)部的關(guān)鍵部位運行參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，包括壓力、溫度、加速度、振動、流量等參數(shù)信息。

    隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，自動化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在機械設(shè)備監(jiān)測領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，可通過建立壓縮機在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測壓縮機的運行參數(shù)，從而預(yù)判壓縮機的故障問題，提前采取有效的預(yù)防措施，降低壓縮機的運行故障頻次。

    一、往復(fù)式壓縮機故障與診斷方法

    往復(fù)式壓縮機故障可以分為兩種，一種是流體性質(zhì)類型，即機械熱力性能故障。主要故障表現(xiàn)為壓縮機排氣量不足或排氣壓力、溫度異常，也就是常見的熱力故障形式。導(dǎo)致此類故障的主要原因是由于活塞環(huán)、氣閥、填料函、冷卻水路等部件存在故障問題。另一種是機械性質(zhì)類型，即機械功能故障，主要故障表現(xiàn)為設(shè)備運行存在異響、振動、發(fā)熱等問題，也就是常見的動力故障形式。造成此類故障的主要原因是因為各個部件匹配度較差、機械結(jié)構(gòu)存在裂紋，通常采用振動法進(jìn)行診斷。

    參數(shù)法診斷是采用相關(guān)設(shè)備監(jiān)測壓縮機的運行性能參數(shù)，將實時運行參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)相對比。如果實時監(jiān)測參數(shù)高于或低于標(biāo)準(zhǔn)值，則判斷該監(jiān)測部分存在故障或機械性能不足，需要對部件進(jìn)行排障處理，也可以根據(jù)參數(shù)走勢預(yù)測故障。振動法就是根據(jù)機械設(shè)備在運行期間產(chǎn)生振動、噪聲等情況，判斷零部件缺陷、故障情況，在此基礎(chǔ)上對故障部位、原因、嚴(yán)重度、性質(zhì)、發(fā)展趨勢進(jìn)行判斷。

    二者相比，參數(shù)法既可以判斷機械運行是否存在故障。也可以預(yù)測未來一段時間內(nèi)是否會產(chǎn)生故障，而振動法只能在機械設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)故障表現(xiàn)后再進(jìn)行判斷，只可進(jìn)行事中、事后處理，無法實現(xiàn)事前處理。因此，當(dāng)今往復(fù)式壓縮機故障多是采用參數(shù)法，通過采集壓縮機運行參數(shù)為工作人員提供運維信息。

    二、往復(fù)式壓縮機故障診斷標(biāo)準(zhǔn)

    任何機械設(shè)備故障診斷都要有一個標(biāo)準(zhǔn)值或準(zhǔn)則，特別是采用參數(shù)法診斷故障問題時，應(yīng)將機械運行參數(shù)進(jìn)行量化對比分析。當(dāng)然，隨著機械生產(chǎn)水平不斷提升，往復(fù)式壓縮機種類更多。不同型號的壓縮機的氣缸排列方式、氣缸數(shù)量均有所差異。這也導(dǎo)致運行參數(shù)的不同，這就需要以設(shè)備出廠標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)為基準(zhǔn)。運行期間參考絕對標(biāo)準(zhǔn)值，不斷累積壓縮機日常運行參數(shù)，建立壓縮機診斷的相對標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)，并提出正常運行參數(shù)限值，壓縮機運行參數(shù)超出限制則判斷為故障或運行參數(shù)異常。

    三、往復(fù)式壓縮機在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

    1.往復(fù)式壓縮機系統(tǒng)設(shè)計整體思路

    往復(fù)式壓縮機在線監(jiān)測系統(tǒng)的運行核心是獲取機械部件運行的參數(shù)信息、狀態(tài)信息，結(jié)合系統(tǒng)的診斷方法和診斷標(biāo)準(zhǔn)，將實時采集的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，根據(jù)二者的數(shù)據(jù)差比來判斷是否存在故障或運行參數(shù)異常，提前掌握壓縮機運行狀態(tài)，實現(xiàn)事前預(yù)防的運維模式。其監(jiān)測的主要參數(shù)包括振動量、壓力、溫度等，建立集監(jiān)測、診斷、報警、預(yù)警為一體的自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

    2.傳感器的分類與布置

    往復(fù)式壓縮機由于所需監(jiān)測的部件數(shù)量較多，因此需要針對性設(shè)置傳感器，可以將其細(xì)分為電熱阻傳感器、壓電式速度傳感器、水平/垂直渦流傳感器、鍵相傳感器、壓力傳感器等。壓縮機需要安裝傳感器的部位包括曲軸、活塞桿、連桿、十字頭、氣缸、電動機等。所需實時監(jiān)測的參數(shù)包括軸承溫度、曲軸箱振動系數(shù)、十字頭沖擊振動系數(shù)、連桿大小頭瓦溫度、壓力填料溫度、氣閥溫度、吸氣溫度、軸承位置系數(shù)、活塞桿位置系數(shù)、氣缸壓力系數(shù)、排氣溫度等。

    3.傳感器配置

    3.1鍵相信號

    鍵相系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對曲軸多齒盤進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測，可采用渦流傳感器，該傳感器可以保證電壓脈沖信號采集精度，同時配備機械狀態(tài)監(jiān)測儀監(jiān)測采集曲軸位置參數(shù)，兩個信號相互配合，在靠近限動器外側(cè)的軸上安裝多齒輪盤。應(yīng)提前在驅(qū)動軸的指定位置上開孔和鉆孔，此外，鍵相模塊還負(fù)責(zé)對活塞桿位置、氣缸壓力提供相應(yīng)的鍵相信號參數(shù)。

    3.2主軸承溫度

    主軸承超溫是較為常見的故障情況，如果軸承溫度超標(biāo)，則代表軸承或潤滑系統(tǒng)出現(xiàn)故障，如軸承疲勞、機械過載、潤滑油不足或失效等。因此，通過設(shè)置傳感器監(jiān)測主軸承溫度以及其他相關(guān)運行參數(shù)，即可判斷壓縮機的發(fā)動機運行狀態(tài)。在往復(fù)式壓縮機生產(chǎn)期間應(yīng)在主軸承蓋上提前鉆孔用來安裝傳感器，如果在生產(chǎn)階段沒有預(yù)留孔，則要在壓縮機安裝完成后在不影響設(shè)備正常運行的部位開孔，并安裝溫度傳感器。

    3.3曲軸箱振動

    目前，大部分往復(fù)式壓縮機都是采用對稱設(shè)計方案，也就是氣缸作用在曲軸上的力來使左右相等，可實現(xiàn)左右相互抵消。一旦這個平衡度被打破，如閥門損壞、閥門卸載等，則作用在曲軸上的力就會發(fā)生失衡。作用力會通過軸承傳遞到殼體上，導(dǎo)致曲軸在機械運動中發(fā)生劇烈振動。監(jiān)測該振動系數(shù)可以采用電壓式速度傳感器，可直接采集壓縮機殼體機械振動具體參數(shù)值。曲軸箱振動監(jiān)測系統(tǒng)可分為電壓式速度傳感器以及沖擊與速度監(jiān)測模塊。該傳感器可以借助壓電晶體測量振動加速度參數(shù)，將振動的低噪音放大、轉(zhuǎn)換處理即可得到量化數(shù)據(jù)。通常在氣缸組之間的水平軸上安裝該傳感器，保持左右壓力平衡，傳感器的壓力作用最好直接作用在機械中心軸的方向。

    3.4十字頭振動與滑塊溫度

    十字頭振動監(jiān)測可以選用加速度傳感器，將其精準(zhǔn)的安裝在十字頭中心點，可監(jiān)測十字頭的沖擊振動參數(shù)，從而判斷是否存在機械故障問題，包括液體倒流氣缸、連桿與套筒間隙過大、十字頭松動等。十字頭沖擊會產(chǎn)生振動量，因此相比速度傳感器，加速度傳感器更加適用。在壓縮機正常運行中，十字頭的沖擊振動非常小，而產(chǎn)生沖擊之后就會增加其振動系數(shù)。振動波形每次沖擊都會呈現(xiàn)出振動響應(yīng)，通過采集加速度參數(shù)，并將其繪制成加速度波形，即可觀察每次沖擊所產(chǎn)生的振動幅值。在十字頭滑塊的上部或底部處安裝電熱阻傳感器，可以監(jiān)測滑塊故障信息，包括機械疲勞、機械過載、潤滑油不足等。

    3.5壓力填料溫度

    壓力填料可以有效防止腐蝕性氣體從氣缸中泄漏進(jìn)入到隔離片、曲軸當(dāng)中，從而加速該部位腐蝕速度。通過設(shè)置在線監(jiān)測壓力填料溫度系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測填料故障信息，包括冷卻不充分、磨損異常、缺少潤滑等。可設(shè)置電熱阻傳感器，靠近填料部位安裝。可將其安裝在填料外殼邊緣處，讓其溫度探頭可以伸入到殼體內(nèi)部，保證溫度測量精度。

    3.6活塞桿位置

    為了減小氣缸套磨損以及活塞磨損，通常都是采用滑動帶的方式緩解磨損情況。在活塞系統(tǒng)運行中，活塞、氣缸反復(fù)接觸勢必會造成潤滑損耗，其摩檫力也會逐漸升高，也就是正常磨損。但如果活塞桿出現(xiàn)位置偏移則會加大二者的接觸面積或增大接觸壓力，從而增加摩阻。活塞桿監(jiān)測模塊可以監(jiān)測活塞桿相對于氣缸膛的中心位置，系統(tǒng)會劃定活塞桿運動的圓周范圍限制區(qū)，也就是正常情況下在限制區(qū)內(nèi)運行，一旦超出圓周限制區(qū)則代表活塞與氣缸壁距離過近，系統(tǒng)會自動發(fā)出警報。

    3.7氣缸壓力

    氣缸壓力參數(shù)會直接反映出往復(fù)式壓縮機運行狀態(tài)是否正常，因此在線監(jiān)測壓縮機氣缸壓力參數(shù)，可以實時監(jiān)測到氣缸參數(shù)、壓縮比參數(shù)、活塞桿反向阻力參數(shù)、尖峰活塞桿負(fù)荷參數(shù)等，從而判定十字頭銷、排氣閥、填料軸封、吸氣閥、活塞環(huán)等運行情況。在氣缸膛上安裝壓力傳感器在線監(jiān)測此類運行參數(shù)信息，需要提前在氣缸膛上開壓力孔。如果生產(chǎn)期間沒有預(yù)先打孔，則可以進(jìn)行設(shè)備改造，增加氣缸壓力孔，并安裝壓力傳感器實時采集壓力參數(shù)信息，另一側(cè)與壓力監(jiān)測模塊連接，即可實現(xiàn)壓力信息的實時采集。

    3.8吸氣/排氣閥溫度

    結(jié)合以往工作實踐，往復(fù)式壓縮機維修率最高的部件就是吸氣/排氣閥，一旦吸氣/排氣閥出現(xiàn)故障問題，則壓縮機運行效率會明顯降低。在壓縮機正常運行期間，閥門常見故障是周圍氣體溫度超標(biāo)，因此設(shè)置溫度傳感器可有效監(jiān)測閥門及其周圍的溫度，提前發(fā)出警報，幫助運維人員找到具體的故障閥門。閥門及其周圍運行溫度一旦突然升高，說明有突發(fā)故障情況，應(yīng)立即采取行動解決問題。日常監(jiān)測中應(yīng)跟蹤閥門的溫度變化情況，一旦發(fā)現(xiàn)溫度持續(xù)升高或壓縮機運行效率下降，則代表極有可能出現(xiàn)閥門泄漏，應(yīng)進(jìn)行修復(fù)或更換使其恢復(fù)正常表現(xiàn)。溫度傳感器安裝中應(yīng)盡可能靠近閥門部位，如果壓縮機采用的是籠式閥門，則要將溫度傳感器探頭安裝在閥門蓋上；如果壓縮機采用的是環(huán)形閥門蓋，則要將溫度傳感器探頭設(shè)置在氣道中，直接監(jiān)測內(nèi)部溫度。

    4.功能模塊

    往復(fù)式壓縮機在線監(jiān)測系統(tǒng)可以分為多個模塊，其中常規(guī)模塊包括機組描述、在線運行參數(shù)、歷史參數(shù)對比、標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值，主要用于日常巡檢。而高級診斷模塊分為活塞桿沉降/偏擺、振動監(jiān)測、運行功率動態(tài)圖、參數(shù)變化趨勢、活塞桿應(yīng)力、活塞桿軌跡、多個參數(shù)綜合分析、綜合監(jiān)測、其他參數(shù)歷史變化走勢。在用戶交互界面上可查詢以往報警信息，故障診斷報告、機組月報、廠級報警。

    其中，機組描述能夠在交互界面直接呈現(xiàn)機組結(jié)構(gòu)信息以及實時監(jiān)測信息數(shù)據(jù)。在線運行狀態(tài)可以顯示氣缸振動、活塞桿位移等實時/歷史數(shù)據(jù)。歷史參數(shù)對比可以呈現(xiàn)過去一段時間內(nèi)活塞桿位移、曲軸箱振動、氣缸振動等信息走勢圖；標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值可以直觀看到各類部件運行參數(shù)的報警線。

    活塞桿沉降/偏擺可監(jiān)測十字頭滑塊、填料、活塞環(huán)的具體磨損狀態(tài)。振動監(jiān)測能夠監(jiān)測氣缸頭、電動機主軸、主軸承、曲軸箱、十字頭等運行情況。運行功率動態(tài)圖用于監(jiān)測氣缸內(nèi)部運行參數(shù)，通過判斷圖形變化狀態(tài)，即可判斷氣缸膨脹、壓縮、吸氣、排氣的工作狀態(tài)，掌握缸套、活塞環(huán)、填料的工作狀態(tài)。活塞桿應(yīng)力主要用于監(jiān)測活塞桿在運行期間的受力變化狀態(tài)。多個參數(shù)綜合分析是結(jié)合活塞桿位移數(shù)據(jù)以及氣缸振動數(shù)據(jù)對比分析，判斷壓縮機綜合運行情況。綜合監(jiān)測可以同時顯示氣缸監(jiān)測點的特征圖譜，可以通過對比分析判斷各個部件運行狀態(tài)。其他參數(shù)歷史變化走勢可以用于繪制撞擊、溫度、壓力、流量等參數(shù)變化走勢。

    通過設(shè)置以上的在線監(jiān)測功能模塊，即可有效診斷往復(fù)式壓縮機各個部件及子系統(tǒng)的故障情況，從而提前或及時采取有效運維措施，避免故障問題進(jìn)一步擴(kuò)大，大部分故障可在事前進(jìn)行發(fā)掘和排除，真正做到防患于未然。

    四、結(jié)語

    隨著往復(fù)式壓縮機功能越來越豐富，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也變得更加復(fù)雜、部件集成度更高，進(jìn)一步增加了運維難度，這就需要采取有效的在線監(jiān)測系統(tǒng)作為支撐，將其應(yīng)用到往復(fù)式壓縮機運行監(jiān)測當(dāng)中，在線實時監(jiān)測往復(fù)式壓縮機的運行狀態(tài)和參數(shù)變化情況。根據(jù)所監(jiān)測的參數(shù)變化判斷是否存在故障，并提前進(jìn)行排障處理，做好設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)工作，這樣才能降低往復(fù)式壓縮機運維成本，減少停機時間，提高機電設(shè)備的生產(chǎn)效率。