往复式压缩机故障振动、不正常声音及相关指标

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　　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。

　　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。

　　(1) 活塞的位移、速度和加速度
　　当曲柄轴转过α角时，连杆的摆角为，β活塞的位移量为：

　　令

　　式中λ称为连杆的长径比，活塞式压缩机的λ值一般在1/3.5~1/0.6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

　　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

　　(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为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为曲柄旋转半径;ω为曲柄旋转角速度。

　　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。

　　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。

　　几种型式压缩机的不平衡往复惯性力的大小和方位：

　　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。

　　往复式压缩机故障振动的部位及原因：

　　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。
　　压缩机的振动烈度(GB/T 7777-87)

　　各类压缩机的振动烈度(GB/T 7777-873)

　　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。

　　(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。

　　往复式压缩机故障声音的部位及其原因：

　　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。

　　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。

　　【实例】对称平衡式空压机的振动检测方案
　　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。

　　1.级缸;2.曲轴箱;3.二级缸;4.基础;5.二级十字头导板;6.一级十字头导板;7.电动机

　　测振点①②—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③、④、⑤、⑥—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⑦—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。

　　本文由声振之家根据百度文库中《往复式压缩机故障分析和管道振动》讲义摘录编辑而成，讲义作者不详。