活塞式空气压缩机的工作原理

布里斯托

      往复压缩机在进、排气阀吸气、排气，活塞、连杆、十字头往复运动时产生撞击和噪声，并且各缸之间的撞击和噪声相互干扰，如果采用常规频谱分析的手段，频谱图上将呈现连续而密集的宽带谱线，故障特征信号被背景噪声所湮没，难以提取和识别，而且振动对气体泄漏也不敏感。

       冲击、漏气和摩擦是往复机械最主要的信号类型，其在时域的特征如图1所示。我们在现场使用的往复压缩机是由多个气缸组成，各缸的进排气阀的开启、关闭冲击信号混杂在一起。往复压缩机诊断技术强调各项参数处理成为相对曲轴转角的定位信号进行分析，阀门开启关闭、十字头运动等事件与曲轴相位对应起来，从而实现故障分析和预知。相位信号通过下述手段采集，在飞轮罩壳上固定安装磁电式速度传感器，盘车使1缸处于上止点位置，在飞轮上钻孔使其与磁电传感器精确对齐，各缸之间的角度差是固定的，这样在逐缸测试各种类型的信号时，便有了一个相位参考基准，就可以各类信号在一个做功周期内与相应的事件准确对应起来，同时同类缸的同类信号也可以放在一起进行类比判断，哪个缸存在异常便易显现出来。为进一步消除各缸信号串扰，对振动和超声波信号进行分频段处理，超声波信号取36kHz~44 kHz和15 .5 kHz~40 kHz；振动高频信号取5 .6kHz ~40 kHz；振动中频取180 Hz~8 kHz；振动低频取1Hz~8 kHz。高频信号频率高、波长短、方向性好、衰减大，因此抗干扰性强；中、低频信号与之相反，但能反映振动能量的大小。几种类型的信号采用不同的频段组合，既可隔离干扰又能反映振动的能量大小，各种信号相互印证，结合性能分析，便能对往复压缩机故障进行全面地分析与诊断。

　　                            图1 冲击、漏气和摩擦的冲击特征

           图2 超声波、振动信号的频段划分

1、往复压缩机的常见故障机理、典型特征

      往复压缩机主要由曲轴、连杆、十字头、活塞杆、活塞、气阀、缸体、机座等组成，通过吸气、压缩、排气、膨胀实现气体的增压。活塞压缩机结构复杂，故障较多，常见故障有气阀漏气、活塞环磨损、连杆大头瓦磨损等故障。

1.1气阀的故障机理和特征分析

      压缩机气阀为自动阀，由阀座、阀片、弹簧和升程限制器组成。它借助于气缸和阀腔之间的气体压力差而开启，并由于受到进、排气过程中流经气阀的气流推力作用而上升;当推力大于弹簧的反作用力时，阀片停留在升程限制器上;反之，当气流推力小于弹簧力时，阀片便向下关闭。气阀是活塞压缩机中最为关键的一个组件，也是易于损坏且故障率最高的部件，占总故障的60%以上。它的工作状况直接影响到压缩机的排气量、功率消耗等性能，也影响到运转的可靠性。

（1）压力-转角曲线

根据进排气压力、温度、气体组分、余隙等参数计算理论压力-转角曲线；

缸头端的缸内压力-转角曲线与理论曲线比较；

曲轴端的缸内压力-转角曲线与理论曲线比较。

（2）Logp-LogV曲线

      由气体的过程方程pVn=常数

      两边取对数可得Logp+ nLogV=常数，这是一个斜率为n，变量为Logp和LogV的线性方程。n是压缩和膨胀的过程指数，它的值由气体的组分、压力、温度所决定。ne表示膨胀的过程指数，nc表示压缩的过程指数，n是ne与nc的比值。正常情况下，n值应该等于1。在膨胀过程中，气体通过排气阀漏入气缸内，并与气缸余隙中残留的气体一起膨胀，造成气缸内压力比正常时要高，这就使活塞需要更远的行程才能使缸内压力低于吸气阀的开启压力，导致斜率ne变小；而压缩过程中，气体继续通过排气阀漏入气缸内，使气缸内压力上升较快，排气阀能较早打开，导致斜率nc值变大。

（3）气阀的超声波波形

      气阀在整个膨胀、吸气、压缩、排气过程中，基线变宽，在整个作功过程中都存在气体噪声，表明这个气阀漏气，而另一排气阀和两个吸气阀也受干扰，波形基线有所变宽。

                  图3  气阀正常的超声波波形

                  图4 气阀漏气的超声波波形

（4）气阀的温度   

1.2连杆大头瓦磨损的故障机理和特征

      对于双作用压缩机，活塞杆受力由作用在活塞两侧的气体压力差，活塞、活塞杆、十字头、连杆产生的往复惯性力，活塞环与气缸、十字头与滑轨产生的摩擦力组成。由于气体压力、往复运动组件的加速度是瞬时变化的，活塞杆的受力也随之变化。

                图5 曲柄连杆受力示意图

　　      测量活塞两侧的压力曲线，计算往复运动组件的往复惯性力，可求出活塞杆的受力曲线和活塞杆受力反向的角度。当十字头销与衬套、曲轴销与连杆大头瓦间隙过大时，在活塞杆受力反向时就会产生冲击，间隙大则冲击的幅值也大。

      通过在压缩机中体下方测量十字头的低频振动曲线，再与活塞杆受力曲线比较，即可判断连杆大、小头间隙是否正常。

      活塞杆受力和中体低频振动曲线，在活塞杆受力反向时出现幅值异常的冲击幅值。检查发现连杆大头瓦巴氏合金层已磨穿。

                     图6 活塞杆载荷曲线图

 1.3活塞环烧蚀

      若活塞环磨损，则活塞两侧压力的合力反向时，在中体下方所测低频振动信号将出现显著的振幅，振幅尖峰出现的位置对应活塞两侧压力的合力曲线过零线的位置。

1.4气阀松动

      在压缩机每个气阀上采集超声波信号和高频振动信号，超声波信号对气阀的漏气很敏感，而振动信号能有效判断气阀出现的冲击。

                       图7 气阀振动波形

       吸气阀在20度~40度曲轴转角范围内出现了较大的冲击尖峰，该位置并非气阀开启位置，也不是其它气阀串扰所致。当曲轴侧缸内压力开始上升约20度后出现的冲击，表明气阀可能存在松动。开始压缩时，气体压力较低，不足以托起气阀，故起始位置无冲击，当压力升至能托起气阀时，气阀冲向阀罩产生冲击信号。检查发现，气阀密封垫圈脱落，气阀便在阀室内反复撞击。