河南省煤气（集团）有限责任公司义马气化厂 河南三门峡 472300
摘要：往复压缩机是一种在石油、化工、新能源等行业中大量、广泛使用的重要通用机械。由于机械结构和故障机理复杂，对其进行故障诊断难度较大。
关键词：气阀故障；故障识别；往复压缩机；
对往复压缩机进气阀漏气故障进行模拟，采用热力参数、示功图和振动的方法在不同程度故障工况与正常工况下对压缩机进行现场监测。分析采用这几种方法对进气阀漏气故障的可诊断程度，探索压缩机气阀漏气故障特征提取的有效方法。
一、气阀故障原理
往复式压缩机是通过改变气缸内的容积来控制气阀进行工作，往复压缩机一个完整的工作循环包括膨胀、进气、压缩和排气4个基本过程：（1）膨胀过程中，随着活塞的运动，气缸体积增大，缸内压力持续减小，气缸内外压力差增大。（2）当汽缸与吸气阀阀腔之间的压力差克服弹簧力时，压力推动吸气阀阀片离开阀座直到阀片撞击升程限制器气阀完全开启，汽缸开始吸气过程。（3）当活塞接近止点位置时，进气速度和气流推力减少，吸气阀阀片从升程限制器向阀座回落，当活塞开始向回运动时，气缸内压力持续增加，压缩过程开始。（4）当汽缸与排气阀阀腔之间的压力差克服弹簧力时，压力推动排气阀阀片离开阀座直到阀片撞击升程限制器气阀完全开启，汽缸开始排气过程。据统计，在所有气阀类故障当中阀片与阀座密封面失效占总数的55%，弹簧失效占总数的27%，阀片断裂占9%，其它类别故障占9%。从上述数据可以发现阀片泄露、断裂、弹簧刚度异常是往复式压缩机的常见的故障。在一个完整的吸排气过程中阀片要需要与气阀进行两次碰撞，在高压缸中气阀中还要承受高温气体的激振力。阀片长期在交变压力、气流冲击激振力及高温的影响下，很容易发生泄露变形或疲劳断裂等问题。弹簧刚度太小或太大都会影响气阀的正常工作：弹簧刚度低会造成气阀开启提前及气阀关闭延迟从而造成气体回流；刚度高则会造成气阀开启延迟及关闭从而减小气体流量，这两类问题都会导致排气效率降低。气阀的基本结构如图1所
压缩机参数：双缸单作用空气压缩机；最大工作压力：0.8MPa；最大排气量：1.5m3/m in；转速：500r/m in。试验工况为进气阀泄漏故障（阀内加高垫片间隙1、2、3mm）及正常4种工作条件下，对应的排气压力（表压）为0.2、0.3、0.35、0.4、0.45和0.5MPa6个工况。将应变式压力传感器采集的气缸内压力信号和磁电传感器采集的气缸内活塞止点信号通过数据采集卡PC I9112数模转换后进入基于LABVIEW的示功图绘制计算软件，绘制不同状态下的示功图。试验装置流程如图所示。振动测试点选择：（1）被测进气阀，用以直接评价其振动情况；（2）远离飞轮用于固定压缩机的地脚螺栓，用以评价机组的整体振动情况。首先确定压缩机振动测试范围，通过试测发现振动位移信号的频率主要集中在在0~50Hz频段。所以选择50Hz为振动测试范围并使用压电式加速度传感器，窗函数均选择矩形窗。
三、试验结果分析
1.常规热力参数，压缩机运行一段时间后，在出口温度稳定后，记录此时排气温度的数值，如图所示。
当泄漏发生时排气温度会升高，温度升幅与气阀泄漏的严重程度有着直接的关系。当排气温度升高时，通过喷嘴的气体质量流量下降，同时进气阀漏气会导致压缩机机械效率下降，因而排出单位质量气体能耗增加。图2是气缸内压力在一个周期内随时间变化的PT示意，清晰地反应了进气阀泄漏严重程度对气缸内压力的影响，衡量气缸内压力在一个周期内均值的指标----平均指示压力随气阀泄漏量的增大而降低。由于气缸内压力与示功图的直接关系，实际工程中更多的是应用示功图来诊断往复压缩机故障。
通过比较发现变化明显，具体表现在以下几个方面：（1）压缩过程延长；（2）排出线（排气行程）逐渐缩短；（3）内止点不变，外止点逐渐向右偏移，行程线相应缩短；（4）膨胀过程缩短；（5）吸入线延长；（6）有效指示功率（示功图面积）减小。可见正常状态下示功图与故障状态下示功图差别的大小取决于通过进气阀泄漏的严重程度。在压缩过程中，由于气体会从进气阀向外泄漏排出气缸，所以活塞必须运行更长的距离才能使气缸内气体压力达到排气阀开启的压力。当气体泄漏非常严重时，气缸内的压力可能会达不到排气阀开启的压力。在排气过程中，气体会经过进气阀和排气阀排出气缸。当气体泄漏严重时，排气阀过早关闭，导致外止点
向右偏移，排气行程缩短。在膨胀过程中，尽管排气阀过早关闭，但活塞仍朝外止点运动。此时气缸内的气体继续从进气阀中泄漏出去，使得气缸内的气体再膨胀线速度较正常情况快（膨胀线缩短），造成进气阀提前打开。
吸气过程中由于进气阀过早打开，造成实际吸气行程（吸入线）大于正常工况下的吸气行程。经过对压缩过程的分析可知，由于进气阀泄漏使活塞必须运行更长的距离才能使气缸内气体压力达到排气阀开启的压力，即要达到同样的排气压力，压缩机要做更多的功。而根据示功图面积计算出来的故障状态下压缩机指示功率均小于正常状态下的数值。损失的功必然以热能的形式随气体排出压缩机外，这是排气温度升高的原因之一。工程中必须警惕这种温度的升高，因为由于进气阀的泄漏，产生由热效应造成的损失在实际生产中，多数情况下大于泄漏直接造成的损失。
3.振动分析，在转速为522r/m in时对故障进气阀阀盖方向进行测试，具体振动数据如表1所示。
通过比较，并没有发现某个频率振幅明显的增大，当漏气故障发生时，基频和倍频的振幅会随着漏气程度的增大而增大。要找出低频区内振幅增大的原因，首先要知道引起阀盖振动的两个主要激振力的性质：由气流脉动冲击引起的振动为低频振动，而由阀片撞击阀座和升程限制器引起的振动为高频振动。当气阀漏气时，加剧气流脉动，与气阀的漏气严重程度密切相关。然而这种振幅的变化是微小的，实际工程中很难作为诊断设备故障的依据。
往复压缩机气阀阀片断裂故障特征在气阀温度和缸体振动波形上都会有比较明显的体现，但由于此时故障一般已经达到晚期阶段，如果不能及时对故障进行排除一旦碎片掉入缸道可能会导致活塞损坏或拉缸等严重问题。
参考文献：
［1］张卫，周期毅．往复式压缩气阀失效形式及故障诊断．天然气技术，2015.
［2］董敏强．基于参数识别的往复压缩机气阀故障诊断方法的研究.2015.
论文作者:王保青
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/4/10
标签：气阀论文; 气缸论文; 压缩机论文; 示功图论文; 故障论文; 压力论文; 气体论文; 《基层建设》2017年第36期论文;