1、障振动分析 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。 上述这些振动问题往往是设计、制造中产生的。另外，往复式压 缩机由于安装和操作不当也会带来一些故障振动问题。经常可能发生 振动的部位和原因： 1. 振动故障 Chap 4 往复压缩机故障分析和管道振动 * 工业装备故障诊断技术18 4.1.3 压缩机
2、故障振动分析 1. 振动故障 气缸与底座调整不良，连接螺栓松动 气缸与活塞环磨损或间隙太大 气缸余隙太小，活塞在往复运动中碰撞阀座，发出沉闷的 金属撞击声和振动 活塞和阀座上的螺栓螺母因松动而落入气缸，发生敲击振 动 氨制冷压缩机和临界温度较低的气体容易发生气缸带液， 在气缸内发生液体冲击 压缩机运行中曾中断供水，阀门、缸壁、活塞温度迅速上 升，在高温下突然通入冷却水冷却气缸，使缸壁骤然冷却而 抱住活塞，产生很大振动，甚至严重损坏缸体和活塞 气 缸 振 动 Chap 4 往复压缩机故障分析和管道振动 * 工业装备故障诊断技术19 4.1.3 压缩机故障振动分析 1. 振动故障 机 体 振 动
3、往复惯性力和力矩没有平衡好 曲轴中心线与机身滑道中心线不垂直 对称平衡型压缩机机身的主轴承不同心，机身水平度不符合要求 地脚螺松松动，运动部件连接不牢，基础刚性不好，底座不均匀 下沉 联轴器对中不良，或机体基础与电动机底座不均匀下沉 主轴承间隙过大或轴瓦磨损 连杆大头和曲拐销之间间隙过大，曲拐销向反方向运动时对大头 瓦产生撞击 十字上下滑板与十字头滑道间隙过大。具有浮动销的十字头，十 字头销能在销孔中转动，虽然磨损均匀，但磨损后冲击和振动较大 活塞杆弯曲或活塞杆连接螺母松动 活塞杆负载过大，连杆轴承损坏 Chap 4 往复压缩机故障分析和管道振动 * 工业装备故障诊断技术20 4.1.3 压缩
4、机故障振动分析 1. 振动故障 压缩机机体振动引起基础振动 基础结构薄弱，与机体或管道某一部分发生共振 由压缩机振动等原因产生基础下沉 基础振动 2. 噪声故障 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。 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。 Chap 4 往复压缩机故障分析和管道振动 *
5、 工业装备故障诊断技术21 4.1.3 压缩机故障振动分析 振动和噪声故障 往复式压缩机由于运动部件机构复杂，零部件多，产生故障振动和 故障声音是由多种原因产生的，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。 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、阀碰撞等故障。 往复式压缩机进行故障振动和声音的状态监测，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。有必要有意义 对活塞式压缩机状态监测与故障诊断技术进行深入
6、研究，研制出有一定 特色且切实可行的在线监测系统。 Chap 4 往复压缩机故障分析和管道振动 * 工业装备故障诊断技术22 4.1.3 压缩机故障振动分析 往复压缩机需监测的状态量及其测量分析方法 振动和噪声故障 Chap 4 往复压缩机故障分析和管道振动 * 工业装备故障诊断技术23 4.1.3 压缩机故障振动分析 某钢铁厂空压机站有多台2D12-100/8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4-6所 示。机器的技术参数如下： 排气量102m3/min 一级排气压力：0.2MPa 二级排气压力
7、：0.8MPa 轴功率：540kw 转速：500r/min 故障实例：对称平衡式空压机的故障振动诊断 Chap 4 往复压缩机故障分析和管道振动 * 工业装备故障诊断技术24 4.1.3 压缩机故障振动分析 故障实例：对称平衡式空压机的故障振动诊断 1). 多台压缩机运行期间，第一次监测，发现该型 压缩机的3号机比4号机在测点上的振动值高出很 多，从测点H方向的频谱图上可见，3号机的工 频成分幅值为2.1mm/s，3倍频、5倍频成分的幅值 也非常高，而对比4号机同测点同方向上的工频成 分幅值，仅为0.4mm/s。由此确定3号机存在故障， 由于测点位于靠联轴节端的轴承座上，初步诊断 为联轴节对中
8、不良或该端机座松动。经过检查，发 现曲轴箱靠电动机端的底座地脚螺钉确定松动情况 严重，引起该处测点很高的振幅。停机后紧固地脚 螺栓，振幅就大幅度下降。 Chap 4 往复压缩机故障分析和管道振动 * 工业装备故障诊断技术25 4.1.3 压缩机故障振动分析 故障实例：对称平衡式空压机的故障振动诊断 2). 第二次监测，发现4号机测点（位于一级 缸体部位）三个方向上的振幅较上一次测量 值有较大幅度上升，振动幅值呈迅速上升趋 势，在短短的半天时间内，同一测点上4号机 比3号机的通频振幅几乎大了近一倍，工频成 分高出3倍，前者还存在明显的4倍频成分， 证明4号机的一级缸体部位存在故障。当即决 定停机
9、检查，结果发现一级缸十字头螺栓松 动，使活塞、连杆和十字头在运动中产生较 大的撞击力。经过调整以后，该测点的振幅 基本恢复到原来状态。 Chap 4 往复压缩机故障分析和管道振动 * 工业装备故障诊断技术26 4.1.3 压缩机故障振动分析 经验总结： （1）气缸上的测点（上例中测点和）在径 向和轴向方向上的振幅对活塞在缸体内的运行 情况好坏比较敏感。径向和轴向振幅明显上升 ，说明活塞、连杆、十字头存在松动，在往复 运动过程中发生直线位置偏移。 （2）地脚螺栓松动，在机座垂直方向上的振幅 将会明显上升。 （3）十字头滑道处径向振动明显上升，反映十 字头与滑道接触不良。 （4）通过同类机组振动情
10、况的相互比较，机组 自身不同时刻的振动情况比较，有助于判别机 器是否存在故障和故障发展的程度。 Chap 4 往复压缩机故障分析和管道振动 * 工业装备故障诊断技术27 4.2 示功图及阀片运动规律的测量和故障分析 4.2.1 压缩机示功图显示的故障 压缩机运行时，气缸内的气体体积和压力是在不 断变化的，通常利用示功器观察和记录不同的活塞位 置或曲轴转角时气缸内部气体压力的变化，所得到的 就是P-V示功图。 利用示功图形状变化，可以显示压缩机在结构设 计、管道配置以及操作运行中的故障和问题。例如： 测量压缩机的指示功率，气阀上的压力损失和功率损 失，气缸余隙容积的大小，气阀和管道截面积是否太
11、小，气阀、活塞环、密封填料是否泄漏，气阀弹簧力 过大或过小，以及阀片颤振、气流脉动等故障情况。 故障的判别一般采用正常示功图与不正常示功图作对 比的方式进行，需要有一定的实践经验。 Chap 4 往复压缩机故障分析和管道振动 * 工业装备故障诊断技术28 压 缩 机 示 功 图 显 示 的 故 障 Chap 4 往复压缩机故障分析和管道振动 * 工业装备故障诊断技术29 4.2 示功图及阀片运动规律的测量和故障分析 4.2.2 阀片运动规律曲线 对一个性能良好的气阀来说，要 求它在气缸内压力超过排气压力或低 于吸气压力时能够迅速打开，亦即气 流在阀上的压力损失要小；当阀片到 达阀挡（升程限制器
12、）时，没有太多 的反弹，能够稳定地贴在阀挡上；阀 片在开启和关闭过程中波动要小，关 闭后不应有多次开启现象；当活塞到 达上、下死点位置后，阀片能及时返 回阀座。 Chap 4 往复压缩机故障分析和管道振动 * 工业装备故障诊断技术30 4.2 示功图及阀片运动规律的测量和故障分析 4.2.2 阀片运动规律曲线 阀片运动规律曲线在故障诊断方面的作用 1）判断阀片开闭是否及时，如果阀片滞后开闭或开闭时间过长，则可能的 故障原因是： (a) 弹簧力不合适； (b) 阀座上带有过多的油水，对阀片产生粘着作用。 (c) 阀隙通流面积太小，气流阻力太大； (d) 气流存在压力脉动。 2）判断是否存在气流压
13、力脉动 气流压力脉动在阀片运动规律曲线图上不仅表现为阀片开闭不及时，而且 还出现大幅度的波动、高频率的颤振和多次开启现象。 3）判断气阀流通截面大小 阀片运动曲线包围的面积表示气阀的实际通流能力，称为“时间截面”。阀 片运动曲线的“时间截面”太小，表示气阀流通截面太小。气流阻力大，相 应在气阀上的压力损失也大。 Chap 4 往复压缩机故障分析和管道振动 * 工业装备故障诊断技术31 4.3 压缩机的气流压力脉动与管道振动 4.3.1 气流脉动引起的故障分析 往复式压缩机在运转过程中，吸气、排气是间断性的，活塞运动速度也 是随时间而变化的，这种现象会引起管道内气流的不稳定流动，产生流体压 力脉
14、动。 管路系统内所容纳的气体称为气柱。气体 像任何振动物体一样，具有一定的质量，可以 压缩、膨胀，具有一定弹性，所以气柱本身就 像一个弹簧，压缩机装在管路的始端，活塞运 动时周期性地向管路吸气、排气，对管路中的 气柱产生激发力，引起气柱振动。气柱是一个 连续的弹性体，在接受了激发后，就把所形成 的振动能量以声速向管道远方传播。简单管道 的气柱固有频率： Chap 4 往复压缩机故障分析和管道振动 * 工业装备故障诊断技术32 4.3 压缩机的气流压力脉动与管道振动 4.3.1 气流脉动引起的故障分析 (i=1,3,5,) (1).管道一端封闭（如压缩机端），另一端 为开口（如连接缓冲器、膨胀容
15、器）。只要 容器的容积大于管道容积的10倍以上，就可 以把容器视为开口端。 (2). 两端封闭的管道（如两台压缩机并联，中间用管道连接） (i=2,4,6, ) (3).两端均为开口的管道（如两个大容器之间用管道连接） (i=2,4,6, ) Chap 4 往复压缩机故障分析和管道振动 * 工业装备故障诊断技术33 4.3 压缩机的气流压力脉动与管道振动 4.3.1 气流脉动引起的故障分析 管路中的气柱是否会发生共振，取决于气流的激发频率。压缩机气 流的压力脉动波形并不是一种简谐波，而是包含了多种频率成分的复合 波形。我们可以通过谐波分析方法，把气流脉动波形分解为数阶谐波， 其中幅值最大的谐波
16、称为主谐波。当激发频率在气柱固有频率的共振区 内，就会使管道中的气柱处于共振状态，此时气流压力脉动非常严重， 引起管道、压缩机和基础的强烈振动。气柱共振状态下的管道长度称为 共振管长，共振管长区为： 转速: n 单作用: m=1 双作用: m2 Chap 4 往复压缩机故障分析和管道振动 * 工业装备故障诊断技术34 4.3 压缩机的气流压力脉动与管道振动 4.3.1 气流脉动引起的故障分析 实例 某汽车制造厂一台型号为L8-60/70型双缸双作用空气压缩机，该机使用 中发现当二级排气压力达到额定值0.7MPa时，一级排气压力超过额定值约 18.5%。压缩机参数： 转速 n=428r/min
17、吸入温度 t=20 一级排气额定压力 p1=0.20.23MPa 二级排气额定压力 p2=0.7MPa 一级进气管实测长度l=3.468m 声速: 双缸双作用压缩机的激发频率 一阶共振管长 一般对于避免管道气柱共振的措施有两种：其一是取消进气管，这样一级排气压 力可以恢复到正常的设计压力；其二是把进气管加长。最后采取了第二种措施，把 进气管加长至 l=6.5m，从而恢复到正常压力，管道振动现象也随之减弱。 Chap 4 往复压缩机故障分析和管道振动 * 工业装备故障诊断技术35 4.3 压缩机的气流压力脉动与管道振动 4.3.2 管道压力脉动的防治措施 管道压力脉动实质上是一种周期性的气流冲击
18、波浪，消减压力脉动就是消 减压力的不均匀度，减小其脉动幅度，通常的防治措施是在管路系统中加装各 种类型的消振器，例如缓冲器、声学滤波器、孔板等。当然，管道中气流压力 的不均匀度首先与激发源有关，在多缸压缩机中，缸体的布置方式和各缸曲柄 的错角位置将会直接影响到压力波的波长和波动的均匀性。 1) 采用合理的吸排气顺序 气阀开启时间长短与压比有关，而开启的相位差，取决于气缸的结构与曲 柄错角的配置。对同一级压缩的二个缸来说，双作用气缸比单作用气缸的气流 连续性好，压力脉动相对要小，同样为单作用气缸，曲柄错角a=90的配置优 于a=0的配置，对动式单作用气缸的激发力是相互叠加的，脉动最大。对于 相连两个级的气缸，任何型式的双作用气缸，由于I级缸排出的同时II级缸吸 入，其进、排气激发力是相互抵消的,但是对于双级单作用气缸，只有对置式 和曲柄错角为180的立式，激发力才能相互抵消。 Chap 4 往复压缩机故障分析和管道振动 * 工业装备故障诊断技术36 4.3 压缩机的气流压力脉动与管道振动 4.3.2 管道压力脉动的防治措施 2) 装设缓冲器 缓冲器实际上是个蓄能器，它像水 库那样能
