张福超，张宏斌，潘 迪，吴志东，王成龙

（1.齐齐哈尔大学 机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2.齐齐哈尔大学 理学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

往复式压缩机在石油、石化企业中是常用的一种机械设备。由于往复压缩机结构复杂，激励源众多，故障诊断难度较大。随着计算机技术的不断完善，专家系统、人工神经网络技术的不断进步，往复压缩机故障诊断方法已经初步系统化，继续开发新的诊断技术和方法，对往复压缩机故障原因进行有效诊断具有非常重要的意义。本文选取往复压缩机的主要构件进行几何结构建模[1]，对其进行力学分析，根据主要构件的受力情况进行故障机理分析，作为往复压缩机故障诊断研究过程中的理论依据。

1 典型部件建模与力学分析

1.1 运动学模型

图1 往复压缩机几何结构模型示意图

由压缩机几何结构模型，可以得到：

活塞位移：

活塞的速度：

活塞的加速度：

1.2 动力学模型

图2 往复压缩机部件受力分析

有图2受力分析可知：

活塞部分的往复惯性力：

活塞受到的侧向力：

曲柄做圆周运动时，产生的惯性力在 方向和方向的分量分别为：

1.3 转动力矩分析

往复压缩机的主要运动部件有曲柄、活塞等，根据以上模型对其进行转动力矩分析。

气缸压力对曲柄产生的力矩为：

作用在曲柄销上的力对曲柄轴产生的力矩：MPH＝PH·r·cosα

活塞运动对气缸壁的作用力对曲柄轴产生的力矩：

由以上受力分析可知，往复压缩机主要激励源是活塞往复运动惯性力，活塞在曲柄轴的带动下长期冲击气缸，造成活塞环、曲柄轴和气缸磨损，使十字头和滑道间隙增大，压缩机振动增强，从而引发诸多故障。

2 故障机理分析

往复式压缩机的故障主要包括磨损与泄露两大类[2]。磨损是机械动力性能故障，属机械性质范畴，以压缩机异常的响声、振动和过热为主要特征；泄露是机械热力性能故障，属流体性质范畴，以压缩机工作时排气量不足，排气压力、级间压力、温度异常为主要表现[3]。

采用故障树分析方法对上述故障原因进行分析，能够直观地提供往复式压缩机常见故障部位的诊断可能性，同时也就相应地决定了不同的诊断方法。

2.1 振动机理分析

基于往复压缩机的结构复杂性，在开机状态下，各部件之间会产生相对运动，运动产生力的作用，造成压缩机内部激励力和故障响应。频繁的激励与响应导致压缩机振动偏离正常状态，除此之外，自主运动的其他部件也会使压缩机在一定程度上发生抖动。长期、激烈的振动必将导致压缩机主要运动部件的磨损和松动，部件之间的间隙逐渐增大、温度过高，将导致故障的发生[4]。

2.2 漏气机理分析

压缩机易发生泄露故障的主要部件是填料函、气阀和气缸，泄露表现为往复压缩机气缸压力不稳、温度异常、振动信号非线性等状态，采用先进的传感技术，对压力和振动信号进行采集、处理、分析及跟踪监测，从而实现往复压缩机漏气机理分析及故障评估与诊断[5]。

3 结语

基于往复压缩机几何模型，进行力学建模，对主要运动部件进行了运动学和动力学分析，得到往复压缩机力学模型，通过建立往复压缩机故障树分析图，比较直观的体现了往复压缩机故障发生的主要部位，进而在此基础之上进行有效干预。往复压缩机的故障引发是一个动力冲击累积的过程，对于往复压缩机的故障诊断而言，需要考虑机械本身的强度损坏，还应考虑在低冲击力的基础上往复机械的疲劳损坏。