目前，往復式壓縮機在企業生產中，尤其是石油化工、機械制造、航天航空、軍工制造領域中的應用十分廣泛。隨著工業生產對機電設備的要求不斷提高，往復式壓縮機也逐漸朝著智能化、復雜化、易操作的方向發展。其具有運動部件多、集成性高、維護難度大等特點，任何時間出現壓縮機故障，都可能導致往復式壓縮機無法正常運行，給生產企業造成極大的經濟損失。所以，生產部門必須對壓縮機內部的關鍵部位運行參數進行實時監測，包括壓力、溫度、加速度、振動、流量等參數信息。

    隨著科學技術不斷發展，自動化技術、物聯網技術在機械設備監測領域中的應用越來越廣泛，可通過建立壓縮機在線監測系統，實時監測壓縮機的運行參數，從而預判壓縮機的故障問題，提前采取有效的預防措施，降低壓縮機的運行故障頻次。

    一、往復式壓縮機故障與診斷方法

    往復式壓縮機故障可以分為兩種，一種是流體性質類型，即機械熱力性能故障。主要故障表現為壓縮機排氣量不足或排氣壓力、溫度異常，也就是常見的熱力故障形式。導致此類故障的主要原因是由于活塞環、氣閥、填料函、冷卻水路等部件存在故障問題。另一種是機械性質類型，即機械功能故障，主要故障表現為設備運行存在異響、振動、發熱等問題，也就是常見的動力故障形式。造成此類故障的主要原因是因為各個部件匹配度較差、機械結構存在裂紋，通常采用振動法進行診斷。

    參數法診斷是采用相關設備監測壓縮機的運行性能參數，將實時運行參數與標準相對比。如果實時監測參數高于或低于標準值，則判斷該監測部分存在故障或機械性能不足，需要對部件進行排障處理，也可以根據參數走勢預測故障。振動法就是根據機械設備在運行期間產生振動、噪聲等情況，判斷零部件缺陷、故障情況，在此基礎上對故障部位、原因、嚴重度、性質、發展趨勢進行判斷。

    二者相比，參數法既可以判斷機械運行是否存在故障。也可以預測未來一段時間內是否會產生故障，而振動法只能在機械設備已經出現故障表現后再進行判斷，只可進行事中、事后處理，無法實現事前處理。因此，當今往復式壓縮機故障多是采用參數法，通過采集壓縮機運行參數為工作人員提供運維信息。

    二、往復式壓縮機故障診斷標準

    任何機械設備故障診斷都要有一個標準值或準則，特別是采用參數法診斷故障問題時，應將機械運行參數進行量化對比分析。當然，隨著機械生產水平不斷提升，往復式壓縮機種類更多。不同型號的壓縮機的氣缸排列方式、氣缸數量均有所差異。這也導致運行參數的不同，這就需要以設備出廠標準參數為基準。運行期間參考絕對標準值，不斷累積壓縮機日常運行參數，建立壓縮機診斷的相對標準系數，并提出正常運行參數限值，壓縮機運行參數超出限制則判斷為故障或運行參數異常。

    三、往復式壓縮機在線監測系統設計與應用

    1.往復式壓縮機系統設計整體思路

    往復式壓縮機在線監測系統的運行核心是獲取機械部件運行的參數信息、狀態信息，結合系統的診斷方法和診斷標準，將實時采集的數據與標準數據進行對比，根據二者的數據差比來判斷是否存在故障或運行參數異常，提前掌握壓縮機運行狀態，實現事前預防的運維模式。其監測的主要參數包括振動量、壓力、溫度等，建立集監測、診斷、報警、預警為一體的自動化監測系統。

    2.傳感器的分類與布置

    往復式壓縮機由于所需監測的部件數量較多，因此需要針對性設置傳感器，可以將其細分為電熱阻傳感器、壓電式速度傳感器、水平/垂直渦流傳感器、鍵相傳感器、壓力傳感器等。壓縮機需要安裝傳感器的部位包括曲軸、活塞桿、連桿、十字頭、氣缸、電動機等。所需實時監測的參數包括軸承溫度、曲軸箱振動系數、十字頭沖擊振動系數、連桿大小頭瓦溫度、壓力填料溫度、氣閥溫度、吸氣溫度、軸承位置系數、活塞桿位置系數、氣缸壓力系數、排氣溫度等。

    3.傳感器配置

    3.1鍵相信號

    鍵相系統主要負責對曲軸多齒盤進行參數監測，可采用渦流傳感器，該傳感器可以保證電壓脈沖信號采集精度，同時配備機械狀態監測儀監測采集曲軸位置參數，兩個信號相互配合，在靠近限動器外側的軸上安裝多齒輪盤。應提前在驅動軸的指定位置上開孔和鉆孔，此外，鍵相模塊還負責對活塞桿位置、氣缸壓力提供相應的鍵相信號參數。

    3.2主軸承溫度

    主軸承超溫是較為常見的故障情況，如果軸承溫度超標，則代表軸承或潤滑系統出現故障，如軸承疲勞、機械過載、潤滑油不足或失效等。因此，通過設置傳感器監測主軸承溫度以及其他相關運行參數，即可判斷壓縮機的發動機運行狀態。在往復式壓縮機生產期間應在主軸承蓋上提前鉆孔用來安裝傳感器，如果在生產階段沒有預留孔，則要在壓縮機安裝完成后在不影響設備正常運行的部位開孔，并安裝溫度傳感器。

    3.3曲軸箱振動

    目前，大部分往復式壓縮機都是采用對稱設計方案，也就是氣缸作用在曲軸上的力來使左右相等，可實現左右相互抵消。一旦這個平衡度被打破，如閥門損壞、閥門卸載等，則作用在曲軸上的力就會發生失衡。作用力會通過軸承傳遞到殼體上，導致曲軸在機械運動中發生劇烈振動。監測該振動系數可以采用電壓式速度傳感器，可直接采集壓縮機殼體機械振動具體參數值。曲軸箱振動監測系統可分為電壓式速度傳感器以及沖擊與速度監測模塊。該傳感器可以借助壓電晶體測量振動加速度參數，將振動的低噪音放大、轉換處理即可得到量化數據。通常在氣缸組之間的水平軸上安裝該傳感器，保持左右壓力平衡，傳感器的壓力作用最好直接作用在機械中心軸的方向。

    3.4十字頭振動與滑塊溫度

    十字頭振動監測可以選用加速度傳感器，將其精準的安裝在十字頭中心點，可監測十字頭的沖擊振動參數，從而判斷是否存在機械故障問題，包括液體倒流氣缸、連桿與套筒間隙過大、十字頭松動等。十字頭沖擊會產生振動量，因此相比速度傳感器，加速度傳感器更加適用。在壓縮機正常運行中，十字頭的沖擊振動非常小，而產生沖擊之后就會增加其振動系數。振動波形每次沖擊都會呈現出振動響應，通過采集加速度參數，并將其繪制成加速度波形，即可觀察每次沖擊所產生的振動幅值。在十字頭滑塊的上部或底部處安裝電熱阻傳感器，可以監測滑塊故障信息，包括機械疲勞、機械過載、潤滑油不足等。

    3.5壓力填料溫度

    壓力填料可以有效防止腐蝕性氣體從氣缸中泄漏進入到隔離片、曲軸當中，從而加速該部位腐蝕速度。通過設置在線監測壓力填料溫度系統，可以實時監測填料故障信息，包括冷卻不充分、磨損異常、缺少潤滑等。可設置電熱阻傳感器，靠近填料部位安裝。可將其安裝在填料外殼邊緣處，讓其溫度探頭可以伸入到殼體內部，保證溫度測量精度。

    3.6活塞桿位置

    為了減小氣缸套磨損以及活塞磨損，通常都是采用滑動帶的方式緩解磨損情況。在活塞系統運行中，活塞、氣缸反復接觸勢必會造成潤滑損耗，其摩檫力也會逐漸升高，也就是正常磨損。但如果活塞桿出現位置偏移則會加大二者的接觸面積或增大接觸壓力，從而增加摩阻。活塞桿監測模塊可以監測活塞桿相對于氣缸膛的中心位置，系統會劃定活塞桿運動的圓周范圍限制區，也就是正常情況下在限制區內運行，一旦超出圓周限制區則代表活塞與氣缸壁距離過近，系統會自動發出警報。

    3.7氣缸壓力

    氣缸壓力參數會直接反映出往復式壓縮機運行狀態是否正常，因此在線監測壓縮機氣缸壓力參數，可以實時監測到氣缸參數、壓縮比參數、活塞桿反向阻力參數、尖峰活塞桿負荷參數等，從而判定十字頭銷、排氣閥、填料軸封、吸氣閥、活塞環等運行情況。在氣缸膛上安裝壓力傳感器在線監測此類運行參數信息，需要提前在氣缸膛上開壓力孔。如果生產期間沒有預先打孔，則可以進行設備改造，增加氣缸壓力孔，并安裝壓力傳感器實時采集壓力參數信息，另一側與壓力監測模塊連接，即可實現壓力信息的實時采集。

    3.8吸氣/排氣閥溫度

    結合以往工作實踐，往復式壓縮機維修率最高的部件就是吸氣/排氣閥，一旦吸氣/排氣閥出現故障問題，則壓縮機運行效率會明顯降低。在壓縮機正常運行期間，閥門常見故障是周圍氣體溫度超標，因此設置溫度傳感器可有效監測閥門及其周圍的溫度，提前發出警報，幫助運維人員找到具體的故障閥門。閥門及其周圍運行溫度一旦突然升高，說明有突發故障情況，應立即采取行動解決問題。日常監測中應跟蹤閥門的溫度變化情況，一旦發現溫度持續升高或壓縮機運行效率下降，則代表極有可能出現閥門泄漏，應進行修復或更換使其恢復正常表現。溫度傳感器安裝中應盡可能靠近閥門部位，如果壓縮機采用的是籠式閥門，則要將溫度傳感器探頭安裝在閥門蓋上；如果壓縮機采用的是環形閥門蓋，則要將溫度傳感器探頭設置在氣道中，直接監測內部溫度。

    4.功能模塊

    往復式壓縮機在線監測系統可以分為多個模塊，其中常規模塊包括機組描述、在線運行參數、歷史參數對比、標準參數值，主要用于日常巡檢。而高級診斷模塊分為活塞桿沉降/偏擺、振動監測、運行功率動態圖、參數變化趨勢、活塞桿應力、活塞桿軌跡、多個參數綜合分析、綜合監測、其他參數歷史變化走勢。在用戶交互界面上可查詢以往報警信息，故障診斷報告、機組月報、廠級報警。

    其中，機組描述能夠在交互界面直接呈現機組結構信息以及實時監測信息數據。在線運行狀態可以顯示氣缸振動、活塞桿位移等實時/歷史數據。歷史參數對比可以呈現過去一段時間內活塞桿位移、曲軸箱振動、氣缸振動等信息走勢圖；標準參數值可以直觀看到各類部件運行參數的報警線。

    活塞桿沉降/偏擺可監測十字頭滑塊、填料、活塞環的具體磨損狀態。振動監測能夠監測氣缸頭、電動機主軸、主軸承、曲軸箱、十字頭等運行情況。運行功率動態圖用于監測氣缸內部運行參數，通過判斷圖形變化狀態，即可判斷氣缸膨脹、壓縮、吸氣、排氣的工作狀態，掌握缸套、活塞環、填料的工作狀態。活塞桿應力主要用于監測活塞桿在運行期間的受力變化狀態。多個參數綜合分析是結合活塞桿位移數據以及氣缸振動數據對比分析，判斷壓縮機綜合運行情況。綜合監測可以同時顯示氣缸監測點的特征圖譜，可以通過對比分析判斷各個部件運行狀態。其他參數歷史變化走勢可以用于繪制撞擊、溫度、壓力、流量等參數變化走勢。

    通過設置以上的在線監測功能模塊，即可有效診斷往復式壓縮機各個部件及子系統的故障情況，從而提前或及時采取有效運維措施，避免故障問題進一步擴大，大部分故障可在事前進行發掘和排除，真正做到防患于未然。

    四、結語

    隨著往復式壓縮機功能越來越豐富，其內部結構也變得更加復雜、部件集成度更高，進一步增加了運維難度，這就需要采取有效的在線監測系統作為支撐，將其應用到往復式壓縮機運行監測當中，在線實時監測往復式壓縮機的運行狀態和參數變化情況。根據所監測的參數變化判斷是否存在故障，并提前進行排障處理，做好設備的預防性維護工作，這樣才能降低往復式壓縮機運維成本，減少停機時間，提高機電設備的生產效率。