双螺杆压缩机故障诊断机理的研究与应用

2020-02-18任更书

设备管理与维修 2020年14期

关键词：双螺杆压缩机故障诊断

任更书，姜义

（大庆石化公司化工三厂，黑龙江大庆 163714）

0 引言

与传统的其他类型压缩机相比，双螺杆压缩机技术较为新颖、发展时间较为短暂，但是其对现代工业具有极为重要的作用。

1 双螺杆压缩机概述

1.1 基本结构

在双螺杆压缩机的基本结构中，会将一对螺旋转子平行放置在“∞”形圆柱体中，这样螺旋转子之间会形成良好的物理啮合。结构中成对出现的螺旋转子，分为阳转子与阴转子：阳转子是指在整个圆柱体结构外并具备凸齿的转子，行业内也将其称之为外螺纹；阴转子是整个圆柱体结构内部并具备凹齿的转子，行业内根据其外形特点也会将其称之为蜗牛。在多数的应用场景中，使用者以及相关技术人员会在双螺杆压缩机机身的两侧切割出固定尺寸与形状的孔洞，它们按照实际功能划分可以分为吸气孔洞与排气孔洞。顾名思义，前者的作用是在双螺杆压缩机工作时吸气，后者则是排气。从结构上分析，双螺杆压缩机比传统结构的压缩机整体更为简洁，安装后的调整工作十分便利，机体运行平稳，实际效能与可靠性很高。其实，双螺杆压缩机十分常见，家用冰箱的制冷压缩机就采用了这一结构。

1.2 工作原理

螺杆压缩机的整个工作流程可以划分为吸气、压缩和排气3 个阶段，在工作循环内，其转子结构将会围绕着整个转体来进行工作，结构体中每一对相互啮合的阳转子与阴转子都会按照特定的工作顺序，来完成对应的循环工作内容。双螺杆压缩机需要对外螺纹与内螺纹的尺寸进行合理设计，在工作过程中其转子的具体尺寸需要根据对应的传动比来设计，预定尺寸的阴转子与阳转子将会在对应的圆柱状结构体中通过。同时，啮合后的结构在进行反方向旋转工作时，会直接带动相关结构完成对应的空气压缩工作，阳转子与阴转子的协同工作，会将啮合齿位置的空间体积结构形成一个“V”形，同时，啮合齿的连续膨胀会在对应的结构位置形成真空，这样对应的空气就会在外界压力作用下从设定好的入口进入压缩机内部。转子持续转动，其阳转子与阴转子之间的啮合将会分离，进而导致结构内的空间进一步增大，而这个过程将会让吸气口吸入大量的空气，而此时啮合齿之间的体积变化将会封堵对应的空气入口，所有空气都会被有效地封闭在对应的机构中。当转子继续工作时，空间内的气体就会被压缩，当阴阳转子继续工作，对应的排气口将会在压缩后打开，从而完成整个压缩机工作过程的抽吸、压缩和排气。

1.3 分类

双螺杆压缩机根据其规范标准以及运行方式的差异，有着多种不同的分类形式：按运行方式的划分较为常见，可以分为无油压缩机和燃油喷射压缩机；按压缩空气的目的，可以分为制冷、空气压缩与过程压缩3 种，相对应地可以将双螺杆压缩机分为制冷压缩机、空气压缩机与过程压缩机；根据整体结构，其可分为开式压缩机与闭合式压缩机，还可以分为移动式与固定式。其实，每一种类型压缩机的实际工作原理大体相同，只是会在不同的应用场景中采用不同的结构，进而满足不同特殊环境的应用要求。

1.4 特点

压缩机的本质是压缩空气体积来达到特定的工业目的，从这一点来看传统的往复式压缩机与当前使用的螺杆式压缩机是相同的，都是一种利用容积的变化来形成气压差，进而完成对应的抽吸与压缩过程。与其他压缩机相比，双螺杆压缩机的特点非常明显，它可以像离心式压缩机一样，让转子在对应的气缸结构中连续高速运行，同时可以利用多相混合介质，整体运行过程可靠性更强，应用场景的适应能力也更强，实际动力效果较为均衡，并可以随意调节。不过，双螺杆压缩机自身最大的缺陷就是造价高昂，并且在极特殊的情况下，例如微压或高压环境，这一弱点直接导致了其的实际使用规模较小。

2 双螺杆压缩机的常见故障形式

在工作过程中，双螺杆压缩机出现的故障也多种多样，并且这些故障影响以及后果各不相同，有一些故障可能会降低企业效率、影响企业效能，对整个工业生产带来极为严重的影响。结合相关行业数据，对双螺杆压缩机进行故障分析，找到压缩机运行过程中的常见故障，可以促进相关技术人员对压缩机的设计以及工作进行更为合理的改造，提高整体设备的稳定性与可靠性。

双螺杆压缩机其结构简单，所需要使用的零件较少，相对于传统的压缩机结构，对于故障的分析与分类更为简洁。从结构上分析，双螺杆压缩机可以分为阴阳转子、壳体、轴承、轴封、机械密封、同步齿轮等构件，而这些构件就是各类故障可能爆发的根源点。

（1）阴阳转子故障。阴阳转子在进行啮合工作时，其接触面会形成一个很大的挤压作用力，这种现象就造成了阴阳转子的实际啮合工作表面容易出现片状剥离层，并形成较为明显的挤压痕迹，同时，转子的工作也会对结构体顶部的密封构件造成磨损。

（2）轴承故障。带动阴阳转子转动的轴承在长期工作后，因其长期处于高压环境，其表面与内部结构会出现磨损现象。

(3)使用车门高度调整工装调整门页，以保证门页与车体鼓形重合一致。车门高度调整工装为1块厚10 mm的铝型材，调整门页高度时将该工装放在门槛上，然后将门页放置于工装上，最后拧紧相关紧固螺栓。此方法可保证门页到门槛距离为10 mm±2 mm(见图11)，即保证了门页与车体鼓形重合一致。

（3）密封故障。双螺杆压缩机的结构体有着完整的密封结构，并且阴阳转子的压缩空间也要求具有着良好的密封性能，但是在长期工作后，其机械密封性会下降，进而出现压缩泄漏的现象。

（4）气缸、轴封及同步齿轮故障。同步齿轮轴颈、轴封和压缩机气缸的出口部分，在长期机械磨损的情况下很容易出现严重的破损现象，同时转子气缸内部的防腐结构也会随着转子的工作而逐渐剥落，进而影响了压缩机的整体工作性能。

（5）辅助结构的故障。压缩机设备在工作时，不仅要求其内部结构稳定，同时还需要有其他外部支持，如果其能量调节机构出现故障，将会导致排气压力过高，同时排气过程所产生的温度以及能耗也会增加，进而造成系统在工作时出现异常噪声。

3 双螺杆压缩机故障诊断技术

3.1 故障诊断技术概述

随着科学技术的不断进步，信息化技术开始与双螺杆压缩机运行相融合，人们将螺杆压缩机工作过程所产生的各种数据进行采集与整合，在针对不同故障所具备的相关特性前提下，总结出一整套故障诊断技术。对于双螺杆压缩机的故障诊断，其核心要素在于各类信息的采集，例如工作时的环境压力以及压缩过程中压力变化、转子工作的温度以及结构体工作过程所产生的振动与噪声、整个结构工作时所产生能耗等，这些数据在进行对应的线性对比后，可以有效的判断出压缩机是否发生了相应的故障。对于压缩机的故障诊断工作，其核心在于故障的分析，但是它也只是整个诊断过程的一部分。当前，大多数企业在使用压缩机的过程中，采取的维护方式为定期检查，通过定期维护来查找是否发生故障，在压缩机可能出现故障的周期内对其进行维护。但是，这种工作模式既不能及时发现压缩机所存在的故障，也会造成相应的人力资源浪费。对于故障本身来讲，故障诊断的关键点在于预测，也就是一旦发现故障预兆，就要终止对应压缩机设备的工作程序，同时根据相关数据以及所产生的故障特点对其进行特定的维护。预测性质的维护理论，不仅仅减少了维护成本，节约了企业在设备维护上所投入的时间，还可以有效减少故障对压缩机结构体的破坏，延长设备的使用寿命，进而大幅提升企业的生产效益。

压缩机的故障诊断工作可以分为3 个方向：工作状态监测、故障识别诊断和故障发生预测。在实际的应用场景中，针对所采用的方法不同，还可以划分为直接诊断与间接诊断、功能诊断和外部诊断、简单诊断和准确诊断以及更为规范性的定期诊断与实时监测。诊断过程中，需要针对其相关的位置进行分析，压缩机的组件、结构、单元等都是故障诊断的范畴。当前，技术人员在实际工作中，可以根据磨损残留检测方法来进行检测，这种以直接观察为主的检测方式还包括操作性能以及工作时的振动噪声等。

3.2 信号诊断方式

信号诊断法隶属于非接触式诊断方式，主要是利用相关传感器来获取对应的运行数据，而这些数据在实际应用中，往往可以十分便利地找到对应的故障对象。对这些信号数据进行分析之后，可将诊断方法分为以下3 种。

（1）整体时域波形分析。时域波形的信号数据量很大，作为一种原始的信号模式，其理解难度较低，观察起来十分便捷。在对时域波形信号进行整体分析过程中，其正常信号往往表现为正弦，根据这一原理，当发现波形出现明显的幅度变化或者波形中存在毛刺以及冲击现象时，就可以定性为异常。

（2）单通道频谱分析。时域信号虽然在分析上十分便捷，但是其自身有很大的局限性，只能反映出对应的信号是否异常，对具体的故障缺少指导作用。与之相比，频域信号可以将对应的能量以及功率数据很好地展现出来，在故障诊断过程中其对于寻找故障原因以及发生故障的具体部件有着重要作用。单通道信号频谱图可以将转子不对中、不平衡、碰磨等各类异常现象很好地展现出来。

（3）双通道轴心轨迹分析。双通道轴心轨迹分析有一个很好听的名字，叫做李萨图形，其基础原理在于，同一位置两个在空间位置处于垂直关系上的传感器同步采集数据，并将对应的数据波形显示出来。对李萨图形进行分析，可以找到对应转子的工作状态，同时，电涡流传感器可以有效测量出结构体内转轴径向位移所带来的振动效应。如果整个图形较为规整，并且符合对应的特性，那么就说明其振动位移很小。另外，这种获得转子空间运动的数据还可以对不平衡、不对中、碰磨等各类异常现象进行诊断。

3.3 其他分析方式

压缩机在工作时，需要滑动轴承来完成转子设备的工作支撑。上面的这些诊断方法均是对相关数据以及振动信息的分析，还需要借助其他方法来确定轴承结构的安全，如油样分析法。油样分析法即对轴承的润滑油进行分析，采用的方式主要有：①油样光谱分析，可以对有色金属轴承的质量进行有效监测；②油样铁谱分析，可以检测出轴承结构中可能存在的磨损残渣的数量、粒度等；③磁塞检查法，适用于磨损残渣尺寸较大的状况；④滤膜检测法、红外光谱法等其他滤膜检测形式。

油样分析法的针对主体为压缩机的工作轴承，不适合进行在线操作，实际工作中需要结合信号诊断分析的方式来进行。