CN107701412A - 一种开放式的往复式压缩机故障诊断试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种往复式压缩机故障诊断试验装置，由压缩机主体装置（包括曲轴、连杆、十字头、活塞、气缸、滑道）、载荷加载装置（包括凸轮、推杆、弹簧）、电动机、减速器、底盘组成。本发明可在开放的环境下实现压缩机运动的模拟和周期变化载荷的加载。本发明可以模拟连杆大、小头瓦间隙过大故障、十字头侧沉故障、连杆和活塞杆裂纹故障、气缸滑道磨损以及拉缸等多种压缩机故障，利用传感器提取故障信息，利用摄像头记录运动部件的运动和运动间隙变化情况，针对性提取故障特征规律，深层次地进行往复式压缩机故障机理和往复压缩机振动故障诊断技术的研究。本发明只要更改凸轮的轮廓曲线，就适用于其他往复式机械的故障诊断技术的研究。

Description

一种开放式的往复式压缩机故障诊断试验装置

技术领域

本发明涉及一种开放式的往复式压缩机故障诊断试验装置，属于石油工程和故障诊断技术领域。

背景技术

往复式压缩机广泛应用于石油化工和制冷领域，是该领域的核心设备，有着举足轻重的并且特殊工业地位。但是，由于其内部结构复杂、部件运动规律和工作载荷多变，因此故障机理复杂，一旦某些关键部件发生故障，将会致使整个设备瘫痪，使企业蒙受巨大损失，尤其对于应用于石油化工领域的大型往复式压缩机，因其易燃易爆的工作环境，一旦设备发生重大故障，不仅致使企业损失重大，而且甚至危及人民财产生命安全，危及国家战略资源的储备等。因此，开展往复式压缩机故障机理研究，发展行之有效的故障诊断技术有着极其重大的意义，备受国内外学者的广泛关注。

往复式压缩机故障诊断技术理论研究起源于二十世纪九十年代中后期，在2000年后得到较快的发展，直至今日，已经取得一定有价值的研究成果，但是较旋转机械故障诊断而言，依旧进展滞后，存在不足，难以突破针对其自身特点的故障机理、特征提取和故障诊断方法研究的瓶颈。当前往复式压缩机故障诊断方法主要有示功图故障诊断法和振动故障诊断法。示功图故障诊断法发展较为成熟，成为诊断气阀和活塞环等部件故障的有效方法，但是此方法存在局限性对曲轴、连杆、十字头和活塞这些运动关键部件故障无明显效果。振动故障诊断方法能够通过提取振动信号来分析气阀、活塞、十字头、气缸及曲轴等部件故障，但是这种方法存在振动特征盲目性，无法深层次的揭示故障机理 。

当前能够实现开放式的往复式压缩机故障诊断试验模拟装置几乎没有，现在比较流行的试验装置是通过在真实压缩机上安装传感器测量压缩机的气缸压力、温度等参数信号以及振动信号，采用基于示功图的参数诊断技术和振动诊断技术相结合的综合故障诊断试验装置；或者是通过计算机开发的往复压缩机故障诊断试验模拟仿真试验系统的虚拟装置。虽然研究人员依靠上述试验装置或者虚拟仿真装置取得一定的成果，但是也成为限制往复压缩机故障诊断技术发展的瓶颈，不能进一步的探索故障机理。因此，迫切需要一台全新的开放式的往复压缩机故障诊断试验模拟装置，能够将故障表征和故障机理相结合，以全面深层次地进行往复压缩机故障诊断技术研究。

发明内容

本发明旨在提供一种开放式的往复式压缩机故障诊断试验装置，能模拟压缩机真实工况的故障诊断，它既能够模拟往复压缩机的运动规律，实现周期多变载荷的加载，较为真实的还原压缩机的实际工况，又能方便研究人员观察主要关键运动部件的运动变化和故障的表征现象，针对性地提取故障振动信息，以实现深层次地研究往复式压缩机振动故障诊断技术。

为达到上述目的，本发明采用下述方案：

一种开放式的往复式压缩机故障诊断试验装置，由压缩机主体装置、载荷加载装置、电动机、传动装置、检测装置和底盘组成，所述的电动机通过联轴器连接传动装置，并通过传动装置将动力分别传送给压缩机主体装置的曲轴和载荷加载装置的凸轮，实现往复式压缩机的工作模拟；所述检测装置的传感器安装于压缩机主体装置上，提取故障特征；所述电动机、传动装置和压缩机主体装置通过螺栓固定于底盘上。

所述压缩机主体装置由曲轴、连杆、滑道、十字头、气缸、活塞组成，所述曲轴和连杆的大头通过曲轴销连接，其配合为间隙配合，所述连杆的小头和十字头通过十字头销连接，其配合为间隙配合，所述活塞的活塞杆端部和十字头上加工有螺纹，并通过螺纹连接在一起，所述滑道为十字头提供往复运动的滑轨，所述气缸为活塞提供往复运动的滑轨，从而实现将曲轴的旋转运动转换为十字头和活塞的往复直线运动。所述曲轴为设计有键相的圆盘，键相角为15˚。所述的十字头由十字头本体、上滑履和下滑履通过螺钉连接组成。所述活塞由活塞头和聚四氟乙烯材料的无油润滑的活塞环、支撑环组成。所述的气缸由上气缸和下气缸通过螺栓连接组成。所述的滑道由上滑道和下滑道通过螺栓连接组成。

所述载荷加载装置由凸轮机构和弹簧构成，所述凸轮机构为盘形直动对心滚子推杆凸轮机构，由盘形凸轮和滚子推杆组成，凸轮的转角位置对应着曲轴的相位角，使得进气过程对应着凸轮的推程，压缩过程对应着凸轮的远休止过程，排气过程对应着凸轮的回程，膨胀过程对应着凸轮的近休止过程，推杆沿着气缸提供的与活塞滑轨同轴线的滑轨做往复直线运动，其一端为与凸轮接触的滚子，另一端为螺杆，装配有特殊结构的螺母，能够安装不同刚度的弹簧；所述弹簧为圆柱螺旋压缩弹簧，其一端与活塞相接触，另一端与凸轮的推杆相接触，并预紧装配于两者之间，活塞上加工有弹簧导杆，推杆上加工有与之配合的导孔。

所述传动装置由三个减速器和联轴器组成，所述减速器分别为二级圆柱齿轮减速器、二级圆锥齿轮减速器及三级圆锥齿轮减速器；电动机的主轴通过第一联轴器连接二级圆柱齿轮减速器的主动轴，二级圆柱齿轮减速器的从动轴两端伸出，分别通过第二联轴器连接二级圆锥齿轮减速器的主动轴和通过第三联轴器连接三级圆锥齿轮减速器的主动轴，二级圆锥齿轮减速器的从动轴一端伸出，通过键连接曲轴，三级圆锥齿轮减速器的从动轴一端伸出，通过键连接凸轮，从而实现凸轮和曲轴同步运转。

所述检测装置由十个振动传感器、两个电涡流传感器、两个高清摄像头和检测设备组成，在气缸和滑道的底部均布各安装五个振动传感器，用于提取振动信号；在连杆的大头端和曲轴连接处以及小头端和十字头的连接处分别设置两个高清摄像头，用于记录正常和故障状态下运动过程中的销与孔的配合间隙变化；在活塞的活塞杆正上方装有电涡流传感器，用于检测活塞杆下沉量，在正对着曲轴的侧端的方向安装有电涡流传感器，用于检测曲轴的转角和转速。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

本发明弹簧为变刚度弹簧或者变螺距弹簧，实现曲线形式的载荷加载，更加逼真的模拟往复压缩机周期多变载荷的加载；可以在开放的环境下实现单缸单作用往复压缩机运动的模拟和周期多变化载荷的近似加载。本发明可以模拟运动机构连杆大头瓦间隙过大故障、连杆小头瓦间隙过大故障、十字头侧沉故障、连杆裂纹故障、活塞杆裂纹故障、气缸滑道磨损以及拉缸等多种压缩机机体内部故障，并利用传感器提取故障信息，利用摄像头记录运动部件的运动情况及主要运动间隙变化情况，针对性提取故障特征规律，以用来深层次地进行往复式压缩机故障机理的研究，深入地探索与开发往复压缩机振动故障诊断技术。本发明同样适用于其它往复式机械，只要根据其特性曲线重新设计凸轮的轮廓曲线，就可实现满足其自身特性的运动和载荷的模拟与仿真，用于其故障诊断技术的研究。

附图说明

图1为开放式的往复式压缩机故障诊断试验装置俯视图。

图2为开放式的往复式压缩机故障诊断试验装置主视图。

图3为开放式的往复式压缩机故障诊断试验装置结构示意图。

图4为载荷加载装置结构示意图。

图5为曲轴结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。

如图1至图5所示，一种开放式的往复式压缩机故障诊断试验装置，由压缩机主体装置、载荷加载装置、电动机1、传动装置、检测装置和底盘组成，所述的电动机1通过联轴器连接传动装置，并通过传动装置将动力分别传送给压缩机主体装置的曲轴6和载荷加载装置的凸轮16，实现往复式压缩机的工作模拟；所述检测装置的传感器安装于压缩机主体装置上，提取故障特征；所述电动机1、传动装置和压缩机主体装置通过螺栓固定于底盘上。

所述压缩机主体装置由曲轴6、连杆7、滑道、十字头10、气缸、活塞13组成，所述曲轴6和连杆7的大头通过曲轴销连接，其配合为间隙配合，所述连杆7的小头和十字头10通过十字头销连接，其配合为间隙配合，所述活塞13的活塞杆端部和十字头10上加工有螺纹，并通过螺纹连接在一起，所述滑道为十字头10提供往复运动的滑轨，所述气缸为活塞13提供往复运动的滑轨，从而实现将曲轴6的旋转运动转换为十字头10和活塞13的往复直线运动。所述曲轴6为设计有键相的圆盘，键相角为15˚。所述的十字头10由十字头本体、上滑履和下滑履通过螺钉连接组成。所述活塞13由活塞头和聚四氟乙烯材料的无油润滑的活塞环、支撑环组成。所述的气缸由上气缸11和下气缸12通过螺栓连接组成。所述的滑道由上滑道8和下滑道9通过螺栓连接组成。

参见图2、图4，所述载荷加载装置由凸轮机构和弹簧14构成，所述凸轮机构为盘形直动对心滚子推杆凸轮机构，由盘形凸轮16和滚子推杆15组成，凸轮16的安装位置需要和曲轴6或者活塞13的位置保持对应一致，如图4所示，凸轮16上标记的红线对应着活塞13的最远端位置，使得进气过程对应着凸轮的推程，压缩过程对应着凸轮的远休止过程，排气过程对应着凸轮的回程，膨胀过程对应着凸轮的近休止过程，这是实现往复压缩机周期多变载荷加载的关键，推杆15沿着气缸提供的与活塞13滑轨同轴线的滑轨做往复直线运动，其一端为与凸轮16接触的滚子，另一端为螺杆，装配有特殊结构的螺母，能够安装不同刚度的弹簧；所述弹簧14为圆柱螺旋压缩弹簧，其一端与活塞13相接触，另一端与凸轮的推杆15相接触，并预紧装配于两者之间，活塞13上加工有弹簧导杆，推杆15上加工有与之配合的导孔。

所述传动装置由三个减速器和联轴器组成，所述减速器分别为二级圆柱齿轮减速器3、二级圆锥齿轮减速器5及三级圆锥齿轮减速器17；电动机1的主轴通过第一联轴器2连接二级圆柱齿轮减速器3的主动轴，二级圆柱齿轮减速器3的从动轴两端伸出，分别通过第二联轴器4连接二级圆锥齿轮减速器5的主动轴和通过第三联轴器18连接三级圆锥齿轮减速器17的主动轴，二级圆锥齿轮减速器5的从动轴一端伸出，通过键连接曲轴6，三级圆锥齿轮减速器17的从动轴一端伸出，通过键连接凸轮16，从而实现凸轮16和曲轴6同步运转。

所述检测装置由十个振动传感器、两个电涡流传感器、两个高清摄像头和检测设备组成，在气缸和滑道的底部均布各安装五个振动传感器，用于提取振动信号；在连杆7的大头端和曲轴6连接处以及小头端和十字头10的连接处分别设置两个高清摄像头，用于记录正常和故障状态下运动过程中的销与孔的配合间隙变化；在活塞13的活塞杆正上方装有电涡流传感器，用于检测活塞杆下沉量，在正对着曲轴6的侧端的方向安装有电涡流传感器，用于检测曲轴6的转角和转速。

本发明装置工作原理如下：

参见图1、图2、图3，电动机1通过传动装置将动力分别传送给曲轴6和凸轮16，使得曲轴6和凸轮16同步且同速转动，曲轴6通过连杆7带动十字头10和活塞13做往复直线运动，凸轮16带动推杆15做往复直线运动。往复压缩机工作过程由进气、压缩、排气和膨胀四个过程组成，凸轮机构由推程、远休止、回程和近休止四个过程，进气过程的曲轴转角对应着凸轮的推程角，压缩过程的曲轴转角对应着凸轮的远休止角，排气过程的曲轴转角对应着凸轮的回程角，膨胀过程的凸轮转角对应着凸轮的近休止角。

整个装置工作过程如下，曲轴6和凸轮16均逆时针转动，进气过程：活塞13在曲轴6的带动下向右移动直至最右端，凸轮16处于推程段，推杆15随着活塞一起向右移动，且位移变化相同，以使得弹簧14保持预紧压缩量不变，从而实现处于低位的水平直线载荷的加载；压缩过程：活塞13由最右端开始 向左移动，凸轮16处于远休止段，推杆15静止不动，活塞13压缩弹簧14，弹簧力逐渐增大，实现直线上升的载荷加载；排气过程：活塞13继续左移直至最左端，凸轮16处于回程段，推杆15跟随活塞13左移，且位移变化一致，使得弹簧14保持最大压缩量不变，从而实现处于高位的水平直线载荷的加载；膨胀过程：活塞13由最左端开始向右移动，凸轮16处于近休止段，推杆15静止不动，活塞13释放弹簧14，弹簧力逐渐减小，从而实现直线下降的载荷加载。据此，实现了周期的平行四边形的载荷的加载，近似地模拟了往复压缩机运行的工况。

本发明装置通过将弹簧换成变刚度弹簧可以实现曲线形式的载荷。本发明同样适用于其他往复式机械的故障诊断试验装置，只要根据其特性曲线重新设计凸轮的轮廓曲线，就可实现满足其自身特性的运动和载荷的模拟与仿真。

Claims (10)

1.一种开放式的往复式压缩机故障诊断试验装置，由压缩机主体装置、载荷加载装置、电动机（1）、传动装置、检测装置和底盘组成，其特征在于：所述的电动机（1）通过联轴器连接传动装置，并通过传动装置将动力分别传送给压缩机主体装置的曲轴（6）和载荷加载装置的凸轮（16），实现往复式压缩机的工作模拟；所述检测装置的传感器安装于压缩机主体装置上，提取故障特征；所述电动机（1）、传动装置和压缩机主体装置通过螺栓固定于底盘上。

2.根据权利要求1所述的开放式的往复式压缩机故障诊断试验装置，其特征在于，所述压缩机主体装置由曲轴（6）、连杆（7）、滑道、十字头（10）、气缸、活塞（13）组成，所述曲轴（6）和连杆（7）的大头通过曲轴销连接，其配合为间隙配合，所述连杆（7）的小头和十字头（10）通过十字头销连接，其配合为间隙配合，所述活塞（13）的活塞杆端部和十字头（10）上加工有螺纹，并通过螺纹连接在一起，所述滑道为十字头（10）提供往复运动的滑轨，所述气缸为活塞（13）提供往复运动的滑轨，从而实现将曲轴（6）的旋转运动转换为十字头（10）和活塞（13）的往复直线运动。

3.根据权利要求2所述的开放式的往复式压缩机故障诊断试验装置，其特征在于，所述曲轴（6）为设计有键相的圆盘，键相角为15˚。

4.根据权利要求2所述的开放式的往复式压缩机故障诊断试验装置，其特征在于，所述的十字头（10）由十字头本体、上滑履和下滑履通过螺钉连接组成。

5.根据权利要求2所述的开放式的往复式压缩机故障诊断试验装置，其特征在于，所述活塞（13）由活塞头和聚四氟乙烯材料的无油润滑的活塞环、支撑环组成。

6.根据权利要求2所述的开放式的往复式压缩机故障诊断试验装置，其特征在于，所述的气缸由上气缸（11）和下气缸（12）通过螺栓连接组成。

7.根据权利要求2所述的开放式的往复式压缩机故障诊断试验装置，其特征在于，所述的滑道由上滑道（8）和下滑道（9）通过螺栓连接组成。

8.根据权利要求1所述的开放式的往复式压缩机故障诊断试验装置，其特征在于，所述载荷加载装置由凸轮机构和弹簧（14）构成，所述凸轮机构为盘形直动对心滚子推杆凸轮机构，由盘形凸轮（16）和滚子推杆（15）组成，凸轮（16）的转角位置对应着曲轴（6）的相位角，使得进气过程对应着凸轮的推程，压缩过程对应着凸轮的远休止过程，排气过程对应着凸轮的回程，膨胀过程对应着凸轮的近休止过程，推杆（15）沿着气缸提供的与活塞（13）滑轨同轴线的滑轨做往复直线运动，其一端为与凸轮（16）接触的滚子，另一端为螺杆，装配有特殊结构的螺母，能够安装不同刚度的弹簧；所述弹簧（14）为圆柱螺旋压缩弹簧，其一端与活塞（13）相接触，另一端与凸轮的推杆（15）相接触，并预紧装配于两者之间，活塞（13）上加工有弹簧导杆，推杆（15）上加工有与之配合的导孔。

9.根据权利要求1所述的开放式的往复式压缩机故障诊断试验装置，其特征在于，所述传动装置由三个减速器和联轴器组成，所述减速器分别为二级圆柱齿轮减速器（3）、二级圆锥齿轮减速器（5）及三级圆锥齿轮减速器（17）；电动机（1）的主轴通过第一联轴器（2）连接二级圆柱齿轮减速器（3）的主动轴，二级圆柱齿轮减速器（3）的从动轴两端伸出，分别通过第二联轴器（4）连接二级圆锥齿轮减速器（5）的主动轴和通过第三联轴器（18）连接三级圆锥齿轮减速器（17）的主动轴，二级圆锥齿轮减速器（5）的从动轴一端伸出，通过键连接曲轴（6），三级圆锥齿轮减速器（17）的从动轴一端伸出，通过键连接凸轮（16），从而实现凸轮（16）和曲轴（6）同步运转。

10.根据权利要求1所述的开放式的往复式压缩机故障诊断试验装置，其特征在于，所述检测装置由十个振动传感器、两个电涡流传感器、两个高清摄像头和检测设备组成，在气缸和滑道的底部均布各安装五个振动传感器，用于提取振动信号；在连杆（7）的大头端和曲轴（6）连接处以及小头端和十字头（10）的连接处分别设置两个高清摄像头，用于记录正常和故障状态下运动过程中的销与孔的配合间隙变化；在活塞（13）的活塞杆正上方装有电涡流传感器，用于检测活塞杆下沉量，在正对着曲轴（6）的侧端的方向安装有电涡流传感器，用于检测曲轴（6）的转角和转速。