CN108775281B - 一种往复式压缩机的f-v图监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种往复式压缩机的F‑V图监测方法及装置，包括：在往复式压缩机的活塞杆上安装应变式传感器；利用应变式传感器采集往复式压缩机运行时若干时刻的应变；根据若干时刻的应变计算往复式压缩机对应时刻的活塞力、摩擦力、惯性力；根据计算的若干时刻的活塞力、摩擦力、惯性力计算对应时刻往复式压缩机工作中的综合气体力，获得往复式压缩机的F‑V图。本发明解决了压力传感器安装困难的问题，实现对压缩机运行状态的实时监测，保证了设备工作状态监测的直观性、实时性和稳定性，避免压缩机发生严重故障导致停机，甚至造成人身伤害。

Description

一种往复式压缩机的F-V图监测方法及装置

技术领域

本发明涉及压缩机监测技术领域，具体涉及一种往复式压缩机的F-V图监测方法及装置。

背景技术

压缩机是一种通过压缩气体提高气体压力的机械，在石油、动力、化工等工业中已经得到了广泛的应用。其中，往复式压缩机制造工艺成熟、效率高、适应性强，应用最为普遍，是这些领域的核心设备。往复式压缩机结构复杂，工业环境恶劣，作为关键生产设备，一旦发生故障将会造成巨大的破坏和损失，甚至威胁人身安全。因此，对往复式压缩机的运行状态进行实时监测，跟踪发现潜在的故障并预测设备故障发展的趋势具有重要的意义。目前我国对往复式压缩机的运行状态监测多采用传统的诊断理论和方法，普遍凭借简单的仪表和经验来实现，传统测量方法传感器安装又相对复杂，存在很大的局限性并且难以满足现有压缩机设备的要求，不能保证现场监测的实时性、稳定性和准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种往复式压缩机的F-V图监测方法及装置，以解决上述技术问题。本发明能够实现压缩机运行状态的监测的可视化，以保证其实时性、稳定性和准确性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种往复式压缩机的F-V图监测方法，包括：在往复式压缩机的活塞杆上安装应变式传感器；利用应变式传感器采集往复式压缩机运行时若干时刻的应变；根据若干时刻的应变计算往复式压缩机对应时刻的活塞力、摩擦力、惯性力；根据计算的若干时刻的活塞力、摩擦力、惯性力计算对应时刻往复式压缩机工作中的综合气体力，获得往复式压缩机的F-V图。

进一步的，利用应变式传感器采集压缩机负载运行初始阶段T1内活塞杆上的应变作为参考值，其中T1为压缩机从启动到运行达到稳定的时间；根据参考值计算往复式压缩机对应时刻的活塞力、摩擦力、惯性力，获得往复式压缩机的参考F-V图。

进一步的，利用应变式传感器采集压缩机运行初始阶段T1之后运行中的若干时刻的活塞杆上的应变作为监测值；根据监测值计算往复式压缩机对应时刻的活塞力、摩擦力、惯性力，获得往复式压缩机的监测F-V图。

进一步的，根据若干时刻的应变计算往复式压缩机对应时刻的活塞力、摩擦力、惯性力，具体包括：

根据公式F_c＝E·ε·A_d计算往复式压缩机的活塞力，其中E为活塞杆的弹性模量，ε为应变式传感器采集的往复式压缩机的应变，A_d＝πd²/4为活塞杆截面积；

压缩机在空载运行时，往复质量满足公式：

摩擦力满足公式F_cf＝F_ck-F_cI；

其中，F_ck为空载工况下测得的活塞力，F_cI为惯性力，F_cf为摩擦力。

进一步的，根据若干时刻的活塞力、摩擦力、惯性力计算往复式压缩机工作中的综合气体力，获得F-V图，包括：

根据公式F＝F_c-F_ck计算压缩机负载时的综合气体力，其中，F为综合气体力，F_ck为空载时的活塞力，F_c为负载时的活塞力，进一步获得压缩机运行的监测F-V图。

进一步的，通过比较参考F-V图和监测F-V图的不同差异，判断压缩机工作过程中的各种故障。

进一步的，当压缩机产生故障时，监测的F-V图会发生变化，与参考F-V图之间存在差异，不同的故障对应监测F-V图中不同的特征。

进一步的，

余隙容积过大故障时，表现的F-V图特征为：a、盖侧余隙容积过大，2-3向右移，1-2变短；b、轴侧余隙容积过大，5-6左移，4-5变短；c、指示图面积减小；

吸气阀咬住故障时，表现的F-V图特征为：a、盖侧开始吸气时卡住，2点高于正常位置，吸气终了卡住，4-5上移；b、轴侧开始吸气时卡住，5点低于正常位置，吸气终了卡住，1-2下移；c、指示图面积减小；

排气阀咬住故障时，表现的F-V图特征为：a、盖侧开始排气时卡住，4点下降；终了时卡住，2-3右移；b、轴侧开始排气时卡住，1点上升；终了时卡住，5-6左移；

吸、排气阀不严密故障时，表现的F-V图特征为：a、盖侧吸气阀，4-5上移，3-4变短；排气阀，2-3右移，1-2变短；b、轴侧吸气阀，1-2下移，1-6变短；排气阀，5-6左移，4-5变短；

排气面积小故障时，表现的F-V图特征为：a、3-4下移；b、1-6上移；c、指示图面积增大；

吸气面积小故障时，表现的F-V图特征为：a、盖侧面积小，6-1-2上移，存在凸起；b、轴侧面积小，3-4-5下移，其中存在凸起；c、指示图面积减小；

F-V图中，1为SD过程的终点；2为CE过程的终点；3为CS过程的终点；4为DS过程的终点；5为EC过程的终点；6为SC过程的终点。

一种往复式压缩机的F-V图测试装置，包括：

采集单元，用于获取应变式传感器采集的压缩机运行至少一个周期内多个时刻的应变；

计算单元，用于根据所述多个时刻的应变计算活塞力、摩擦力、惯性力、综合气体力；

存储单元，用于存储运行初始阶段T1内的活塞力数据及F-V图，作为参考；

判断单元，用于判断压缩机实际运行状态是否产生故障并判断故障类别；

显示操作单元，用于显示实时监测数据和F-V图，并进行实时操作。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明解决了压力传感器安装困难的问题，实现对压缩机运行状态的实时监测，保证了设备工作状态监测的直观性、实时性和稳定性，避免压缩机发生严重故障导致停机，甚至造成人身伤害。

附图说明

图1为本发明一个实施例的受力原理图；

图2为本发明压缩机的测试方法一实施例的示意图；

图3为往复式压缩机典型故障对应的F-V图，其中图3(a)为余隙容积过大故障；图3(b)为吸气阀咬住故障；图3(c)为排气阀咬住故障；图3(d)为吸、排气阀不严密故障；图3(e)为排气面积小故障；图3(f)为吸气面积小故障；

图4为本发明一种往复式压缩机的F-V图监测方法流程图；

图5为本发明一种往复式压缩机的F-V图测试装置示意图。

图1中，10为活塞压缩机气缸；20为活塞；30为活塞杆；40为十字头；50为连杆。

图2中，1为SD过程的终点；2为CE过程的终点；3为CS过程的终点；4为DS过程的终点；5为EC过程的终点；6为SC过程的终点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1为双作用往复式压缩机的受力图，双作用往复式压缩机的活塞力F_c为：

F_c＝F_l+F_f+F (1)

其中F_I为惯性力，F_f为摩擦力，F为气体力的合力，即综合气体力。在本发明中，F-V图上工作过程分为如下6个过程：压缩+余隙膨胀(CE)、压缩+吸气(CS)、排气+吸气(DS)、余隙膨胀+压缩(EC)、吸气+压缩(SC)和吸气+排气(SD)。假设气体为理想气体，若忽略进排气过程中的阻力和气体泄漏，以活塞位于上死点(盖侧)为基准，综合气体力F由下式表示：

其中，p_d、p_s为压缩机进、排气压力，A_z、A_g分别为轴侧和盖侧活塞面积，S_0z、S_0g分别为轴侧与盖侧的余隙行程，S为行程，x为以压缩机盖侧为基准的活塞位移，n₁、n₂分别为膨胀过程和压缩过程指数。θ_yg、θ_yz、θ_dg、θ_dz分别为盖侧余隙膨胀终了角度、轴侧余隙膨胀终了角度、盖侧排气开始角和轴侧排气开始角。在DS和SD阶段，都会出现排气压力脉动引起的活塞力波动。

请参阅图4所示，一种往复式压缩机的F-V图监测方法，包括：

在往复式压缩机的活塞杆上安装应变式传感器；利用应变式传感器采集复式压缩机运行多个时刻的应变；根据多个时刻的应变计算对应时刻往复式压缩机的活塞力F_c、摩擦力F_f、惯性力F_I；根据多个时刻的活塞力、摩擦力、惯性力计算往复式压缩机工作中的综合气体力F，分别获得正常的F-V图和监测F-V图，通过比较进行故障监测。

实施例中的往复式压缩机的F-V图监测方法，将应变式传感器安装在活塞杆上，活塞杆因为受到活塞力而产生变形，通过应变式传感器采集应变。

在压缩机空载时，利用应变式传感器采集往复式压缩机运行多个时刻的应变。根据公式F_c＝E·ε·A_d计算往复式压缩机的活塞力，其中E为活塞杆的弹性模量，ε为应变，A_d＝πd²/4，为活塞杆截面积。

压缩机在空载运行时，往复质量满足公式则往复惯性力满足公式F_cI＝m_s·r·ω²(cosθ+λ·cos2θ)，摩擦力满足公式F_cf＝F_ck-F_cI。其中，F_ck为空载工况下测得的活塞力，F_cI为往复惯性力，F_cf为摩擦力。

在压缩机负载时，利用应变式传感器采集往复式压缩机运行初始阶段至少1个周期T1的多个时刻的应变，并通过该应变经过计算得到F-V图作为所监测压缩机的正常F-V图，作为参考F-V图。监测过程中，利用应变式传感器采集往复式压缩机运行多个周期的多个时刻的应变。根据所述多个时刻的应变计算往复式压缩机的活塞力、摩擦力、惯性力、综合气体力。

其中，活塞力根据采集的应变按照公式F_c＝E·ε·A_d计算，其中E为活塞杆的弹性模量，ε为应变，A_d＝πd²/4为活塞杆截面积。根据多个时刻的活塞力、摩擦力、惯性力计算往复式压缩机工作中的综合气体力，获得监测的F-V图。根据公式F＝F_c-F_ck计算压缩机负载时的综合气体力，其中，F为综合气体力，F_ck为空载时的活塞力，F_c为负载时的活塞力，进一步获得压缩机运行的监测F-V图，进而通过比较参考F-V图和监测F-V图曲线不重合部分的差异，判断压缩机工作过程中的故障，并及时排除；当压缩机产生故障时，监测的F-V图会发生变化，与参考F-V图之间存在差异，不同的故障对应监测F-V图中不同的特征；其中往复式压缩机典型故障对应的F-V图如图3中所示。

如图5所示，本发明一种往复式压缩机的F-V图测试装置，包括：

采集单元，用于获取应变式传感器采集的压缩机运行至少一个周期内多个时刻的应变；

计算单元，用于根据所述多个时刻的应变计算对应时刻的活塞力、摩擦力、惯性力、综合气体力；

存储单元，用于存储运行初始阶段T1内的活塞力数据及F-V图，作为参考；

判断单元，用于判断压缩机实际运行状态是否产生故障并判断故障类别；不同的故障对应F-V图中不同的特征，通过比较压缩机实时监测的F-V图与参考F-V图之间的差异，判断F-V图特征所属的故障类型，进而确定机器是否产生故障及其故障类型；其中往复式压缩机典型故障对应的F-V图如图3中所示；

如图3(a)所示，为余隙容积过大故障，表现的F-V图特征为：1、盖侧余隙容积过大，2-3向右移，1-2变短；2、轴侧余隙容积过大，5-6左移，4-5变短；3、指示图面积减小。

如图3(b)所示，为吸气阀咬住故障，表现的F-V图特征为：1、盖侧开始吸气时卡住，2点高于正常位置，吸气终了卡住，4-5上移；2、轴侧开始吸气时卡住，5点低于正常位置，吸气终了卡住，1-2下移；3、指示图面积减小。

如图3(c)所示，为排气阀咬住故障，表现的F-V图特征为：1、盖侧开始排气时卡住，4点下降；终了时卡住，2-3右移；2、轴侧开始排气时卡住，1点上升；终了时卡住，5-6左移。

如图3(d)所示，为吸、排气阀不严密故障，表现的F-V图特征为：1、盖侧吸气阀，4-5上移，3-4变短；排气阀，2-3右移，1-2变短；2、轴侧吸气阀，1-2下移，1-6变短；排气阀，5-6左移，4-5变短。

如图3(e)所示，为排气面积小故障，表现的F-V图特征为：1、3-4下移；2、1-6上移；3、指示图面积增大。

如图3(f)所示，为吸气面积小故障，表现的F-V图特征为：1、盖侧面积小，6-1-2上移，存在凸起；2、轴侧面积小，3-4-5下移，其中存在凸起；3、指示图面积减小。

显示操作单元，用于显示实时监测数据和F-V图，并进行实时操作。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种往复式压缩机的F-V图监测方法，其特征在于，包括：在往复式压缩机的活塞杆上安装应变式传感器；利用应变式传感器采集往复式压缩机运行时若干时刻的应变；根据若干时刻的应变计算往复式压缩机对应时刻的活塞力、摩擦力、惯性力；根据计算的若干时刻的活塞力、摩擦力、惯性力计算对应时刻往复式压缩机工作中的综合气体力，获得往复式压缩机的F-V图；

F为综合气体力，F＝F_c-F_ck；其中F_ck为空载时的活塞力，F_c为负载时的活塞力。

2.根据权利要求1所述的往复式压缩机的F-V图监测方法，其特征在于，利用应变式传感器采集压缩机负载运行初始阶段T1内活塞杆上的应变作为参考值，其中T1为压缩机从启动到运行达到稳定的时间；根据参考值计算往复式压缩机对应时刻的活塞力、摩擦力、惯性力，获得往复式压缩机的参考F-V图。

3.根据权利要求2所述的往复式压缩机的F-V图监测方法，其特征在于，利用应变式传感器采集压缩机运行初始阶段T1之后运行中的若干时刻的活塞杆上的应变作为监测值；根据监测值计算往复式压缩机对应时刻的活塞力、摩擦力、惯性力，获得往复式压缩机的监测F-V图。

4.根据权利要求3所述的往复式压缩机的F-V图监测方法，其特征在于，根据若干时刻的应变计算往复式压缩机对应时刻的活塞力、摩擦力、惯性力，具体包括：

根据公式F_c＝E·ε·A_d计算往复式压缩机的活塞力，其中E为活塞杆的弹性模量，ε为应变式传感器采集的往复式压缩机的应变，A_d＝πd²/4为活塞杆截面积；

压缩机在空载运行时，往复质量满足公式：

摩擦力满足公式F_cf＝F_ck-F_cI；

其中，F_ck为空载工况下测得的活塞力，F_cI为惯性力，F_cf为摩擦力。

5.根据权利要求3所述的往复式压缩机的F-V图监测方法，其特征在于，通过比较参考F-V图和监测F-V图的不同差异，判断压缩机工作过程中的各种故障。

6.根据权利要求5所述的往复式压缩机的F-V图监测方法，其特征在于，当压缩机产生故障时，监测的F-V图会发生变化，与参考F-V图之间存在差异，不同的故障对应监测F-V图中不同的特征。

7.根据权利要求5所述的往复式压缩机的F-V图监测方法，其特征在于：

余隙容积过大故障时，表现的F-V图特征为：a、盖侧余隙容积过大，2-3向右移，1-2变短；b、轴侧余隙容积过大，5-6左移，4-5变短；c、指示图面积减小；

吸气阀咬住故障时，表现的F-V图特征为：a、盖侧开始吸气时卡住，2点高于正常位置，吸气终了卡住，4-5上移；b、轴侧开始吸气时卡住，5点低于正常位置，吸气终了卡住，1-2下移；c、指示图面积减小；

排气阀咬住故障时，表现的F-V图特征为：a、盖侧开始排气时卡住，4点下降；终了时卡住，2-3右移；b、轴侧开始排气时卡住，1点上升；终了时卡住，5-6左移；

吸、排气阀不严密故障时，表现的F-V图特征为：a、盖侧吸气阀，4-5上移，3-4变短；排气阀，2-3右移，1-2变短；b、轴侧吸气阀，1-2下移，1-6变短；排气阀，5-6左移，4-5变短；

排气面积小故障时，表现的F-V图特征为：a、3-4下移；b、1-6上移；c、指示图面积增大；

吸气面积小故障时，表现的F-V图特征为：a、盖侧面积小，6-1-2上移，存在凸起；b、轴侧面积小，3-4-5下移，其中存在凸起；c、指示图面积减小；

F-V图中，1为SD过程的终点；2为CE过程的终点；3为CS过程的终点；4为DS过程的终点；5为EC过程的终点；6为SC过程的终点；SD为轴侧吸气+盖侧排气过程，CE为轴侧压缩+盖侧余隙膨胀过程，CS为轴侧压缩+盖侧吸气过程，DS为轴侧排气+盖侧吸气过程，EC为轴侧余隙膨胀+盖侧压缩过程，SC为轴侧吸气+盖侧压缩过程。

8.一种往复式压缩机的F-V图测试装置，其特征在于，包括：

采集单元，用于获取应变式传感器采集的压缩机运行至少一个周期内多个时刻的应变；

计算单元，用于根据所述多个时刻的应变计算活塞力、摩擦力、惯性力、综合气体力；

存储单元，用于存储运行初始阶段T1内的活塞力数据及F-V图，作为参考；T1为压缩机从启动到运行达到稳定的时间；F为综合气体力，F＝F_c-F_ck；其中F_ck为空载时的活塞力，F_c为负载时的活塞力；

判断单元，用于通过比较参考F-V图和监测F-V图的不同差异，判断压缩机工作过程中的各种故障；

显示操作单元，用于显示实时监测数据和F-V图，并进行实时操作。