（化学工程专业论文）压缩机气阀的失效分析与改进.pdf

人连理一i ：大学专业学位硕十学位论文 摘要 气阀是活塞式压缩机中的关键部件，它的工作好坏影响着压缩机的排气量和功率消 耗以及运行可靠性，尤其是气阀寿命的长短直接影响着活塞式压缩机长周期运转的工作 效率。因此，针对生产中气阀出现的问题进行分析，确定气阀失效的原因，并对其进行 设计改进，具有较强的指导意义。另外，根据气阀的常见失效形式，制订气阀f 1 常的维 修保养措施，也能对压缩机平稳运行提供保障。 本文借助计算机进行辅助设计，模拟气阀的运动规律，并对气阀进行改进设计，同 时在如何加强使用监测和维护保养方面，进行了详细的研究，并提出了监测方案与维护 技术要求。本文的主要内容有： ( 1 )对压缩机的其重要组成部件一气阀的应用与发展及其失效形式进行了综 合论述； ( 2 )利用v b 语言编制了压缩机气阀运动规律计算机模拟计算设计软件，并 付诸实践使用，运用模拟程序对氧压机二段气阀运动规律进行模拟。模 拟发现气阀运动规律为弹簧力过大引起的“颤振 。 ( 3 )对氧压机二段气阀进行了改进设计，通过模拟发现，气阀运动明显改善， 压缩机性能提高。、 ( 4 )分析发现改进后的压缩机气阀，社会效益和经济效益良好。 ( 5 )对气阀的维护保养和使用操作及其他影响其使用寿命的因素进行了详尽 的论述，并提出了行之有效的方法，以延长压缩机的使用寿命。 关键词：压缩机气阀；阀座；阀片；弹簧；状态监测 压缩机气阀的失效分析与改进 f a i l u r ea n a l y s i sa n di m p r o v e m e n to f c o m p r e s s o rv a l v e a b s tr a c t c o m p r e s s o rv a l v ei sak e yc o m p o n e n ti nt h a ti ta f f e c t st h eq u a l i t yo ft h ew o r ko ft h e e n g i n ea n dc o m p r e s s o rp o w e rc o n s u m p t i o na n dr e l i a b i l i t yo fo p e r a t i o n ，i np a r t i c u l a rt h e l e n g t ho ft h ev a l v ed i r e c t l ya f f e c tt h el i f eo ft h ep i s t o nc o m p r e s s o ro p e r a t i o no fl o n g - p e r i o d e f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，t h ep r o d u c t i o no fv a l v e sf o rt h ep r o b l e m sa n a l y z e dt od e t e r m i n et h e r e a s o n sf o rv a l v ef a i l u r e ，a n di m p r o v et h e i rd e s i g n ，w i t h s t r o n gg u i d a n c e i na d d i t i o n ， a c c o r d i n gt o t h ec o m m o nf a i l u r em o d eo ft h ev a l v e ，t h ed e v e l o p m e n to fd a y t o d a y m a i n t e n a n c ea n dr e p a i ro ft h ev a l v em e a s u r e sc a na l s op r o t e c tt h es m o o t ho p e r a t i o no ft h e c o m p r e s s o r i nt h i sp a p e r ，u s i n gc o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，s i m u l a t i o no ft h em o v e m e n to ft h ev a l v ea n d v a l v et oi m p r o v et h ed e s i g n ，a tt h es a m et i m eh o wt oe n h a n c et h eu s ea n dm a i n t e n a n c e a s p e c t so fm o n i t o r i n g ，c a r r i e do u tad e t a i l e ds t u d ya n dm o n i t o r i n gp r o g r a ma n dm a i n t e n a n c e o ft e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r e ： ( i ) t h ev a l v ew h i c hi so n eo fa n dt h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t so fc o m p r e s s o ra n di t s a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fac o m p r e h e n s i v ef a i l u r eo nt h ef o r ma r ei n t r o d u c e d o n eo f t h ev a l v ea n di t sa p p l i c a t i o na n d ； ( 2 ) t h em o v e m e n tl a wo ft h ec o m p r e s s o rv a l v ei ss i m u l a t e dw i t ht h eu s eo fv bl a n g u a g e o ft h ec o m p u t e rs i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a n dp u ti n t op r a c t i c et h eu s eo fs i m u l a t i o np r o c e d u r e s u s i n gb i so x y g e nc o m p r e s s o rt os i m u l a t et h em o v e m e n to ft h ev a l v e s i m u l a t i o nf o u n dt h a t m o v e m e n to ft h ev a l v es p r i n gf o r c ei sc a u s e db yt o om u c h ”c h a t t e r ” ( 3 ) t h eo x y g e nc o m p r e s s o rv a l v ed e s i g nh a sb e e ni m p r o v e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o n f o u n dt h a tt h ev a l v em o v e m e n ti m p r o v e dc o m p r e s s o rp e r f o r m a n c e ( 4 ) t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei m p r o v e dc o m p r e s s o rv a l v e s ，g o o ds o c i a la n d e c o n o m i cb e n e f i t s 。 ( 5 ) t h eu s eo fm a i n t e n a n c eo p e r a t i o n sa n do t h e rf a c t o r s t h a t a f f e c tt h e i rl i f eh a da d e t a i l e dd i s c u s s i o na n d p u tf o r w a r de f f e c t i v ew a y s t oe x t e n dt h el i f eo ft h ec o m p r e s s o r k e yw o r d s ：c o m p r e s s o rg a sv a l v e ；v a l v es e t ；v a l v ep i e c e ；s p r i n g ；c o n d i t i o nm o n i t o r i n g i i - 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名 压编翱乏i 留纫云i 舍新f 反丝 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：垦盥童垒垒! 鱼鲶玺垫釜坌垫查坠垒 作者签名：望叁塾日期_ 鲻年j 三月! 生日 大连理下大学专业学位硕七学位论文 1文献综述 1 1压缩机的发展和应用 往复式压缩机是用以提高各种气体压力的通用机械，广泛应用于石油、化工、冶会、 机械等部门，它是一种与现代工业和生活的各个领域密切相关并发挥重要作用的通用机 械。往复式压缩机的设计制造水平，以及其运行的经济性及可靠性被认为是衡量一个国 家机械工业发展状况和水平的标志之一。 往复活塞压缩机是各类压缩机中发展最早的一种，它是通过活塞在气缸内作往复运 动来压缩和输送气体。公元前1 5 0 0 年中国发明的木风箱为往复活塞压缩机的雏型。1 8 世纪末，英国制成第一台工业用往复活塞空气压缩机。2 0 世纪3 0 年代丌始出现迷宫压 缩机，随后又出现各种无油润滑压缩机和隔膜压缩机。5 0 年代出现的对动型结构使大型 往复活塞压缩机的尺寸大为减小，并且实现了单机多用。7 0 年代初期，( 原民主) 德国德 来斯登技术大学提出了著名的各类压缩机技术演化完善度评估曲线，标明往复活塞式压 缩机的历史最久远、变革进程最长、完善度最高【1 】。作为丌发早、完善度高的往复式 压缩机，其技术进展近年虽不及回转式压缩机迅速，但并未停滞，仍不断有所创新。如 在改进气阀、填料及密封元件材质，提高易损件寿命，隔振降噪及气量自动调节方面均 取得可喜进展。 国外往复式压缩机发展方向为大容量、高压力、结构紧凑、能耗少、噪声低、效率 高、可塑性好、排气净化能力强：普遍采用撬装无基础，全罩低噪音设计，大大节约了 安装、基础和调试费用：不断开发变工况条件下运行的新型气阀，使气阀寿命大大提高： 在产品设计上，应用压缩机热力学、动力学计算软件和压缩机工作过程模拟软件等，提 高计算准确度，通过综合模拟模型预测压缩机在实际工况下的性能参数，以提高新产品 开发的成功率，压缩机机电一体化得到强化。在国内，往复式压缩机一直受着低转速、 长行程的困扰，但在气阀技术、气流脉动、振动和噪声、摩擦与润滑、新工艺与新材料 的应用等多个研究方向也获取了较大的进展。“十一五期间，压缩机行业重点发展 的关键产品是特大型往复压缩机组。特大型往复压缩机组是大型石化项目的关键设备， 也是一个国家压缩机技术水平高低的集中体现。经过多年的发展，我国大型往复压缩机 制造技术得到很大的提升，国内产品在稳定质量的基础上正向特大型化、集成化和智能 化方向发展。 压缩机气阀的失效分析与改进 与国外往复式压缩机技术水平相比，我国的主要差距为基础理论研究差，产品技术 开发能力低，工艺装备和实验手段落后，产品技术起点低，规格品种、效率、制造质量 可靠性差。另外，技术含量高和特殊要求的产品还满足不了国内需求。 1 2 压缩机分类 依据压缩机工作原理，分为容积式压缩机和动力式压缩机两大类。容积式压缩机 的工作原理，是直接通过改变气体容积来提高气体压力。按主要零件的运行状态，容 积式压缩机又被分为往复压缩机和回转压缩机。以轴驱动的往复压缩机，主要分成( 往 复) 活塞压缩机和隔膜压缩机。自由活塞压缩机隶属于往复压缩机。回转压缩机中有 单轴回转压缩机、双轴或多轴回转压缩机。单轴回转压缩机主要有：单螺杆压缩机、液 环压缩机、滑片压缩机、回转( 滚动) 活塞或摇摆活塞压缩机。双轴或多轴回转压缩机 主要有：双螺杆压缩机、双转子( 罗茨) 压缩机、齿式压缩机。动力式压缩机又被称 为速度式压缩机，其工作原理是将气体的动能转化为压力能。动力式压缩机涵盖引射 器在内，但以透平压缩机为主流。透平压缩机亦称涡轮压缩机，旗下分为轴流压缩机、 径流( 离心) 压缩机其他类型( 轴流一径流 离心 组合) 压缩机。 活塞压缩机优点有： ( 1 ) 适用压力范围广，不论流量大小，均能达到所需压力； ( 2 ) 热效率高，单位耗电量少； ( 3 ) 适应性强，即排气范围较广，且不受压力高低影响，能适应较广阔的压力范 围和制冷量要求； ( 4 ) 可维修性强； ( 5 ) 对材料要求低，多用普通钢铁材料，加工较容易，造价也较低廉； ( 6 ) 技术上较为成熟，生产使用上积累了丰富的经验： ( 7 ) 装置系统比较简单。 活塞压缩机缺点： ( 1 ) 转速不高，机器大而重： ( 2 ) 结构复杂，易损件多，维修量大； ( 3 ) 排气不连续，造成气流脉动； ( 4 ) 运转时有较大的震动。活塞式压缩机在各种用途，特别是在中小制冷范围内， 成为制冷机中应用最广、生产批量最大的一种机型。 人连理工人学专业学位硕十学位论文 1 3 压缩机气阀的应用和发展 压缩机广泛地应用于机械、化工、冶金、制冷等各部门，其工作的可靠性极为重要。 气阀是安装在往复式压缩机气缸上控制气体进出的部件，气阀是往复式压缩机中最重要 同时也是最易损坏的部件之一，压缩机的经济性及可靠性很大程度上取决于气阀的完善 性【列，因此气阀常被人们比作压缩机的“心脏”。据统计，往复式压缩机的能耗超过全 国总能源消耗的1 0 t2 1 。目前国内外压缩机气阀设计的水平参差不齐，设计得好的气阀， 其流动阻力损失约为压缩机轴功率的3 - 7 ，运行寿命超过8 0 0 0 小时或更高。而设计得 不好的气阀，其流动阻力损失高达压缩机轴功率的1 5 - 2 0 ，运行寿命甚至不到3 0 0 小 时f 3 】。另外，在一般情况下，压缩机的转速越高，气阀的经济型与可靠性越难保证，因 此，气阀又是限制往复式压缩机实现高速运转的因素。 往复式压缩机气阀的历史起源于1 8 9 7 年，当时奥地利工程师h a n n sh o e r b i g e r 设计 出了一种钢阀片气阀，并申请了专利，用于炼钢厂的低压鼓风机上。该设计采用无摩擦 带导向的弹性臂式阀片，用于无油润滑的压缩机。1 9 1 0 年，h a r m sm a y e r 发明了一种珊 状阀，该阀用一些柔性的金属条作为密封元件。1 9 3 1 年，英格索兰发明了槽状阀。5 0 年代后期，汤姆森工业公司开发了菌状阀i s l 。目前，在往复式压缩机中得到广泛应用的 气阀有环状阀、网状阀、簧片阀等。 目前，除微型压缩机广泛采用簧片阀外，在绝大多数国家中，大中型压缩机普遍采 用的是网状阀【6 li 在我国，大中型压缩机传统采用的是环状阀。目前气阀的设计仍采风 传统的类比和相似设计理论，未从根本上解决气阀的定量分析计算及设计问题，致使一 部分压缩机气阀工作不适应工况变化的要求，导致工作可靠性差，工作寿命短。 1 4 压缩机气阀结构及形式 1 4 1 压缩机气阀结构 活塞式压缩机气缸上装有进、排气阀，它们是控制压缩机气缸进气和排气的关键构 件。即在进气过程时，让气体从进气管进入气缸；在排气过程时，让气体由气缸中排出 气体至排气管。而且当气缸内为压缩和膨胀过程时，气阀还要将气缸和管路隔离，保持 气缸工作容积的密封。气阀主要由阀座、阀片、弹簧和阀盖( 阀片的升程限制器) 组成， 如图1 1 所示。气阀主要由阀座、阀片、弹簧、升程限制器和将它们组为一体的螺栓、 螺母等组成。排气阀的结构与吸气阀基本相同，两者仅是阀座与升程限制器的位置互换， 吸气阀升程限制器靠近气缸里侧。环状阀因其阀片为薄圆环而得名，阀座与升程限制器 压缩机气阀的失效分析与改进 上都有环形或孔型通道，供气体通过。阀片与阀座上的密封口贴合形成密封。升程限制 器上有导向凸台，对阀片升降起导向作用。 圈i l 气阀结构 f i gi lg a s v a l v ec o n f i g u r a t i o n 活塞压缩机一般都采用“自动阀”，就是气阀的开启与关闭是依靠阀片两边的压力 差实现的，没有其它的驱动机构。气阀的结构形式也是多种多样，最常见的有环片阈、 簧片阀两种。 阀座是气阀的主体，它与升程限制器一起构架了气阀组件的空间。阀座与升程限制 器开通气体通道，是气体的必经之处；阀座上的同心凸台表面经磨削加工，与阀片共同 构成对气体的密封结构。弹簧在升程中具有缓冲阀片与升程限制器的撞击作用，在回程 中具有辅助阀片自动复位并保证密封的作用。阀片式气阀的关键部件其作用是在吸气 或排气结束时，关闭气流通道，它与阀座一起形成密封结构。 142 压缩机气阀形式 目前国内外活塞式压缩机的气阀主要有以下几种形式： 单作用环状阀仅起吸气作用或排气作用的环状阀。 组台阀，吸排气阀组合成一起的环状阀。 网状阀，由带圆 l 、条状孔或槽状孔的阀板、舌簧片、升程限位器组成的气阀。 锥形阀，由阀杆锥面与阀座锥孔进行密封的气阀。( 不常见) 1 、从性能方面不同气阀结构比较 环状阀较板状阀和锥形阀排气系数高，且使用寿命长。出于气阀的结构、压缩温度 等因素的影响，单作用环状阀较组合阀排气系数高。如2 z f - 03 4 3 - b 型压缩机与c v 2 0 3 型压缩机的气阀比较下，在同等工况条件下，两种同容积流量、同压力等级的压缩机两 级分别安装单作用环状阀和组合阀，安装单位作用环状阀的压缩机排气系数为0 6 8 ，而 大连理t 大学专业学缸硕士学位论文 安装组合阀的压缩机排气系数为0 6 4 。又如w f o6 3 型空压机上分别在两级安装单 作用环状阀及i 级安装网状阀、i i 级安装组合阀，其排气系数分别为o 6 8 和o 6 6 。、 图1 2 环状阔 f i g 12 c i r e u l a r i t ) rv a l v e 削13 阿状阎 f i g i3 r e t i c u l a t i o nv a l v e 2 、从经济性方面进行分析 网状间结构成本最低次之为组合阀、锥形阀结构，成本晟高的为单作用环状阀结 构。网状阀和组合阀可直接安装在气缸盖和气缸之间。锥形阀虽然安装在气缸盖中，但 阀芯与气缸盖上的阀座互磨有一定困难，因铸造和加工常引起气缸盖报废，弹簧力的调 节办较繁琐。单作用环状阀安装在气缸盖内每一只阀均需多种零件进行固紧密封，且气 缸盖中的阀孔加工有一定的精度要求。 3 、从可靠性方面进行分析 板状阀的舌簧片易磨损、断裂。锥形阀密封锥面易经频繁冲击而产生疲劳破坏，且 难以修复。单作用环状阀及组台阀相对比较可靠。 4 、从维修方便性方面进行分析 安装在气缸盖内的单作用环状阀和锥形阀在维修时最为方便。维修时只要松开气缸 盖上的压紧螺栓即可取出气阀清理杂质或积碳，更换损坏件。安装在气缸盖和气缸之间 的板状阀、组合阀在维修时最为繁琐。维修时一般需拆去舫护罩壳、级间冷却器、与气 瓶连接的管道接头，再拆去气缸盖与气缸连接紧固用的螺栓，卸去气缸盖，才能取下网 状阀或组合阀，方可进行清理或更换。 压缩机气阀的火效分析与改进 15 压缩机气阀的失效分析 压缩机对于网形阀的总体要求是：开闭及时、不漏气、阻力损失小、使用寿命长、 余隙容积小、结构简单、互换性好。在压缩机多种多样的故障中，气阀故障占总故障数 的6 0 以上，进行气阀故障机理的研究是对整个压缩机进行故障诊断的重要组成部分。 网形阀一般由阀座、升程限制器、阀片、弹簧、气阀螺栓和螺母组成。由于网形阀结构 复杂零部件数量多长期在高温下承受着交变冲击载荷，极易发生故障。对结构、材 质、制造工艺和操作条件完全相同的气阀，使用寿命在理论上应该是相近的，即失效时 间呈正态分布。网形阀的阀座和升程限制器一般使用中表现为中长期故障，阀片和弹簧 在使用中表现为中短期故障，气阀螺栓和螺母的故障率较低。 151 阀片的失效 主要原因是气阀中的阀片和阀弹簧损坏，导致气阀失效，如图14 所示。在正常情 况下，阀中其它部件一般不损坏。 图14 阀片失效 f i g 14v a l v ep i e c ei n v a l i d a t i o n 圈i5 阀片静态应力分析 f i g 15v a l v ep i e c es t a t i cs t a t e5 h e s sa n a l y s e 根据大量损坏的阀片统计，阀片失效的形式主要有三种：一种是产生径向断裂或裂 纹变形，多发生在外环或次外环。网状阀还经常发生在中心固定部分的减薄处。二是阀 片的磨损和腐蚀，对于介质有腐蚀性的，多发生在排气阀气缸侧阀片密封口之间，产生 腐蚀麻点及凹痕。三是阀片的表面有小块的金属剥落。通常，阀片常发生损坏的是断 裂与产生裂纹变形，这是由于阀片的失效与弹簧不同形式的失效( 断裂或严重锈蚀) 有 关。 大连理工大学专业学位硕十学位论文 另外通过对网状阀片静态应力分析，对阀片减薄部分附近贴电阻应变片，如图1 5 所示然后，通过支架把阀片中心固定加载使阀片上移升程度高度，通过电阻应变仪测 量应变值，见表1 1 测定静强度的实验数据 表1 2 最人最小应力值 t a b 1 2m o s ta n dl e a s ts t r e s sv a l u e 实验结果均接近正常使用寿命的疲劳极限，说明内圈减薄处断裂大多是由阀片的疲 劳造成的 当然弹簧的失效，也能引起阀片工况的变化，阀片受力不均，开启、闭合冲击变大。 最容易使阀片在短时间内造成断裂或者产生裂纹变形。另外，阀片材料的硬度也是阀片 断裂的主要原因之一，硬度过高阀片表面的微裂纹增加，抗脆性破坏的性能下降。阀片 工作时要承受交变与冲击载荷，不仅需要较高的硬度，还需要足够的韧性和抗疲劳的能 力。失效的阀片不能保证气体通道的正常开启与闭合，因此会造成气体泄漏与回流。碎 裂的阀片将引起复杂的震动，碎片进入气缸将对活塞、气缸系统造成严重的破坏，进而 影响压缩机的工作。 1 5 2 阀弹簧的失效 主要有三种形式g 一是阀弹簧的磨损，从使用的阀簧中，大多数的阀弹簧端圈已经磨得发亮，其中不 少阀端部磨平圈长度已经减少，许多弹簧外圈已经磨出了光亮的棱。 二是松弛变形。有些弹簧的节距已经不等，尤其在靠近端圈的几圈、节距明显变大、 刚度下降，自由高度恢复不到原来的高度。 三是阀弹簧碎断，如图1 6 所示。 压缩机气阀的失散分析与改进 囤1 6 碎断的弹簧与阀片 f i g l6b r e a ko f f s p r i n ga n dv a l v ep i e c e 四是柱形弹簧钢丝直径小，对微小的外伤或腐蚀性缺口敏感，同时，高温蠕变和渗 碳作用可能使弹簧弹性发生变化和使金相组织改变导致弹簧变脆。弹簧力变化会影响气 阀开启、闭合的准确性。弹力变小，阀片延迟关闭造成气体回流，引起循环气体温度、 压力的变化。阀片对升程限制器的撞击强度增大，使冲击振动及噪声增大，影响阀片寿 命。弹力变大，气阀开启时，气流压力不能使阀片贴在升程限制器表面，会引起阀片的 振颤，同时也会造成能量损失，影响到压缩机的效率。弹簧脆断，可引起复杂的振动， 阀片运动卡滞，以及引起阀片受力不均等。因此，弹簧故障都可从热力学和动力学参数 方面反应出来。 153 介质脏或有外部杂质进入 固体杂质颗粒在压缩机高压气流的带动下猛烈冲击气阀零部件，导致零部件损坏， 或脏物夹在密封面之间，使气阀很快失效，主要表现为阀体央带脏物。 154 介质带液 介质带液或压缩机气液分离器出现故障，会对气闯造成液击，气阀由于承受额外的 冲击负荷而快速失效，主要表现为压缩机运行时声音异常。 155 气缸过油润滑 有的压缩机气缸采用有油润滑，如果压缩机注油太多，过量的润滑油积蓄在气阀里 形成油粘滞，导致气阀阀片因为延迟关闭或延迟丌启而断裂。 大连理工人学专业学位硕士学位论文 1 5 6 工况变化 压缩机每一个气阀都是根据特定工况而设计的，工况波动大或长时间偏离设计值， 气阀由于长时间工作不正常而失效。 1 5 7 压缩机频繁开停 压缩机放置一段时间后，气缸润滑油积蓄或介质所带的液体( 会造成气缸及气阀腐 蚀) 积蓄，冷车启动时，没有放空气缸内的积液即对气阀进行清洗，导致气缸带液启动， 最易造成液击和油粘滞。 1 。5 8 其他原因 还有一些客观因素也可使气阀损坏。如：安装气阀不正确，尤其是在安装过程中间 隙留得不合适；阀座与阀片间掉入金属碎片或其它杂物，关闭不严，形成漏气；气阀弹 簧力与气体力匹配不好，弹力过强使阀片开启迟缓，弹力太弱则阀片关闭不及时；压紧 气阀的压紧力不当，太小则漏气，太大会使阀罩变形损坏。一般压紧力可用下式计算： p ：三桕2 只 4 式中：d ：阀腔直径； 尸，：最大气体压力； k ：常数，一般取1 5 2 5 。 1 6 压缩机及气阀研究现状 压缩机作为一种通用机械，为了适应用户的需要和激烈的市场竞争，研究与开发二 直在广泛而深入地进行着，这些研究的状况与成果，通过许多刊物、国际性会议、专利 与新产品得到了充分体现。当今世界上最集中体现的是下列国际性的学术会议【8 1 ： ( 1 ) 由美国普度大学举办的“国际压缩机工程会议 ( t h ei n t e r n a t i o n a lc o m p r e s s o r e n g i n e e r i n gc o n f e r e n c ea tp u r d u e ) ； ( 2 ) 由西安交通大学举办的“国际压缩机技术会议 ( t h ei n t e r n a t i o n a lc o m p r e s s o r t e c h n i q u ec o n f e r e n c e ) ； ( 3 ) 由英国流体机械工程学会与伦敦城市大学举办的“国际压缩机及其系统会议 ( t h ei n t e m a t i o n a lc o m p r e s s o ra n di t ss y s t e mc o n f e r e n c e ) ： ( 4 ) 主要由德国德来斯登技术大学与奥地利贺尔碧格公司负责的“欧洲往广西大 学硕士学位论文往文式压缩机网状间阅座匀升租限制书强度布开究及应用复压缩机论 坛”( t h ee u r o p e a nf o r u mf o rr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r ) 。 压缩机气阀的失效分析与改进 此外还有俄罗斯流体工程学会与彼得堡技术大学举办的国际压缩机会议的有关论 文等。这些会议所发表的论文基本上体现了当今世界上压缩机的研究状况和水平。总的 来讲，压缩机研究都是围绕下列方向进行的： ( 1 ) 不断提高压缩机的经济性和可靠性： ( 2 ) 根据生产发展需要开发新产品： ( 3 ) 应用新工艺与新材料： ( 4 ) 降低制造成本； ( 5 ) 降低噪声。 在往复式压缩机存在的百余年里，随着科学技术的发展，对气阀的研究也有不同的 历程。可以说，很久以来，直至最近3 0 - 4 0 年为止，由于往复式压缩机转速不高，气阀 的寿命和经济性问题并不突出，对气阀的研究还只限于能否达到控制气流的作用问题， 所以在气阀的结构型式上考虑的多一些p 1 。例如从单通道趋向于多通道，并发展出各种 形式的片形阀。基于这一系列的过程，目前常见的气阀形式，在控制气流的作用上，被 认为是基本满意的。近3 0 , - - 4 0 0 年来，随着压缩机转速的提高以及压缩气体压力和密度 的提高，要设计制造出完全符合上述要求的气阀通常是比较困难的。而且气阀的某些性 能指标之间还互相制约，有时为了改善气阀的某个指标，通常会引起其它指标的变坏。 为了减少气阀的流动损失，必须增大它的通流面积从而降低气阀中的气流速度和阻 力系数，但这一愿望却要受到强度及结构的限制，并且常常还与减少气阀形成的余隙容 积的目的相矛盾。而且这样做的结果必然会使得气阀密封周长的增大，密封性能降低， 泄漏气体增加。另一方面，如果采用增加阀片升程的办法来达到增加通流面积的目的时， 还将导致气阀寿命的降低。 弹簧力弱时，气阀将延迟关闭，且会在反向气流的作用下落在阀座上，此时不可避 免地具有强烈的冲击。由于气阀延迟关闭还将引起排气量和功率的损失，并导致气阀过 早损坏。为保证气阀启闭及时，应增大弹簧力，但弹簧力增大，又将引起气体在气阀中 的节流作用增加，从而导致排气量和功率的损失等等。 由于这些矛盾的存在，气阀的可靠性和经济性问题日益突出，而且随着对往复式压 缩机产品质量的要求进一步提高，使得人们对气阀的研究除了在结构型式这一方面之 外，还着重于更细致的方面，例如，如何使气阀工作得更好，达到更高的要求，气阀中 的各参数应该怎样地相互配合等等。同时，也由于现代测试技术的发展，科研成果和电 子计算机在实践中的广泛应用，气阀的研究工作也被大大地促进了。 围绕着提高压缩机的可靠性和经济性两大方向，国内外许多研究人员对气阀进行了 大量的理论和实验分析。研究发现气阀中各个零件损坏的几率相差很大，易损的零件是 大连理工大学专业学位硕士学位论文 那些不断运动着的零件一阀片和弹簧，在网状阀中缓冲片也是易损零件之一。阀片在运 动时，不断撞击缓冲片、阀座及弹簧，且缓冲片还与升程限制器不断碰撞，因此它们所 受到的是撞击载荷，撞击载荷的大小与其运动规律有关。研究还发现，气阀的流动阻力 损失也受到阀片运动规律的影响。因此，国内外学者在研究气阀时，除了研究其材质、 加工等方面的原因外，较着重开展了对气阀运动规律的理论研究和试验。 分析压缩机气阀的运动规律，首要的是建立其工作过程数学模型。目前压缩机环状 阀设计过程中，普遍采用的数学模型是在c a s t s l g l i o l am 建立的数学模型的基础上发展 起来的。只是根据具体情况，数学模型中考虑的因素有所增多，如热交换、气流脉动、 阻尼、油的粘性等。陈文勇等人利用压缩机数学模型分析了不同转速下气阀运动规律的 变化。李云等人根据阀片运动微分方程组研究了不同阀片质量对气阀性能的影响。 2 0 世纪8 0 年代中期以来，国外压缩机行业在技术和生产方面都有新的发展。在各 类压缩机的性能和可靠性己基本妥善解决了的高水准基础上，仍主要围绕提高产品的寿 命和性能两大方面进行工作。特别是电子计算机在研制中的广泛使用，使数理模型取代 了“经验凑试”，使科研工作向自动化、最佳化方向发展。 ( 1 ) 在气阀研究中，计算机使阀片运动规律的数学模型方程得出迅速准确的结果， 正确地认识了气阀的工作过程、特性和结构参数的合理性，气阀的最优化研究和可靠性 研究取得明显效果。 ( 2 ) 在气流脉动与管道振动中采用计算机模拟，解决了气柱固有频率、压力脉动、 结构振动、复杂管系固有频率的计算和动力效应的分析，使管路系统设计合理，消振措 施有力。 ( 3 ) 在压缩机性能预测的研究中，实现了对几何特征参数、膜腔曲线、压缩过程、 排气过程、吸气过程、泄漏流量的计算预测，避免了多工况下的实机运转实验，大幅度 节约了时间和费用。 电子计算机的应用，降低了压缩机制造厂商的制造成本。其中，对气阀、阀腔流动 阻力，阀室热交换的研究占有重要地位。在机构上引人注目的则是关于容积控制方面。 在故障诊断上，美国普度大学利用压力传感器所测得信号的变化来发现压缩机故障，并 判断原因。在计算机模拟上，美国i r i s 公司引进多维空间解析，将性能分析和部件设 计综合在一起，为压缩机设计优化提供了一个极为有效的途径。 多年来，我国压缩机制造业在引进国外技术，消化吸收和自主开发基础上，攻克不 少难关，取得重大突破。例如，催化裂化装置用的主风机和富气压缩机、加氢装置用的 循环氢压缩机、新氢压缩机、乙烯三大压缩机、化肥四大压缩机组等已大量在石化生产 中应用。其中，水平剖分式离心压缩机和轴流式压缩机制造技术己接近或达到国际同类 压缩机气阀的失效分析与改进 产品先进水平，往复式活塞压缩机达到国际同类产品水平。在市场需求的拉动下， “十五”期间各类型压缩机均取得了令人可喜的进步，如高压及大型往复活塞式压缩 机新品种的开发，带动了行业骨干企业各自主要产品系列的拓展改进，压缩机性能参数 覆盖领域更加宽泛，可靠性进一步提高。在特种压缩机的开发与改进方面也取得了重要 的进步。我国重大产业领域、国防、尖端科技领域用压缩机的技术水准接近国际水准， 如高压大型往复活塞式压缩机、隔膜压缩机的全面设计技术，总体接近国际水准，特殊 用、极易泄漏的氦气螺杆压缩机已能制造，市场前景良好的天然气汽车加气站用c n g 压缩机，部分企业的产品实物水平已经与进口产品相当。 今后压缩机的发展前景不仅仅在于努力提高技术性能指标，更应着力于应用近代先 进计算机技术进行性能模拟和优化设计，促成最佳机型的系列化、通用化、机组化和自 动化，降低生产成本，完善辅助成套设备，扩大应用领域，提高综合技术经济指标。从 整体上看，压缩机产品将向结构紧凑、能耗少、噪声低、效率高、可靠性高以及排气深 度净化方向发展。 由于气阀在往复式压缩机中占有很重要的地位，在压缩机行业中，气阀的研究一直 得到普遍的、足够的重视，国内外许多研究人员对气阀这一至关重要的部件进行了大量 的理论和实验研究。但直到6 0 年代末，这些研究工作主要还是基于改善气阀的经济性。 它是以c a s t a g l i o l a 提出并为后来许多研究人员进一步修正了的气阀运动方程和流动方程 作为理论研究的基础，着重探讨阀片的位移、运动速度与压缩机转速、气体力变化、气 阀参数等之间的依赖关系和相互影响，以指导气阀结构尺寸的设计，这方面的工作己取 得了许多卓有成效的结果。 要设计性能优良的往复式压缩机气阀，首先必须对压缩机气阀的运动规律进行研 究，建立其工作过程数学模型。目前压缩机气阀设计过程中，普遍采用的数学模型是在 c a s t a g l i o l a 建立的数学模型的基础上发展起来的。根据具体情况，数学模型中考虑的因 素有所增多，如热交换、气流脉动、阻尼、油的粘性等。陈文勇等利用压缩机数学模型 分析了不同转速下气阀运动规律的变化。李云等根据阀片运动微分方程组研究了不同阀 片质量对气阀性能的影响。在传统的压缩机环状阀工作过程数学模型中，阀片往往简化 为仅有一维平动的单质点，而实际上由于流过气阀的气流不均匀、气阀弹簧力不对称、 阀座平面与升程限制器平面由于加工和装配误差存在夹角等原因，气阀工作过程中，阀 片不仅作平动，而且存在转动，也就是说，阀片作倾侧运动。为此，吴业正等分析了由 于气流偏吹引起的环状阀倾侧运动，潘树林等建立了压缩机网状阀倾侧运动数学模型， 分析了倾侧运动对压缩机网状阀可靠性的影响。这些对深入分析气阀的运动规律，指导 气阀设计有重要意义。实验研究方面，孙杰等用变距离电容位移测定法对往复式压缩机 大连理工大学专业学位硕士学位论文 气阀运动规律进行了测试，该方法能够为气阀的设计和改造工作提供较为准确和可靠的 实验资料。张勤等尝试了用电阻应变片对往复式压缩机环状阀片瞬态应力进行实测，这 对阀片的强度分析及机器的故障诊断有一定的帮助。 对于气阀目前所进行的研究有：气阀周围的流动解析和影响压缩机性能的压力损失 研究，影响压缩机可靠性的阀片材料的冲击应力和疲劳的研究。由于计算机能够使阀片 运动规律的数学模型方程迅速得到准确的结果，这对正确地认识气阀的工作过程、特性 和结构参数的合理性无疑大有益处，因此，采用计算机这个有力工具，对气阀进行最优 化、可靠性的设计研究是当前气阀技术的科研动向。 1 7 压缩机气阀运行过程监测 1 7 1压缩机状态监测与故障诊断方法 设备状态监测与故障诊断技术产生于六十年代，一般指不分解、不破坏设备，采用 现代技术手段和方法，掌握设备的在线状态量，对其异常或故障的原因及其发展趋势进 行预测的技术。它的根本目的是要获得设备运行状态的真实信息，从而保证设备的正常 运行和对维修的正确指导，减少或消除事故，提高设备的生产率和使用寿命，获得更大 的经济效益。 设备状态监测与故障诊断过程有三个步骤：信号测取，征兆提取和状态识别。信号 测取决定了采用的监测与故障诊断方法；征兆提取这一步往往要借助于各种信号处理方 法来提取信号中反映设备运行状态的信息，即特征量；状态识别是根据前一步提取的特 征量与已有的正常或者故障的特征量进行匹配的过程，如果得到的特征量和正常状态的 特征量高度相符，则设备运行正常，如果只有部分相符，则设备可能出了故障或者有发 生故障的趋势，再与故障的特征量进行匹配，如果高度相符，则发生了对应的故障，如 果部分相符，则可能发生了对应的故障或者有发生这种故障的趋势。按照信号测取和征 兆提取方法的不同可以把压缩机状态监测和故障诊断方法分成三类【l o 】【l l j ： ( 1 ) 参数法。 参数法是根据介质的参数变化来间接地评价机器技术状况的方法，介质包括空气、 润滑油、冷却水等。这种方法测取的是能量形式的信息，提取反映机器运行状态的一些 参数作为监测和诊断的征兆信息。这种征兆提取方法是建立在热力学、流体力学和空气 动力学原理的基础上的，其理论研究最深入，实际应用也最广泛。在实际工作中，人们 通过压缩机的进排气温度、压力、冷却水、润滑油的流量、温度等对机器的运行性能进 行评价f 1 2 】【l f3 1 ，这就是典型的参数法。 ( 2 ) 振动声学法。 压缩机气阀的失效分析与改进 这种方法测取的也是能量形式的信息，以波形形式来表现。它通过对压缩机的振 动、噪声信号的分析处理来诊断机器故障【1 4 】f l 堋6 1 。这类信号与征兆之间存在着统 计关系，因此，可通过各种统计方法从特征信号中提取征兆。这又可以进一步细分为非 参数模型法和参数模型法两类。 非参数模型法就是一般的随机信号分析方法，它包括时域法、频域法、倒频域法、 相域法。 在时域法中，可以直接求取特征信号的各阶矩以获得各种统计参数，还可对特征信 号进行周期平均以获得周期信号的特征，还可以在压缩机一开始使用就监控每组构件 ( 气缸活塞组件、轴承组件、十字头组件等等) 的振动信号，将以后的测试数据与初始 数据进行相关比较等，以此来评定压缩机的技术状况和确定其剩余寿命。 在频域法中，傅式变换是最基本的方法【1 7 1 。除此之外还有一维谱分析法、多维谱分 析法、相关谱分析法、互谱分析法以及相干分析等等。但由于压缩机结构复杂，存在着 大量激励源，所得到的很多振动信号往往是非平稳的随机信号，利用频域法、倒频域法 和相域法对振动信号进行分析的效果并不是太好。 近年来得到极大发展的时频分析方法在非平稳信号的分析中取得了较好的效果。它 将时域和频域组合成一体，对时间和频率局部化，通过时间轴和频率轴两个坐标组成的 相平面得到整体信号在局部时域内的频率组成或者整体信号各个频带在局部时间上的 分布和排列情况。借助于这种在时域和频域同时具有的良好局部化性质，可以对往复式 机械中频率随时间变化的振动信号进行分析，找出不同时段的不同频带信息来区分出不 同的振动源，据此来判断压缩机的部件是否有故障【l 引。常用来从振动信号提取特征信息 进行故障诊断的时频分析方法有w i g n e r - v i l l e 分布、短时富氏变换1 1 9 1 和小波变换 1 2 0 i 【2 l 】【2 2 】f 2 3 i 。 参数模型法是通过建立特征信号的参数模型来提取征兆的，最典型的方法之一就是 时序模型法。和非参数模型法相比，参数模型法的一个优点是在计算信号统计特性时没 有对采样数据的加窗影响，另一个优点是几乎能将蕴含在采样数据中的全部信息凝聚在 少数的几个模型参数之中。参数模型法在状态监测和故障诊断中得到了广泛的应用 2 4 1 1 2 5 】【2 6 】【2 7 1 。 ( 3 ) 介质金属法。 这种方法测取的是物态形式的信息，根据不同的征兆提取方法可分为光谱分析法、 铁谱分析法、质谱测定法和磁性塞子法等。常用的是光谱分析和铁谱分析。光谱分析技 术通过监测机械设备润滑系统中润滑油所含磨损颗粒的成分及其含量的变化来监测不 同部件的磨损情况【2 8 1 。铁谱技术利用高梯度强磁场的作用，将从设备润滑系统中采取 大连理工大学专业学位硕士学位论文 的油样，分离出磨损颗粒，并借助不同仪器检验分析这些磨损颗粒的形貌、大小、数量、 成分，从而对设备的运装工况，关键零件的磨损状态进行分析判断。 随着人工智能这门学科的发展，其在状态监测和故障诊断的状态识别中得到了越来 越广泛的使用，使得状态识别可以自动的完成，而不仅仅是领域专家的“专利 ，从而 使得构建的系统具有智能性。有些人工智能诊断方法已经被引入往复式压缩机的状态监 测和故障诊断中，但是还不够成熟；而有些方法只是作了实验性的研究，还需要不断的 发展和完善。基于人工智能的诊断方法主要有如下几种： ( 1 ) 基于专家系统的智能诊断技术 故障诊断专家系统是研究最多、应用最广的一类智能诊断系统，主要用于那些没有 精确数学模型或很难建立数学模型的复杂系统。大致经历了两个发展阶段：基于浅知识 的第一代故障诊断专家系统和基于深知识的第二代故障诊断专家系统。这样的专家系统 在往复式压缩机故障诊断中得到了应用 2 9 1 。 ( 2 ) 基于神经网络的智能诊断技术 神经网络具有的超高维性、强非线性等动力学特性，使其具有原则上容错、结构拓 扑鲁棒