（航空宇航推进理论与工程专业论文）往复式压缩机气阀故障诊断的实验研究.pdf

再弦歹王z 擎硕t ：学位论文往复式压缩机气阀故障诊断的实验研究 往复式压缩机气阀故障诊断的 实验研究 摘要 本文针对美国c a r d e r 公司的委托技术协议，开展了0 5 g 型压缩机气阀故障诊断问题 的实验研究。 文中设计了测试方案，分别用速度传感器和加速度传感器，同时测试压缩机前、上 和后缸盖上的振动信号，并应用c a 肋一6 1 0 0 系统对其进行频谱分析。实验中，测取了大 量压缩机正常状态和各种不同故障状态下的振动数据。 在对实验数据统计分析的基础上，提出了以一、二和三阶倍频幅值与振动总量有效 值的比值，作为诊断压缩机气阀故障的特征参数，并建立了不同气阀故障的判别准则。 根据建立的判别准则，编制了0 5 g 型压缩机气阀故障诊断软件模块，并将其配置于 c a m d 一6 1 0 0 系统，扩大了其诊断功能。 关钥! 词：往复式压缩机 故障诊断 气阀振动信号 实验研究 万班歹参士擎硕f ：学位论文往复式压缩机气阀故障诊断的实验研究 e x p e r i m e n t a ls t u d y o nf a u l t d i a g n o s i s i nv a l v e o f r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r a b s t r a c t t h es u c t i o na n dd i s c h a r g ev a l v e so f ar e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o ra r et h ec o m p o n e n t sw h i c h o f t e nf a i l i f t h ef a i l u r eo f t h ev a l v e si sn o td e t e c t e do nt i m e i tw i l lc a u s ef u r g h o rd a m a g et ot h e c o m p r e s s o r t h i sp a d e rp r e s e n t s a ni n v e s t i g a t i o no nt h ed e t e c t i o no ff a i l u r eo fs u c t i o na n d d i s c h a r g ev a l v o si na0 5 gc o m p r e s s o rw h i c hi su s e di nar e f r i g e r a t o ro fat r a i l e r t h eo b j e c t i v eo ft h ei n v e s t i g a t i o ni st oe s t a b l i s ham e t h o da n dav i b r a t i o nm e a s u r e m e n t s y s t e mf o rd i a g n o s i n gt h ev a l v ef a i l u r e si n 0 5 gc o m p r e s s o li no r d e rt or e a c ht h i sg o a l t h e b a s e l i n e so f v i b r a t i o n so f t h ec y l i n d e rh e a d smf i r s ta s c e r t a i n e db ym e a s u r e m e n tw i t has i g n a l a n a l y z e rc a m d - 6 1 0 0d e v e l o p e db yn u r t h w e s t e mp o l y t e t h n i c a lu n i v e r s i t y t h e nas u c t i o no r ad i s c h a r g ev a l v ei no n eo f t h et w of b n lc e n t r a la n dr e a rc y l i n d e r si sr e m o v e d r e s p e c t i v e l y , t h e s a m em e a s u r e m e n ta n da n a l y s i sa r ep e r f o r m e d t h er e s u l t so fd i f i e r e n tc a s e sa r ec o m p a r e d w i t ht h o s eu n d e rn o r m a lc o n d i t i o n e v i d e n td i f i e r e n c e sh a v eb e e nr e v e a l e di nt h er e s u l t s f i n a l l y t h ev a l v e sw i t hg i v e nf a i l u r e s u p p l i e db yt h em a n u f a c t u r e ro ft h ec o m p r e s s o ra r e i n s t a l l e di nd i f i e r e n tc y l i n d e r s ，t h ev i b r a t i o n so ft h ec y l i n d e rh e a d sa r em e a s u r e da n de v a l u a t e d a g a i nw i t ht h es a m es y s t e mc a m d - 6 1 0 0 b a s e do nt h e s er e s u i t s ，am e a s u r e m e n tm e t h o da n d c r i t e r i af o rd e t e c t i n gt h ev a l v ef a i l u r e si n0 5 g c o m p r e s s o r sa r ed e v e l o p e da n dv e r i f i e di nt h e f u r t h e rp r o c e e d i n go ft h ei n v e s t i g a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb r e a k a g eo fas u c t i o no ra d i s c h a r g ev a l v ec a nb ed e t e c t e db ym e a n so f t h ee s t a b l i s h e dm e t h o da n dc r i t e r i a k e y w o r d s ：r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r v i b r a t i o ns i g n a l e x p e r i m e n t a ls t u d y v a l y e f a u l t d i a g n o s i s _ ：彳弘歹i 击学硕i ：学位论j ) ：( =第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 往复式压缩机广泛地应用于工农业、交通运输、国防、冶金和化：等部门”“。它 通常可以产生压缩空气提供高压气体，用来驱动各种风动工具和器械，例如风镐、风钻、 气力扳手和气力喷砂等装置：还能够在化工工艺中提供高压气体，有利于发生化学反应， 例如氮气和氢气合成氨气的反应、高压氢气在石油的精炼中的反应等；而且它还常被用 作气体输送。此外，往复式压缩机还是制冷和低温系统中的关键设备之。 往复式压缩机有压力和排量范围广、效率高、气量调节时压力稳定等优点，但是它 的结构比较复杂，易磨损件多，易故障件多，维修工作量大。频繁的故障和较长的检修 时间常常造成整个生产工艺的中断，直接影响到工厂的生产活动。若在不分解压缩机的 情况下，就能准确判断出故障件的部位，则可预先确定排故实施方案，从而大大缩短检 修时间。另外，及时发现一些重要零、部件的早期故障，采取措施予以排除还可以避 免重大事故的发生。对压缩机实施先进的状态监测与故障诊断技术，可起到上述两方面 的作用会产生明显的经济效益和社会效益。 目前，我国对往复式压缩机的状态监测普遍还停留在凭借简单的仪表和工人的经验 来实现，而国产的压缩机在质量上已经有了较大的提高，或对进口的高质量设备，原有 方法已经远远不能够满足其对状态监测和故障诊断的要求。在出现异常现象和故障情况 时如果不能及时有效地停机和检查，就会造成对机器的进一步破坏，从而给企业带来极 大的浪费和损失。国外已经出现了通过在往复式压缩机上安装振动传感器，利用计算机 进行信号采集和分析，进而掌握机器运行状况的经验o 。因此，将建立在计算机和传感 器基础上的测试和故障诊断系统应用于往复式压缩机这个领域，提高压缩机工作的安全 性和可靠性，是当前压缩机行业所面临的一个重大的课题。 本文课题是由美国c a r r i e r 公司针对o $ g 型压缩机的气阀故障提出，由西北【：业大学 旋转机械与风能装置测控研究所对其进行实验研究的合作项目。合同要求该所研究将其 万p ，孝士擎硕l 学位论文第一章绪论 自行开发、研制的c a m d - 6 1 0 0 振动监测、诊断系统，应用于0 5 g 型压缩机气阀故障诊 断的可行性，并初步建立0 5 g 型压缩机气阀故障的诊断准则。 1 2 往复式压缩机故障诊断的发展概况 设备的监测和诊断几乎是与殴备本身同时出现的。在1 9 世纪前，i 二业革命使生产方 式逐渐从手工转向机器，机器成为了除人以外必不可少的生产条件。设备能否安全正常 运行，直接影响产品的质量、数量和成本。它在一定条件下甚至可以影响到整个企业的 生存。因此，生产方式的改变产生了对设备进行安全监测和故障诊断的要求。近几十年 来故障诊断技术在国内外的发展都比较快，它包括对机械状态量( 力、位移、振动、噪 声、温度、压力等) 进行检测，对状态特征量变化的辨识，机械出现异常振动和噪声的 原因分析、故障防治、机械零部件使用期间的可靠性分析和剩余寿命的估计等方面的内 容。 设备故障诊断技术的发展，大致可分为四个阶段”1 。第一个阶段是在十九世纪，当 时机器设备本身的技术水平和复杂程度都很低，诊断技术还没有出现，因此采用事后维 修方式。第二个阶段是进入二十世纪后。随着大生产的发展，机器设备本身的技术复杂 程度也有了提高，设备故障或事故对生产的影响显著增加，在这种情况下，出现了定期 预防维修方式。这段时期，设备故障诊断技术处于孕育时期。第三个阶段是从二十世纪 六十年代开始，特别是七十年代以来，设备诊断技术随着现代计算机技术、数据处理披 术等发展，出现了更科学的按设备状态维修的方式。第四个阶段是进入八十年代以后， 人工智能技术和专家系统、神经网络等开始发展，并在实际工程中应用，使设备维修技 术朝着智能化的阶段迈进。目前，故障诊断问题的研究主要是致力于模拟领域专家的推 理过程、控制和运用各种诊断知识的能力，把诊断对象作为一个有机的整体。综合分析 故障产生和传播的机理以及多重故障同时发生的相互作用。 在不断发展的故障诊断技术的基础上，大量的设备监测和故障诊断产品也相继涌出。 在国外，美国b e n t l y 公司的3 5 0 0 系列和7 2 0 0 系列、美国e n t e ci r d 公司的6 6 0 0 大机 组监测系统、瑞士v i b r o m e t e r 公司的m m s 、德国s c h e n c k 公司的v i b r o c o m t r o l2 0 0 0 2 面业歹事士譬硕卜学位论文第一章绪论 和v i b r o c a m5 0 0 0 、加拿大c a n t r o n i cs y s t e m 集团公司的m l4 0 0 0 系列实时同步状态监 测系统、丹麦b & k 公司的b k2 5 1 5 、法国f r a m a t o m e 公司的m o v i s y s 等都是性能较 好的检测、诊断系统。国内在设备监测和故障诊断技术方面的发展相对较晚一些，主要 也是由于起步较晚的关系，但是近十多年来，我国的故障诊断技术也得到很快的发展， 并开发出一些监测系统，如哈尔滨工业大学开发的m m m d i i i 和2 h x 1 0 系统、西北工 业大学研制的c a m d - 6 1 0 0 和c a m d - 6 2 0 0 系统、南京汽轮电机厂生产的c r a s 系统、辽 阳石化公司与清华大学联合开发的m m m d i s 系统、英华达的e n 8 0 0 0 型系统，以及北 京京航公司的h g 8 4 0 2 a 、8 9 0 2 系统等。 在往复式机械方面，故障诊断技术首先在大型的内燃机组中得到推广，就往复式压 缩机而言，美国的b e n t l y 公司不久前发布消息称，其3 5 0 0 系列机械保护系统可进一步 扩大应用于往复式压缩机的状态监测。该系统所监测的参数有气缸压力、活塞杆位置、 活塞杆下降、阀门温度以及壳体振动量。其目前的s y s t e m1 m 软件3 0 版本支持往复式 压缩机的监测，软件中已创建了包括与进气阀故障、排气阀故障及活塞环故障等相关的 规则和建议，而且s y s t e m1 t m 软件中所包含的d e c i s i o ns u p p o r ts m 功能允许自行创建往 复式压缩机自动故障诊断的用户规则。在国内，有些专家对往复式压缩机的缸盖振动信 号进行过简单的分析。1 ，也有人在缸盖振动信号对缸内气体压力的影响方面进行过研究 ”1 ，文献 7 】的作者曾在其研究结果的基础上开发了一套往复式压缩机的监测系统。这些 都说明了往复式压缩机的故障诊断问题越来越受到专家们的重视。 本文研究的内容是测试并分析往复式压缩机缸盖的振动信号，使之成为压缩机气阀 故障诊断的依据。在研究中离不开理论知识，文献【l 】、【8 】和【9 】介绍了压缩机的工作原理、 运动机构及机构的受力分析。尤其是文献【1 0 】对压缩机产生振动的激励力和扭矩作了比较 详细的分析。这些理论对实验研究有指导作用。 前人在相关或相近领域的研究工作对本文研究提供了一些经验上的帮助。文献【2 1 】 羊f 1 1 2 2 对往复式压缩机在实际应用中出现的故障情况进行了研究。文献【2 3 】和文献 2 4 】在 原有谱分析的基础上拓展了一些新的信号处理方法。如小波分析和包络谱分析等。但是 迄今为止，还未见这些新信号处理方法成功地在往复式压缩机故障诊断中得到实际工程 应刚的报道。 l ；彳皿7 - 童z 乎硕：卜学位论文 第一章绪论 目前，人们在往复式压缩机领域的研究工作尚不够全面、深入，冈之，有关往复式 压缩机状态监测与故障诊断的文献相对较少。 1 3 内容简介 本文阐述了往复式压缩机的工作原理以及振动规律，介绍了0 5 g 型压缩机的结构并 对其作了激振力分析。结合合同的技术要求，对此压缩机气阀故障开展系统的实验研究， 初步建立了气阀故障的诊断准则，开发了故障诊断软件并考核其可用性并提出了利用 压缩机缸盖振动信号诊断气阀故障的技术方案。 本文内容安排如下： 第一章是绪论，简要的说明研究针对往复式压缩机状态监测与故障诊断的意义、必 要性和研究的发展现状及未来趋势，并简要介绍本文的主要工作内容。 第二章阐述了往复式压缩机的工作原理，系统的分析了使往复式压缩机产生振动的 激振力，详细地讨论了压缩机的气缸分布结构对压缩机振动产生的影响，为后面的实验 研究提供比较充分的理论依据。 第三章介绍本文实验研究的测试对象- - 0 5 g 型压缩机的结构并分析其激振力。 第四章对本文实验研究作以比较详尽的介绍，包括测试研究的对象，目的，使用到 的设备，仪器以及测试分析软件- - c a m d - 6 1 0 0 。此外，还叙述了故障诊断的实验研究方 法和本文实验研究的内容。 第五章处理和分析了实验测量的振动数据，主要是在频域中进行分析，简要阐述0 5 g 型压缩机在气阀故障状态下振动信号的变化。 第六章在数据分析结果的基础上，建立针对0 5 g 型压缩机气阀故障的判别准则，并 根据这个准则，软件实现压缩机状态监测与故障诊断。 第七章总结了本文的工作，并给出结论和建议。 4 万弘，萱士乎硕士学位论文 第二章往复式压缩机的原理与振动规律 第二章往复式压缩机的原理与振动规律 2 1 概述 往复式压缩机是用来提高气体压力和输送气体的机械，从能量的观点来看，压缩机 的【作过程是将原动机的动力能转化为气体压力能，在蒸气压缩式制冷系统中，压缩机 被用来使制冷剂在系统中循环流动。本章的内容是阐述往复式压缩机的工作原理及工作 中产生振动的激振源和振动特性。 2 2 往复式压缩机的原理 往复式压缩机是一种消耗能量的能量转化机械，它凭借其驱动机的能量提高气体压 力。当前，大部分压缩机都是采用电动机驱动，而本文实验中所测的0 5 g 型压缩机则是 由柴油发动机驱动的往复式运动机械，通过曲柄连杆机构，把驱动机的旋转运动转化为 活塞的往复运动，从而对气体作功，提高气体压力。 往复式压缩机的气体循环包括三个过程：进气、压缩和排气过程。进气过程开始时， 活塞向远离阀门方向运动，吸气阀打开，排气阀保持关闭，低压气体由吸气阀门进入气 缸。当活塞运动到距阀门最远的位置，该过程结束，压缩机转入压缩过程。压缩过程开 始后，吸气阀关闭，整个气缸是封闭状态，活塞向阀门方向运动，气缸内部气体被压缩。 当气缸内部气体的压力大于排气阀外部压力之后，压缩机由压缩过程向排气过程转化。 在排气过程中，吸气阀保持关闭，气缸内部气体的压力推开排气阀，高压气体排出气缸。 活塞运动到距阀门最近的位置后，排气过程结束。压缩机随活塞的运动周而复始地重复 进气、压缩、排气三个过程，构成了压缩机工作的气体循环。 2 3 往复式压缩机的激振力分析n 0 1 往复式压缩机部件多，其运动部件的运动形式复杂，各个部件都不可避免的引起压 5 万批譬击妒硕l 学位论文第二章往复式压缩机的原理与振动规律 缩机的振动。但是，这些部件对压缩机振动的影响有火有小，压缩机的实际振动主要由 运动部件引起。本节将对往复式压缩机的激振力进行理论分析。 2 3 1 单缸压缩机的激振力分析 在基本结构上，往复式压缩机主要由以下三个大部分组成i l l 1 )传递动力系统一曲轴、连杆、活塞和活塞销等： 2 )工作气体进、出通道及密封系统一气缸、进气阀、排气阀、阀片、活塞环、填 料及气料调节装置； 3 )辅助系统一水、气、油三路的各种冷却器、缓冲器、分离器、油泵、安全阀及 各种管路系统。 上述三大系统是往复式压缩机工作时产生振动的主要振源当压缩机运转的时候，作 用于运动结构上的力主要有三种：惯性力；气体压力所造成的气体力和相对运动表面之 间的摩擦力。各个机件本身的重力，其作用相对来说比较小，可以忽略不计。下面对各 部件的受力情况做详细分析。 往复式压缩机的运动部件主要是曲柄连杆机构“1 。 曲轴在外界动力的驱动下作旋转运动，再通过连杆的 摆动转化为活塞的往复运动。为了方便研究机构的运 动，我们把连杆的运动简化为两个质点的运动，如图2 1 所示，即看作一部分部件随曲柄销中心点b 运动， 另一部分随活塞销( 或十字头销) 的中心点a 运动， a b 之间总是保持着连杆长度，的距离。因此，曲柄连 杆机构的运动主要是研究a 、b 两点的运动，即活塞 的运动和曲柄销的运动。 首先研究一下活塞运动的位移、速度、加速度。 它们可以从曲柄连杆机构的几何关系和运动关系中确 定。图2 1 中，o 点为曲轴的旋转中心，b 点为曲 6 广 h 。 - 土鱼 羚， 、 x ， 。一| | 图2 一l曲柄连杆机构示意图 万p ，量士乎硕 学位论文第_ ：二章往复式压缩机的原理j 振动规律 柄销中心，a 点是活塞销中心，o b 是曲柄长度，( ，表示) ，a b 是连杆长度( 用，表示) 连杆和气缸中心线的夹角为。r 和，是曲柄连杆机构的主要结构参数。取，与，的比值 为x ，即k = r ，亦称作曲柄半径连杆比。活塞离曲轴最远的位置( a 点) 为外止点 最近的位置( d 点) 为内止点a d 为活塞的行程( 用s 表不，s = 2 r ) 。曲柄的瞬时位 置以曲柄与气缸中心线的夹角口表示，从外止点算起，在任意转角口瞬时，活塞离外止 点的位移x 为 x = r x 【( 1 一c o s o ) + ( 1 一, j t _ , t 2s i n 2 曰) ，旯】 ( 2 1 ) 由上式可以看出，活塞的位移x 是口角的函数。 活塞的运动速度v 可以由下式求出 v ：查：鱼_ d o ：，( s i n 曰十 兰墅丝) 塑 ( 2 2 ) v - 一d t d 0 。i - v - ，( 豇删+ 习i 丽i 旺。2 曲轴的转动可以认为是等速的即! 呈：国 故 v ：，( s i n 口+ ：兰! ! 呈! 皇忉 ( 2 3 ) 2 4 1 一刀s i n 2 日。 活塞的运动速度v 仍然是口角的函数。 活塞的运动加速度为 口：立d v d o ；，国： c o s o + 1 兰! ! ! 丝+ 4 垒翌：丝】 ( 2 4 ) d td od t l 一岔s i n 2 目4 ( 1 一s i n 2 口) 3 1 曲柄销绕曲柄中心以角速度做等速旋转运动，其中心点b 的向心加速度口。为 a 5r 出( 2 5 ) 上面是曲柄连杆机构的运动分析，下面来讨论往复式压缩机中引起振动的惯性力。 曲柄连杆机构中的惯性力主要包括三个方面：一是曲轴不平衡旋转质量所产生的离心惯 性力；二是活塞往复运动所产生的惯性力；三是连杆运动所产生的惯性力。1 。 首先分析不平衡的旋转质量所产生的离心惯性力。如图2 2 所示，不平衡质量m 的偏心为e ，该质点在备坐标轴的投影为： 7 再弘 幺孽硕士学位论文第二章往复式豫缩机的原理与振动规律 f c o s r 1 虿= p s i n y l 0 j 其运动速度为 e = eu ， 一s i n f c o s y 0 i 运动加速度为 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 涵牛斗悯 f=差=me孑：scions妒yi+妒；pcs。insyg j l y 厂於一 q 一j 图2 2 不平衡质量示意图 由于曲柄的旋转是等角速度的，转速驴= 为常数故离心力为 剐 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 由旋转产生的离心力可以通过在偏心质量的相反方向安装适当的平衡校正质量块予 以抵消，平衡块的质量取决于不平衡质量和平衡块到转轴中心的距离。 现分析活塞做往复运动产生的惯性力，它由运动质量块质量m 和加速度口决定，即 ，= 一朋d( 2 1 1 ) 往复式压缩机的质量惯性力是由做往复运动的组件产生的往复惯性力和做旋转运动 的组件产生的旋转惯性力构成。为了方便研究曲柄连杆机构的质量惯性力我们将曲柄、 连杆和活塞的质量等效到o 、a 和b 点上。等效后系统的惯性力和等效前的相等。由于 曲柄上的o 点是固定点，所以在o 点的质量m 。= 0 ；曲轴不平衡质餐m ，集中在b 点： 8 孑弘歹耋乒掌硕 ：学位论文第_ _ 二章往复式压缩机的原理与振动规律 连杆是活塞和曲轴之间的传动件，其运动形态复杂，需要做等效处理。由图2 1 可知 连杆的长度为，其重心s 到b 的距离为j ，将连杆的质量m 。用a 点“和b 点脚的 质量代替系统来替换在转换过程中，根据总质量在转化前后保持不变和连杆的质心在 转化前后也不变这两条原则进行，可得下式 m c a 2 7 c ( 2 1 2 ) i m s , + = m m “( f s ) 。一 由上式可以解得：研。= 芋m 。，肌= l - - 广s r ；活塞组件的质量删，集中在a 点。 整个曲柄连杆机构经过等效转化后，产生惯性力的质量集中在活塞销a 和曲柄销b 两点 上，即m 2m 口+ m c a ，川b5 肌5 + m o b 。 下面分析经过质量等效替换后的曲柄连杆机构的惯性力。如图2 一i 所示，可以从x 轴和y 轴两个方向来分析惯性力： _ = 传 上式中，、分别为a 、b 两点在坐标系上的投影。 f a t ) = 一m 也+ 肌b ，珊2 c o s ( 拼 f a t ) = 珊口，2 s i n c o t f a t ) 是作用在沿气缸轴线方向的惯性力e ( f ) 则是垂直于气缸轴线方向的力。 在上面的公式中，令g = m 月，绋= m 日，则 y f a t ) = 一线生+ 珧2 c o s j ) ， r ( r ) = 绋2 s i n 国t ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 在图2 - - 1 所示的坐标系中，可以利用曲柄连杆机构的几何关系把力e 和e 表示成 曲柄转角护的函数。 9 = 。 口口 _ 口o c s ，、l r = 万如，羞击孽硕上学位论文第二章往复式睚缩帆的原理与振动规律 c = 6 0 2 【( q + q 8 ) c o s 0 + q ( 4 2c o s 2 口一a 4 c o s + a 6c o s 6 8 一，) 】( 2 1 8 ) f v = 毋o b s i n 0 在上边的惯性力表达式中：口= c o t + 岛。( 质量惯性力公式推导详见附录一) ( 2 1 9 ) 曲柄连杆机构在x y 平面内运动将产生垂直于该平面，即z 轴方向的扭矩m ： 它是曲柄旋转角口的函数 m ：五2 ( o 一o ) ( c ls i n 8 - c 3s i n 3 8 + c 5s i n 5 8 一) ( 2 2 0 ) 其中口= 甜十o o 。( 扭矩公式推导详见附录二) 质量惯性力通过主轴承和机体传出，将其称为外力，它随着曲轴的转动发生周期性 变化，是压缩机的激振源，在压缩机的设计中，都要采取一些有效的平衡措旌，使机器 振动降低到允许的范围内。此外，z 轴方向上的扭矩m 也不可完全平衡掉，它对运行中 的压缩机也要产生一定的激振作用。 气体压力是作用在活塞上的气体力，是指活塞两端气体压力差与相应活塞有效面积 的乘积之代数和。该力同时作用在活塞和气缸盖上，大小相等，方向相反，在机器内部 相互平衡，可以看作是内力。 相对运动表面之间的摩擦力分往复摩擦力和旋转摩擦力，活塞与气缸壁、活塞杆与 填料函、十字头与滑道等之间的相对运动表面产生往复摩擦力；活塞销( 或十字头销) 与连杆小头、曲柄销与连杆大头、主轴颈与主轴承之间产生旋转摩擦力。摩擦力是成对 出现的，一方面通过运动机构传递到主轴承上，另一方面也通过气缸壁和机身传递到主 轴承上，这两方面的力大小相等，方向相反，可以互相抵消也是一个内力。 2 3 2 多缸压缩机的激振力分析 2 3 2 1 单列气缸压缩机 多个气缸的压缩机按气缸的分布方式可以分为卧式、立式和角度式三种类型，其中 l o 孑弘，童生掌硕j ：学位论文第二章往复式胩缩机的原理与振动规律 卧式和立式机器属丁单列气缸压缩机，所有的气缸都在同一方向，星序列式布置。卧式 压缩机缺点较多，目前渐渐取代它的是对称平衡式压缩机，其两列活塞始终是相对运动 动力平衡性得到改善，转速可以提高。立式压缩机的气缸垂直分布活塞重蠡 不作用在 气缸壁上，受力情况比较好。下面我们分析这种类型压缩机所受到的激振力情况。 为研究方便，在多个曲柄连杆机构 中建立坐标系如图2 3 所示，曲柄旋转 的平面为z 一】，坐标平面，其中轴指 向气缸方向，另外z 轴为曲轴轴线方 向，0 为整个曲轴段沿轴向的中点，0 是任意一个曲柄连杆机构的曲柄旋转中 心，a 点为活塞位置，b 点是曲柄销位 置，a ，是任一曲柄旋转中心到曲轴中心 的距离。在此种类型机器中，珂个气缸 名 a x yl 沥 火幢- 阁2 3 单碉1 名缸机器举标系示意图 的曲柄连杆机构的惯性力只和以及扭矩m ：可以相互叠加，叠加时还需要考虑曲柄的 辐射角0 。除m ：之外，每一个曲柄连杆机构的惯性力对曲轴中心d 点处将产生扭矩m ， 和肘。，其表达式为 m ，= 一即( f ) 肘，= q c ( ，) t ! l 下面我们用具体的两缸压缩机和三缸压缩机为例做具体的分析。 1 单列两缸压缩机 如图2 4 所示，在单列两缸机器中，曲 轴的两个轴段夹角为石。两个曲柄连杆机构 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 的惯性力和力矩在相位上也相差厅，所以表 达式中的奇次项相互抵消，而偶次项相加： 图2 4 两缸压缩机曲轴结构示意图 再弘 去掌硕b 学位论文第二章 往复式压缩机的原理1 i 振动规律 t l = 0 92 ( q + q 8 ) c o s 8 + 9 a 4 2c o s 2 0 一a 4c o s 4 0 + ( 2 2 3 ) e 2 = 甜2 ( 吼+ 鳊) c o s ( 8 + ，) + q 【爿2c o s 2 ( 0 + 石) 一a 4c o s 4 ( 8 + 石) + 】) e l = 国2 虢s i n 8 2 = 2 虢s i n ( 8 + x ) m d = 五c d 2 ( 一o ) 【c ls i n 0 一c 3s i n 3 0 + 】 m ：2 = 五c d 2 ( 0 一0 ) 【c ls i n ( 8 + x ) 一c 3s i n 3 ( 8 + 石) + - 】 将上面各式按z 、l ，和z 轴方向合并，得 c = c i + c 2 = 2 2 q _ ( 爿2c o s 2 0 一a 4c o s 4 8 + - ) f p = f n + f y 2 = 0 m ：= m ：l + m ：2 = 0 m ，= 詈( 一+ z ) = 一彻2 绋s i n 口 m ，2 詈( 如一只z ) = 口国2 ( 仍+ 级) c 刚 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 i ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) 在上列各式中口为两个曲柄连杆机构的曲柄旋转中心间的距离，由上式可以看出 惯性力中的偶次项产生了叠加效果，不能被平衡。 2 单列三缸压缩机 在单列三缸压缩机中，曲轴的三个轴段在z y 平面内夹角为1 2 0 。，使用和单列两 缸压缩机相同的分析方法，可以得出 只= 3 t o2 巴( 彳6c o s 6 0 一a 1 2c o s l 2 0 + - ) e = 0 m ：= 一3 c a 2 ( 0 一o ) ( c 3s i n 3 0 一c 9s i n 9 0 + - - ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) 万p ，耋z 学硕l 学位论文 第二章往复式压缩机的原理与振动规律 m ，= 一屈彩2 q 日c o s o m 。= 一届2 【( q 月+ 绕) s i n o 一q ( 彳2s i n 2 0 十a 4s i n 4 0 一a s s i n 8 0 + 2 3 2 2 角度式多列气缸压缩机 ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) 角度式多列气缸压缩机是指气缸的方向在垂直于曲轴轴线的平面内具有一定的夹 角，常见的排列形式有v 型、w 型、y 型( 星型) 和s 型( 扇形) 等。角度式压缩机机 构紧凑，重量轻，动力平衡性好，多应用于小型高转速的压缩机设备。下面我们来分析 这种类型压缩机的激振力和扭矩。 v 型、w 型、y 型和s 型机器的气缸轴 线相交于同一平面上一点，即各气缸的曲柄 共用同一段曲轴。图2 - - 5 是w 型活塞式压 缩机的曲轴与曲柄结构示意图，可以从中看 出此类型机器的各个曲柄都是围绕同一个中 心旋转。计算惯性力和力矩的时候，可以将 上上上 图2 5w 型机器曲轴结构示意图 各个曲柄连杆机构的惯性力和力矩相互叠加，由于曲轴的一段比较短。所以可以认为气 缸都位于同一个平面，由此可知扭矩m ，= m ，= 0 。 作为一个例子，我们来分析一 下v 型机器，它有两个气缸，两个 曲柄共用一段曲轴，故每一个曲柄 连杆机构的质量矩q 日，的计算表 达式应为：q 。，= ( i r a s + 肌槽p ( 其中肌。是曲轴的不平衡质量t m 。口是连杆等效到b 点的质量) ， 图2 6 两气缸平面坐标系示意图 万p 歹善士乎硕士学位论文 第二章往复式压缩机的原理与振动规律 即对每一个曲轴不平衡质量只考虑整个小半衡质量的一半。 在两个曲柄连杆机构所在的平面内对应地建立两个坐标系，如图2 - - 6 所示，原点0 位丁二曲柄的旋转中心，x 轴分别与每个气缸的中心线重合，a 1 和a 2 表示两个活塞的位置， 两气缸中心线夹角为占，两个坐标系分别为z 一k 和肖2 一匕。于是可得： 只，= c u 2 【( q a y + q 4 ) c o s 0 j + q 月( 一2 c o s 2 0 j a 4 c o s 4 0 j + ) 】 ( 2 3 9 ) l = 国2 q b rs i n 0 , ( 2 t 4 0 ) m 。= 五2 ( - 07 ) ( c ls i n 0 , 一c 3s i n 3 0 , + c 5 s i n 5 0 , 一- 。) ( 2 4 1 ) 在上面各式中，i = 1 ，2 ，o l = 口一圭占，吼= 口+ 圭占。 在图2 - - 6 所示的坐标系中，将惯性力和力矩在x o 轴和k 轴方向上合成： c 。= ( e + c ：) c 。s 享一( e 。一：) s i n 妄 ( 2 4 2 ) _ 。= ( t ，一t ：) s i n 害+ ( 。，+ 。：) c o s 专 ( 2 4 3 ) m = m n + m j 2 ( 2 4 4 ) 对上式进行整理，可求得惯性力和力矩如下： c o = 2 【仍( 1 + c o s 6 ) + 2 q 日r c o s 0 + 2 绒c 。s 要【4 2c 。s 占c 。s 2 0 4 4c 。s 2 8 c 。s 4 口+ 叫 2 舢 e o = 2 【g ( 1 - c o s 6 ) + 2 q ， s i n 0 + 2 纷s i n 要【4 2s i n 蹦n 2 0 一以s i n 2 8 s i n 4 1 2 4 6 虬；2 以( 。刖) ( c t c o s 鲁s i n 口c 。s 萼s i n 3 ) ( 2 4 7 ) v 型压缩机可以按以下的原则来平衡惯性力和力矩：首先适当地设计连杆，可以减 d , j j 矩m ：o ；此外，在曲轴上添加合适的配重，改变质量矩绋r ，例如加质量块历， 侍首为曲轴段反方向的s ，则 1 4 面弘，j 士莘硕二i ：学位论文旃二章往复式压缩桃的原理与振动规律 q 。，= ，( 委卅。+ 聊柏) 一所s + 如果适当选择配重的大小和角度占 只要满足下列条件： 级( 1 + c o s s ) + 2 线r = 0 l q 月( 1 一c o s 占) + 2 q b r = 0 ( 24 8 ) 可以使得惯性力中数值最大的一项，即一阶量为零， ( 2 4 9 ) 由上式计算可得：g 。，= 一2 i _ q 。，万= 量，如果选择的配重和角度万满足这个条件就可 以平衡掉v 型压缩机质量惯性力中的一阶量，大大减小机器的激振力。 孑弘歹量士擎硕上学位论文 第三章0 5 g 型临缩机的结构及激振力分析 第三章0 5 g 型压缩机的结构及激振力分析 3 1 概述 0 5 g 型压缩机是本文实验研究的对象，它是美国c a r d e r 公司制造的p h o e n i xu l t r a n d x 9 3 9 3 d 制冷系统中使用的制冷压缩机，由一台柴油发动机驱动，一台微型处理器控 制操作。0 5 g 型压缩机在该空调系统的制冷循环中起到压缩低压气态制冷剂，使之成为 高温高压气体，再送入冷凝器中。它是整个空调系统制冷循环中最重要的部件，带动空 调系统的制冷循环。 3 20 5 g 型往复式压缩机的结构 0 5 g 型压缩机是美国c a r r i e r 公司专门为制冷空调系统设计的往复式压缩机，体积较 小，其曲轴末端伸出机身，与驱动机器的转轴相连接，伸出机身的曲轴末端与机身之间 使用的是机械式的密封，以防制冷剂( r - 4 0 4 a ) 泄漏，机器自身带有一套滑油系统，在 压缩机连接进气管和排气管处都设有辅助阀门，通过这两个阀门可以控制接通管路或者 是切断。该压缩机外观如图3 一i 所示。 6 5 6 万p 歹萱士擎硕i 二学位论文 第三章0 5 g 型压缩机的结构及激振力分析 i 摊气管辅助阍 2 高医调节螵栓 3低医调节螺栓 4 吸气管辅劝嘲 5滑油注入口 6 油位观察密 疵喹 8 潺油捶放口 9 油泵 l o 卸荷器 图3 10 5 g 型压缩机外观结构示意图 0 5 g 型压缩机是一个w 型六缸往复式压缩机，每个气缸盖下有两个轴向排列的气缸， 它的功能是对温度、压力较低的制冷剂气体进行压缩，使之变为高温高压。气缸盖和阀 门组件由8 根螺栓固定在压缩机的机身上每个气缸盖下的阀门组件如图3 2 所示，由 活塞端向外依次为：吸气阀定位弹簧片、吸气阀、阀盘垫圈、阀盘、排气阀、排气阀定 位挡板以及固定螺栓和弹簧垫片。由阀盘垫圈可以看出，气缸盖下有两个气缸。也就说 明有两套吸气阀和排气阀以及弹簧片和定位挡板。吸气阀定位弹簧片和吸气阀的顶端分 别有两个小孔，对应的在压缩机机身的气缸座上有两个定位栓，可以起到固定吸气阀位 置的作用，从阀盘上可以看到，位于排气阀下面的阀盘位置有三个孔，它们是气缸吸气 的通道，安装好的一个吸气阀就在气缸端挡住这三个孔，在压力的变化和阀片本身的弹 性作用下起到吸气阀的作用。从阀盘上还可以看出，在排气阀下面的阀盘位置也有三个 孔，它们是气缸排气的通道，安装好的排气阀覆盖在阀盘的外侧，排气阀的上面还需要 加装定位挡板，用螺栓固定，目的是防止气体压力过大，排出气缸的时候损坏阀片。 唇 i 吸气阀定位弹簧片 2 。 趿气阔 3 。魄盘 345 4 。 摊气阚 5 持气阚定位挡扳 图3 20 5 g 压缩机阀门组件示意图 7 彳班，车z 掌硕士学位论文 第三章o s g 型睢缩机的结构及激强力分析 0 5 g 型压缩机内部的气体压缩过程如图3 3 所示，该图是沿轴向看，可以看到0 5 g 型压缩机有三列气缸，低温低压的气体从机身的内部空间吸入两侧气缸被压缩，然后， 两侧气缸排出的高温高压气体在机器内部进入中间的气缸，所有的高压气体集中在中问 气缸继续被压缩，最后输入制冷循环的管路系统。 图3 30 5 g 压缩机气体压缩流程示意图 3 30 5 g 型往复式压缩机的激振力 0 5 g 型压缩机的气缸分布结构分为三列，每列两个气缸。其曲轴的外形如第二章中 图2 4 所示，分为两个轴段，每一个轴段上连杆的分布如图2 5 所示，即每段曲轴上 的三个气缸为w 型排列。两段曲轴对应的两个曲柄连杆机构为单列两缸类型，所以分析 0 5 g 型压缩机的激振力的时候，可以参照第二章有关类型压缩机激振力的分析结果，分 别从这两个角度考虑。 0 5 g 型压缩机共有六个气缸同用一根曲轴，所以每一个曲柄连杆机构的质量矩q b p 1 的计算表达式应为q 口r = ( 肌，- i - m 。b p ，即对每一个衄柄连杆机构中的曲柄不平衡质量 8 万p 歹童事顾土学位论文第三章0 5 g 型压缩机的结构及激振力分析 为整个曲柄不平衡质量的六分之一。在垂直于曲轴轴线的平面内，以二列气缸的中心线 为x 方向建立三个坐标系工，一z ，( f = 1 , 2 ，3 ) 。对每个坐标系而言，可以看作是一个单 列两缸压缩机，根据第二苹的结论司知惯性力和扭矩为： l = 2 1 0 2 q ( 4 2c o s 2 0 - a 4c o s 4 4 9 + ) 1 3 1 ) l = 0 ( 3 2 ) m ：= 0 ( 3 3 ) m 。= 一n 甜2 q 日ps i n 0 ( 3 4 ) m y i = g o ) 2 ( g + 绋r ) c o s 0 ( 3 5 ) 三组单列两缸气缸构成w 型结构，它们以中间的一列气缸为中心线呈对称分布，相 邻两个气缸中心线的夹角为4 5 。因此，以中间气缸的坐标作为总的坐标系x y ，然 后将所有的惯性力和力矩在x 和y 方向上合成，可得： t = 2 ( 压+ 1 ) 2 q a ( a 2c o s 2 0 一a 4c o s 4 0 + ) ( 3 6 ) m 。= ( 互+ 1 ) 4 2 9 b rs i n # ( 3 7 ) m 。= ( i + 1 ) 口出2 ( 绒+ 绋p ) c o s o ( 3 8 ) 由上面各式可以看出；压缩机的质量惯性力在合成之后只作用在压缩机垂直方向上， 而扭矩除了垂直方向还在水平方向上有分量，但是扭矩的大小受到两段曲轴中一f i , 之间 距口的影响，但由于a 值很小，故对压缩机起到主要激振作用的是铅垂方向( x 方向) 的质量惯性力。 1 9 面弘，l 击荤硕t 学位论文 第四章0 5 g 型压缩机的振动测试方案及实验研究 第四章0 5 8 型压缩机的振动测试方案及实验研究 4 1 概述 本文实验的测量对象0 $ g 型压缩机是美国c a r d e r 公司p h o e n i xu l t r an d x 9 3 9 3 d 空 调系统中使用的制冷压缩机。在其使用过程中会发生吸气阀片或排气阀片故障，若不能 及时检测出阀片故障就会对气缸造成进一步的破坏。0 5 g 型压缩机有六个气缸，而气阀 故障