雙螺桿壓縮機故障診斷機理的研究與應(yīng)用

任更書，姜 義

（大慶石化公司化工三廠，黑龍江大慶 163714）

0 引言

與傳統(tǒng)的其他類型壓縮機相比，雙螺桿壓縮機技術(shù)較為新穎、發(fā)展時間較為短暫，但是其對現(xiàn)代工業(yè)具有極為重要的作用。

1 雙螺桿壓縮機概述

1.1 基本結(jié)構(gòu)

在雙螺桿壓縮機的基本結(jié)構(gòu)中，會將一對螺旋轉(zhuǎn)子平行放置在“∞”形圓柱體中，這樣螺旋轉(zhuǎn)子之間會形成良好的物理嚙合。結(jié)構(gòu)中成對出現(xiàn)的螺旋轉(zhuǎn)子，分為陽轉(zhuǎn)子與陰轉(zhuǎn)子：陽轉(zhuǎn)子是指在整個圓柱體結(jié)構(gòu)外并具備凸齒的轉(zhuǎn)子，行業(yè)內(nèi)也將其稱之為外螺紋；陰轉(zhuǎn)子是整個圓柱體結(jié)構(gòu)內(nèi)部并具備凹齒的轉(zhuǎn)子，行業(yè)內(nèi)根據(jù)其外形特點也會將其稱之為蝸牛。在多數(shù)的應(yīng)用場景中，使用者以及相關(guān)技術(shù)人員會在雙螺桿壓縮機機身的兩側(cè)切割出固定尺寸與形狀的孔洞，它們按照實際功能劃分可以分為吸氣孔洞與排氣孔洞。顧名思義，前者的作用是在雙螺桿壓縮機工作時吸氣，后者則是排氣。從結(jié)構(gòu)上分析，雙螺桿壓縮機比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的壓縮機整體更為簡潔，安裝后的調(diào)整工作十分便利，機體運行平穩(wěn)，實際效能與可靠性很高。其實，雙螺桿壓縮機十分常見，家用冰箱的制冷壓縮機就采用了這一結(jié)構(gòu)。

1.2 工作原理

螺桿壓縮機的整個工作流程可以劃分為吸氣、壓縮和排氣3 個階段，在工作循環(huán)內(nèi)，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)將會圍繞著整個轉(zhuǎn)體來進行工作，結(jié)構(gòu)體中每一對相互嚙合的陽轉(zhuǎn)子與陰轉(zhuǎn)子都會按照特定的工作順序，來完成對應(yīng)的循環(huán)工作內(nèi)容。雙螺桿壓縮機需要對外螺紋與內(nèi)螺紋的尺寸進行合理設(shè)計，在工作過程中其轉(zhuǎn)子的具體尺寸需要根據(jù)對應(yīng)的傳動比來設(shè)計，預(yù)定尺寸的陰轉(zhuǎn)子與陽轉(zhuǎn)子將會在對應(yīng)的圓柱狀結(jié)構(gòu)體中通過。同時，嚙合后的結(jié)構(gòu)在進行反方向旋轉(zhuǎn)工作時，會直接帶動相關(guān)結(jié)構(gòu)完成對應(yīng)的空氣壓縮工作，陽轉(zhuǎn)子與陰轉(zhuǎn)子的協(xié)同工作，會將嚙合齒位置的空間體積結(jié)構(gòu)形成一個“V”形，同時，嚙合齒的連續(xù)膨脹會在對應(yīng)的結(jié)構(gòu)位置形成真空，這樣對應(yīng)的空氣就會在外界壓力作用下從設(shè)定好的入口進入壓縮機內(nèi)部。轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動，其陽轉(zhuǎn)子與陰轉(zhuǎn)子之間的嚙合將會分離，進而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)的空間進一步增大，而這個過程將會讓吸氣口吸入大量的空氣，而此時嚙合齒之間的體積變化將會封堵對應(yīng)的空氣入口，所有空氣都會被有效地封閉在對應(yīng)的機構(gòu)中。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)工作時，空間內(nèi)的氣體就會被壓縮，當(dāng)陰陽轉(zhuǎn)子繼續(xù)工作，對應(yīng)的排氣口將會在壓縮后打開，從而完成整個壓縮機工作過程的抽吸、壓縮和排氣。

1.3 分類

雙螺桿壓縮機根據(jù)其規(guī)范標準以及運行方式的差異，有著多種不同的分類形式：按運行方式的劃分較為常見，可以分為無油壓縮機和燃油噴射壓縮機；按壓縮空氣的目的，可以分為制冷、空氣壓縮與過程壓縮3 種，相對應(yīng)地可以將雙螺桿壓縮機分為制冷壓縮機、空氣壓縮機與過程壓縮機；根據(jù)整體結(jié)構(gòu)，其可分為開式壓縮機與閉合式壓縮機，還可以分為移動式與固定式。其實，每一種類型壓縮機的實際工作原理大體相同，只是會在不同的應(yīng)用場景中采用不同的結(jié)構(gòu)，進而滿足不同特殊環(huán)境的應(yīng)用要求。

1.4 特點

壓縮機的本質(zhì)是壓縮空氣體積來達到特定的工業(yè)目的，從這一點來看傳統(tǒng)的往復(fù)式壓縮機與當(dāng)前使用的螺桿式壓縮機是相同的，都是一種利用容積的變化來形成氣壓差，進而完成對應(yīng)的抽吸與壓縮過程。與其他壓縮機相比，雙螺桿壓縮機的特點非常明顯，它可以像離心式壓縮機一樣，讓轉(zhuǎn)子在對應(yīng)的氣缸結(jié)構(gòu)中連續(xù)高速運行，同時可以利用多相混合介質(zhì)，整體運行過程可靠性更強，應(yīng)用場景的適應(yīng)能力也更強，實際動力效果較為均衡，并可以隨意調(diào)節(jié)。不過，雙螺桿壓縮機自身最大的缺陷就是造價高昂，并且在極特殊的情況下，例如微壓或高壓環(huán)境，這一弱點直接導(dǎo)致了其的實際使用規(guī)模較小。

2 雙螺桿壓縮機的常見故障形式

在工作過程中，雙螺桿壓縮機出現(xiàn)的故障也多種多樣，并且這些故障影響以及后果各不相同，有一些故障可能會降低企業(yè)效率、影響企業(yè)效能，對整個工業(yè)生產(chǎn)帶來極為嚴重的影響。結(jié)合相關(guān)行業(yè)數(shù)據(jù)，對雙螺桿壓縮機進行故障分析，找到壓縮機運行過程中的常見故障，可以促進相關(guān)技術(shù)人員對壓縮機的設(shè)計以及工作進行更為合理的改造，提高整體設(shè)備的穩(wěn)定性與可靠性。

雙螺桿壓縮機其結(jié)構(gòu)簡單，所需要使用的零件較少，相對于傳統(tǒng)的壓縮機結(jié)構(gòu)，對于故障的分析與分類更為簡潔。從結(jié)構(gòu)上分析，雙螺桿壓縮機可以分為陰陽轉(zhuǎn)子、殼體、軸承、軸封、機械密封、同步齒輪等構(gòu)件，而這些構(gòu)件就是各類故障可能爆發(fā)的根源點。

（1）陰陽轉(zhuǎn)子故障。陰陽轉(zhuǎn)子在進行嚙合工作時，其接觸面會形成一個很大的擠壓作用力，這種現(xiàn)象就造成了陰陽轉(zhuǎn)子的實際嚙合工作表面容易出現(xiàn)片狀剝離層，并形成較為明顯的擠壓痕跡，同時，轉(zhuǎn)子的工作也會對結(jié)構(gòu)體頂部的密封構(gòu)件造成磨損。

（2）軸承故障。帶動陰陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的軸承在長期工作后，因其長期處于高壓環(huán)境，其表面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)磨損現(xiàn)象。

(3)使用車門高度調(diào)整工裝調(diào)整門頁，以保證門頁與車體鼓形重合一致。車門高度調(diào)整工裝為1塊厚10 mm的鋁型材，調(diào)整門頁高度時將該工裝放在門檻上，然后將門頁放置于工裝上，最后擰緊相關(guān)緊固螺栓。此方法可保證門頁到門檻距離為10 mm±2 mm(見圖11)，即保證了門頁與車體鼓形重合一致。

（3）密封故障。雙螺桿壓縮機的結(jié)構(gòu)體有著完整的密封結(jié)構(gòu)，并且陰陽轉(zhuǎn)子的壓縮空間也要求具有著良好的密封性能，但是在長期工作后，其機械密封性會下降，進而出現(xiàn)壓縮泄漏的現(xiàn)象。

（4）氣缸、軸封及同步齒輪故障。同步齒輪軸頸、軸封和壓縮機氣缸的出口部分，在長期機械磨損的情況下很容易出現(xiàn)嚴重的破損現(xiàn)象，同時轉(zhuǎn)子氣缸內(nèi)部的防腐結(jié)構(gòu)也會隨著轉(zhuǎn)子的工作而逐漸剝落，進而影響了壓縮機的整體工作性能。

（5）輔助結(jié)構(gòu)的故障。壓縮機設(shè)備在工作時，不僅要求其內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時還需要有其他外部支持，如果其能量調(diào)節(jié)機構(gòu)出現(xiàn)故障，將會導(dǎo)致排氣壓力過高，同時排氣過程所產(chǎn)生的溫度以及能耗也會增加，進而造成系統(tǒng)在工作時出現(xiàn)異常噪聲。

3 雙螺桿壓縮機故障診斷技術(shù)

3.1 故障診斷技術(shù)概述

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，信息化技術(shù)開始與雙螺桿壓縮機運行相融合，人們將螺桿壓縮機工作過程所產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)進行采集與整合，在針對不同故障所具備的相關(guān)特性前提下，總結(jié)出一整套故障診斷技術(shù)。對于雙螺桿壓縮機的故障診斷，其核心要素在于各類信息的采集，例如工作時的環(huán)境壓力以及壓縮過程中壓力變化、轉(zhuǎn)子工作的溫度以及結(jié)構(gòu)體工作過程所產(chǎn)生的振動與噪聲、整個結(jié)構(gòu)工作時所產(chǎn)生能耗等，這些數(shù)據(jù)在進行對應(yīng)的線性對比后，可以有效的判斷出壓縮機是否發(fā)生了相應(yīng)的故障。對于壓縮機的故障診斷工作，其核心在于故障的分析，但是它也只是整個診斷過程的一部分。當(dāng)前，大多數(shù)企業(yè)在使用壓縮機的過程中，采取的維護方式為定期檢查，通過定期維護來查找是否發(fā)生故障，在壓縮機可能出現(xiàn)故障的周期內(nèi)對其進行維護。但是，這種工作模式既不能及時發(fā)現(xiàn)壓縮機所存在的故障，也會造成相應(yīng)的人力資源浪費。對于故障本身來講，故障診斷的關(guān)鍵點在于預(yù)測，也就是一旦發(fā)現(xiàn)故障預(yù)兆，就要終止對應(yīng)壓縮機設(shè)備的工作程序，同時根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)以及所產(chǎn)生的故障特點對其進行特定的維護。預(yù)測性質(zhì)的維護理論，不僅僅減少了維護成本，節(jié)約了企業(yè)在設(shè)備維護上所投入的時間，還可以有效減少故障對壓縮機結(jié)構(gòu)體的破壞，延長設(shè)備的使用壽命，進而大幅提升企業(yè)的生產(chǎn)效益。

壓縮機的故障診斷工作可以分為3 個方向：工作狀態(tài)監(jiān)測、故障識別診斷和故障發(fā)生預(yù)測。在實際的應(yīng)用場景中，針對所采用的方法不同，還可以劃分為直接診斷與間接診斷、功能診斷和外部診斷、簡單診斷和準確診斷以及更為規(guī)范性的定期診斷與實時監(jiān)測。診斷過程中，需要針對其相關(guān)的位置進行分析，壓縮機的組件、結(jié)構(gòu)、單元等都是故障診斷的范疇。當(dāng)前，技術(shù)人員在實際工作中，可以根據(jù)磨損殘留檢測方法來進行檢測，這種以直接觀察為主的檢測方式還包括操作性能以及工作時的振動噪聲等。

3.2 信號診斷方式

信號診斷法隸屬于非接觸式診斷方式，主要是利用相關(guān)傳感器來獲取對應(yīng)的運行數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)在實際應(yīng)用中，往往可以十分便利地找到對應(yīng)的故障對象。對這些信號數(shù)據(jù)進行分析之后，可將診斷方法分為以下3 種。

（1）整體時域波形分析。時域波形的信號數(shù)據(jù)量很大，作為一種原始的信號模式，其理解難度較低，觀察起來十分便捷。在對時域波形信號進行整體分析過程中，其正常信號往往表現(xiàn)為正弦，根據(jù)這一原理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)波形出現(xiàn)明顯的幅度變化或者波形中存在毛刺以及沖擊現(xiàn)象時，就可以定性為異常。

（2）單通道頻譜分析。時域信號雖然在分析上十分便捷，但是其自身有很大的局限性，只能反映出對應(yīng)的信號是否異常，對具體的故障缺少指導(dǎo)作用。與之相比，頻域信號可以將對應(yīng)的能量以及功率數(shù)據(jù)很好地展現(xiàn)出來，在故障診斷過程中其對于尋找故障原因以及發(fā)生故障的具體部件有著重要作用。單通道信號頻譜圖可以將轉(zhuǎn)子不對中、不平衡、碰磨等各類異?，F(xiàn)象很好地展現(xiàn)出來。

（3）雙通道軸心軌跡分析。雙通道軸心軌跡分析有一個很好聽的名字，叫做李薩圖形，其基礎(chǔ)原理在于，同一位置兩個在空間位置處于垂直關(guān)系上的傳感器同步采集數(shù)據(jù)，并將對應(yīng)的數(shù)據(jù)波形顯示出來。對李薩圖形進行分析，可以找到對應(yīng)轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)，同時，電渦流傳感器可以有效測量出結(jié)構(gòu)體內(nèi)轉(zhuǎn)軸徑向位移所帶來的振動效應(yīng)。如果整個圖形較為規(guī)整，并且符合對應(yīng)的特性，那么就說明其振動位移很小。另外，這種獲得轉(zhuǎn)子空間運動的數(shù)據(jù)還可以對不平衡、不對中、碰磨等各類異?，F(xiàn)象進行診斷。

3.3 其他分析方式

壓縮機在工作時，需要滑動軸承來完成轉(zhuǎn)子設(shè)備的工作支撐。上面的這些診斷方法均是對相關(guān)數(shù)據(jù)以及振動信息的分析，還需要借助其他方法來確定軸承結(jié)構(gòu)的安全，如油樣分析法。油樣分析法即對軸承的潤滑油進行分析，采用的方式主要有：①油樣光譜分析，可以對有色金屬軸承的質(zhì)量進行有效監(jiān)測；②油樣鐵譜分析，可以檢測出軸承結(jié)構(gòu)中可能存在的磨損殘渣的數(shù)量、粒度等；③磁塞檢查法，適用于磨損殘渣尺寸較大的狀況；④濾膜檢測法、紅外光譜法等其他濾膜檢測形式。

油樣分析法的針對主體為壓縮機的工作軸承，不適合進行在線操作，實際工作中需要結(jié)合信號診斷分析的方式來進行。

4 結(jié)語

綜上所述，通過對雙螺桿壓縮機故障進行的診斷分析，可以讓相關(guān)技術(shù)人員更及時地發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生點，同時也可以促進壓縮機水平的提升，對行業(yè)技術(shù)的發(fā)展與相關(guān)設(shè)備的維護工作有著重要意義，是雙螺桿壓縮機發(fā)展與技術(shù)提升過程中不可或缺的一個環(huán)節(jié)。