螺桿壓縮機故障診斷及問題處理研究

李 洪，周志明，張菊紅

（中國石油吉林石化公司電石廠，吉林吉林 132022）

0 引言

螺桿壓縮機主要分為單螺桿式壓縮機和雙螺桿式壓縮機兩大類，這兩大類螺桿壓縮機均起源于1950 年代。單螺桿式壓縮機主要應用于國防領域，雙螺桿式壓縮機則主要應用于工業領域。螺桿壓縮機有3 種常見的產品，分別是螺桿式制冷壓縮機、螺桿式工藝壓縮機和螺桿式空氣壓縮機。這3 種產品的工作原理、優缺點基本相同，適用于采暖空調方面，其制冷和制熱范圍十分廣泛，輸入功率范圍已發展至10～1000 kW，其故障的類型大致相同。螺桿壓縮機的常見故障現象有10 種，分別是機組排氣溫度超過100 ℃、機組油耗大或壓縮空氣含油量大、機組壓力低、機組排氣壓力過高、機組電流大、機組無法啟動、機組啟動時電流大或跳閘、機組振動幅度過大、風扇電機過載和主機卡死，造成機組跳機。這些故障均可運用現代化的故障診斷技術和大數據分析技術進行問題的分類，并制定通用性較好的解決方案。

1 螺桿壓縮機的基本構造與工作原理

螺桿壓縮機結構簡單、部件數量少，螺桿軸承等主要部件耐磨性好，排氣量基本不受排氣壓力的影響，在較大的工況范圍內能保持很高的工作效率，使用滑動軸承可實現能量的無級調節（圖1）。

圖1 螺桿壓縮機

1.1 螺桿壓縮機的基本構造

螺桿壓縮機主要由6個部分構成，包含外層的機殼、內層的軸承、軸封、轉子、能量調節裝置、油壓平衡活塞等，在工業上常用的雙螺桿壓縮機則包含陰、陽兩根螺桿，分別為凸齒形和凹齒形。螺桿壓縮機一般采用剖分式機殼，主要由吸氣端座、排氣端座、兩端端蓋及機體構成。轉子由一對特殊螺旋齒形的螺桿相互嚙合形成，螺桿和軸多為一體式，材料以中碳鋼、合金鋼或球墨鑄鐵為主，精加工后需要平衡校驗。

軸承與軸封也是螺桿壓縮機的核心部件，壓縮機的陰、陽螺桿均由滑動軸承和向心推力球軸承支承。柱銷使滑動軸承在吸、排氣端座內固定，在排氣側的2 個螺桿上各安裝2 只承受軸內力的止推軸承。螺桿壓縮機的軸封以摩擦環式機械密封器居多，安裝在主動轉子靠聯軸器的端軸上。為了解決吸、排氣側之間的壓力差，使作用在陽螺桿上的軸向合力，比陰螺桿上的軸向合力大得多的問題，在陽螺桿上增設了油壓平衡活塞。

1.2 螺桿壓縮機的工作原理

螺桿壓縮機的工作原理主要分為吸氣過程、封閉及輸送過程、壓縮及噴油過程和排氣過程4 個過程。在螺桿壓縮機設計時，需要讓壓縮室可以充分吸氣，一般采用側吸口的方式設計。進氣量的大小由調節閥進行調節，螺桿轉動時需要進氣空間最大，即將陰陽螺桿的齒溝空間轉至與進氣端壁開口重合，螺桿的齒溝空間與進氣口之間空氣完全流通，此過程為吸氣過程。當陰陽螺桿在吸氣過程結束后，其二者的齒峰與機殼隔絕，空氣在齒溝內閉封不與外界發生空氣流動，則是封閉的過程。后續陰陽螺桿繼續轉動，在吸氣端齒峰與齒溝發生吻合，吻合面逐步向排氣端移動，這是氣體輸送的過程。壓縮過程與輸送過程幾乎同時進行，嚙合面與排氣口間的齒溝間逐步縮小，齒溝內的氣體壓力逐漸增強，氣體得到了壓縮。在壓縮過程中，潤滑油因壓力差的作用噴入壓縮室內與室氣混合，這是噴油的過程。當螺桿空壓機陰陽螺桿的嚙合端面轉到與排氣閥相通時，壓縮氣體的壓力達到壓縮的臨界值，被壓縮的氣體開始排出，直至齒峰與齒溝的嚙合面移到排氣端面，陰陽螺桿的嚙合面與機殼排氣口重合，這樣就完成排氣過程，即一個螺桿壓縮機的運行周期完成。

2 螺桿壓縮機故障診斷技術

2.1 螺桿壓縮機故障診斷

螺桿壓縮機的故障診斷跟其他機械的故障診斷一樣，均為利用各種檢查和測試方法，對螺桿壓縮機的是否存在故障進行判斷、對其工作狀態進行監測，并利用大數據技術對故障發生的概率進行預測，為螺桿壓縮機的使用和維護提供可靠的診斷數據。故障診斷技術的應用離不開準確數據的采集和分析，結合數據分析技術，找到螺桿壓縮機故障的發生規律，形成一套適用性強的螺桿壓縮機故障診斷技術。綜合分析螺桿壓縮機的故障不難發現，螺桿壓縮機內部的壓力變化、螺桿工作時溫度的變化、壓縮機內部的噪聲和振動、壓縮機工作時的能耗變化等，都能成為螺桿壓縮機故障診斷的依據。通過信息系統對螺桿壓縮機數據的記錄和相同壓縮機不同時間的對比，以及大數據系統中同類型壓縮機的對比，最終得到故障診斷的結論。故障診斷的數據不僅需要為查找故障服務，更多的是為螺桿壓縮機的預防性維護提供可靠的依據，節約維護時間和成本，降低設備的故障率，延長壓縮機的使用年限。

2.2 故障診斷的方法

螺桿壓縮機故障診斷的方法按照不同的維度可以劃分為直接與間接故障診斷法、外部和功能診斷法、實時和定期監測診斷法、簡單和準確診斷法等。螺桿壓縮機的故障診斷范圍包括組成部件、結構單元和整體構造。在實際的故障診斷過程中，工作人員可通過對噪聲、振動、壓力等進行實時監測，掌握螺桿壓縮機故障診斷的第一手資料，為后續的間接故障診斷和定期監測診斷提供基礎。螺桿壓縮機故障的所有診斷方法需構建成一個完整的故障診斷體系，它的構建離不開檢測性能、診斷性能和綜合性能三大指標的作為基礎：①檢測性能指標，涉及一個故障檢測系統對“小”故障信號的檢測能力，故障檢測的及時性，故障的誤報率和漏報率；②診斷性能指標，涉及故障分離能力和故障辨識的準確性；③綜合性能指標，涉及魯棒性和自適應能力。

2.3 螺桿壓縮機故障診斷的具體方式

對于螺桿壓縮機的故障診斷，一般通過分布在其各部件上的傳感器來獲取數據，通過物聯網將數據傳輸至故障診斷數據庫，運用信號判斷法進行診斷，這就是故障診斷中早期微弱的故障特征值提取。在傳統故障診斷中，諸如整體時域波形分析、小波分解、單通道頻譜分析、EMD（Empirical Mode Decomposition，經驗模態分解）以及雙通道軸心軌跡分析等都有各自的使用場景，與現代的智能診斷方法相比仍存在不小的差距，但是也有易觀察等優點。例如，整體時域波形分析只要在波形中出現明顯的幅度變化，就可以認定為異常。單通道的頻譜圖可以直觀地發現碰撞、磨損以及平衡方面的問題，為尋找故障原因提供幫助。

近年來隨著機器學習技術的發展，出現了運用特征遷移法進行螺桿壓縮機故障診斷的方式，這也是基于時域、頻域指標提取和最大信息系數算法基礎之上的。最優特征的選取是特征遷移方式的關鍵，通過標準化的歐氏距離來表示螺桿壓縮機故障特征的類內和類間距離，使用無監督K 均值聚類的方法對故障診斷的樣本進行篩選，提高故障診斷的精準度。

3 螺桿壓縮機的典型問題處理

通過對某公司螺桿壓縮機機組近3 萬個監測點的數據監測，運用特征遷移法進行故障診斷，不難發現振動烈度值的異常波動是影響螺桿壓縮機運行的典型問題。根據螺桿壓縮機故障診斷中發現的問題，采取了以下減振處理措施：①進行陰陽螺桿的動平衡試驗，發現陰螺桿比陽螺桿偏重1 g，隨后進行直線度的檢查，判斷其是否滿足需求；②檢查軸承并更換，雖然螺桿壓縮機的軸承未發現肉眼可見的裂縫和嚴重的磨損，但是經過認真檢查發現軸承的滾柱和滾球上均有細小的裂痕，是輕微碰擦留下的痕跡，結合大數據系統的判斷，軸承達到了預防性維護需要更換的年限；③校對聯軸器，聯軸器是連接電機和壓縮機的產物，在安裝和使用的過程中會導致螺桿不能和中心進行很好的對準，需要借助于紅外線激光儀進行校正和對齊；④校準螺桿排氣端面與排氣端板之間的間隙，使其保持在設計范圍之中。通過上述4 個步驟的處理，螺桿壓縮機頻譜和峰值分布范圍均達到了預期要求，振動問題得到解決。

4 結語

通過科學的螺桿壓縮機故障診斷方法和整個故障診斷體系的搭建，使得螺桿壓縮機的故障得到了及時處理，節省了設備故障搶修的時間，提高了螺桿壓縮機的可用性。通過大數據、機器學習等新型信息技術的輔助，使得螺桿壓縮機的故障診斷更加準確，也更具效率。未來將通過對螺桿壓縮機故障類型的細分，收集更多的機器歷史運行數據，進行更多場景故障診斷的實踐，力爭使螺桿壓縮機故障診斷的準確率再上一個新臺階。