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往復(fù)壓縮機(jī)是最早被人類發(fā)明和使用的一種流體機(jī)械，隨著材料、機(jī)械設(shè)計(jì)和制造工藝等學(xué)科的技術(shù)發(fā)展，各種結(jié)構(gòu)布置的往復(fù)壓縮機(jī)被應(yīng)用到各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。往復(fù)壓縮機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在，其設(shè)計(jì)和制造技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了較高水平。今后往復(fù)壓縮機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向?qū)⒅饕性趬嚎s機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況下性能的提高和壓縮機(jī)可靠性的提高兩個(gè)方面。

此外，為了滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，適應(yīng)各類特種和極端條件的往復(fù)壓縮機(jī)也是今后技術(shù)發(fā)展的方向之一。

1、隨著電機(jī)技術(shù)發(fā)展，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的往復(fù)壓縮機(jī)——直線（線性）壓縮機(jī)在冰箱等領(lǐng)域?qū)⒊晒?yīng)用。

2、傳感技術(shù)的發(fā)展。基于數(shù)據(jù)采集分析處理的往復(fù)壓縮機(jī)在線監(jiān)測故障診斷技術(shù)逐漸得到發(fā)展。尤其是工藝往復(fù)壓縮機(jī)，因其故障引起的事故，該技術(shù)可以獲得往復(fù)壓縮機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，提前捕捉故障信息，達(dá)到故障預(yù)警的目的。

3、材料學(xué)科的發(fā)展。各種具有機(jī)械強(qiáng)度高，耐高溫，耐沖擊，阻燃，耐酸堿，耐水解，耐磨和耐疲勞等多方面優(yōu)越的新材料將被逐步應(yīng)用到往復(fù)壓縮機(jī)的零部件中。

4、一些如海洋工程中要求壓縮機(jī)體積小、質(zhì)量輕、可靠性高和噪聲振動(dòng)低等特殊領(lǐng)域?qū)ν鶑?fù)壓縮機(jī)將提出新的要求。

一、往復(fù)壓縮機(jī)的應(yīng)用發(fā)展趨勢

1、流體工業(yè)

隨著流程工業(yè)普遍朝著大型化、規(guī)模化和集成化方向發(fā)展，尤其石化通用設(shè)備向大型化、高精度、長壽命方向發(fā)展，將更多地按石化生產(chǎn)工藝參數(shù)要求采用專用設(shè)計(jì)、個(gè)性化和制造，以使設(shè)備在最佳設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，因而對往復(fù)壓縮機(jī)的要求也在逐漸提高。流體機(jī)械及其系統(tǒng)的大型化對往復(fù)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)方法，關(guān)鍵共性技術(shù)研發(fā)，運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷技術(shù)的發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)，開發(fā)適用于大型化的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)是往復(fù)壓縮機(jī)大型化發(fā)展的基本路線。

2、海洋工程裝備

往復(fù)壓縮機(jī)是海上石油和天然氣開發(fā)作業(yè)平臺(tái)上用于氣體處理、運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備。從天然氣的處理和集輸?shù)桨l(fā)動(dòng)機(jī)提供高壓燃料氣，應(yīng)用非常廣泛。往復(fù)壓縮機(jī)由于效率高，制造技術(shù)成熟，排氣壓力高且對于氣體組分波動(dòng)具有較好的適應(yīng)性，成為海洋工程油氣開采中應(yīng)用最為廣泛的壓縮機(jī)。

海洋油氣開發(fā)的特殊環(huán)境對海洋工程油氣開發(fā)作業(yè)平臺(tái)上的設(shè)備提出了諸多要求，如體積小，振動(dòng)噪聲低，可靠性高等。另外，海上工況環(huán)境比陸上工況環(huán)境更為苛刻，因而陸上的常規(guī)天然氣壓縮機(jī)已不能滿足海上平臺(tái)的要求，而開發(fā)出滿足海上作業(yè)的大功率往復(fù)壓縮機(jī)，意義重大。

二、往復(fù)壓縮機(jī)技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用

（一）壓縮機(jī)性能計(jì)算技術(shù)

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，詳細(xì)的數(shù)值分析技術(shù)逐漸被應(yīng)用到壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算，性能模擬及優(yōu)化，強(qiáng)度分析與計(jì)算和動(dòng)力學(xué)分析等方面。

1、設(shè)計(jì)優(yōu)化與性能模擬技術(shù)

首先，往復(fù)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)過程中的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程，通過計(jì)算軟件完成整個(gè)計(jì)算過程。

在熱力計(jì)算過程中，需根據(jù)設(shè)計(jì)條件（如流量、吸排氣壓力、氣體組分等）確定壓縮機(jī)的級數(shù)、各級壓比、轉(zhuǎn)速、功率和效率等參數(shù)。通過各種經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的選取和氣體壓縮過程的計(jì)算，得到排氣溫度、功率、氣缸直徑等重要設(shè)計(jì)參數(shù)。

在往復(fù)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)軟件開發(fā)過程中，可將氣體物理性數(shù)據(jù)植于軟件中，從而獲得單一組分氣體或多組分混合氣體的準(zhǔn)確物理性數(shù)據(jù)，保證設(shè)計(jì)精度。特別是對于實(shí)際氣體，該方法可以準(zhǔn)確得到壓縮過程中實(shí)際氣體各種狀態(tài)點(diǎn)的物理性數(shù)值，準(zhǔn)確計(jì)算壓縮和級間冷卻造成的氣體冷凝析出等。在計(jì)算軟件編制過程中，熱力計(jì)算與容積流量有關(guān)的各種系數(shù)（如進(jìn)氣系數(shù)、泄漏系數(shù)和析水系數(shù)等參數(shù)）可以制成數(shù)據(jù)庫，需要時(shí)可以利用計(jì)算軟件自動(dòng)查表和采用插植的方法求取。

往復(fù)壓縮機(jī)的動(dòng)力計(jì)算，主要是確定其主要運(yùn)動(dòng)部件的受力，解決慣性力和慣性力矩的平衡，計(jì)算壓縮機(jī)的切向力和確定壓縮機(jī)飛輪矩等。對于多列壓縮機(jī)，計(jì)算軟件可根據(jù)各列的布置方案，并根據(jù)各列相差的轉(zhuǎn)角(相位角)進(jìn)行相應(yīng)疊加，可快速得到總的切向力及飛輪矩。

其次，往復(fù)壓縮機(jī)的理想工作過程由等壓吸氣、氣熵壓縮、等壓排氣和等熵膨脹四個(gè)過程組成，而壓縮機(jī)的實(shí)際工作過程受到泄露、流動(dòng)損失和傳熱等因素的影響，上述四個(gè)過程都會(huì)與理想過程發(fā)生偏離。

在壓縮機(jī)熱力計(jì)算過程中，可以通過各種系數(shù)對壓縮機(jī)的實(shí)際工作過程進(jìn)行修正，以便使壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)更接近實(shí)際工作過程。但這種方法不能精確反應(yīng)壓縮機(jī)的真實(shí)工作過程和性能，也不能很好地為壓縮機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

因而，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得通過數(shù)值計(jì)算方法模擬壓縮機(jī)真實(shí)工作過程成為可能。例如：氣閥是往復(fù)壓縮機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其性能對壓縮機(jī)運(yùn)行的可靠性、經(jīng)濟(jì)性都有很大影響。氣閥是往復(fù)壓縮機(jī)易損部件之一，延長氣閥的壽命對保證壓縮機(jī)可靠性具有重要意義。由于壓縮機(jī)工作過程中氣體流經(jīng)氣閥的流動(dòng)損失占總氣體流動(dòng)損失的比例較大，氣閥設(shè)計(jì)的好壞對壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性有著直接影響。因此，在實(shí)際工作中，可以通過模型假設(shè)，對其工作過程建立模型，在各種工況條件下，分別模擬往復(fù)壓縮機(jī)的工作過程和氣閥運(yùn)行規(guī)律，通過計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果和分析找出最佳工況和選擇最優(yōu)工作過程，以延長氣閥壽命。

2、強(qiáng)度計(jì)算與分析

往復(fù)壓縮機(jī)工作過程中，其曲軸、活塞桿和連桿等關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件受到各種力作用，且大多為周期性交變作用力。當(dāng)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或運(yùn)行工況偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，往往會(huì)造成這些關(guān)鍵部件產(chǎn)生裂紋、斷裂，甚至進(jìn)一步造成爆炸等惡性安全事故。因此，在往復(fù)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)階段需要對這些關(guān)鍵部件進(jìn)行力學(xué)分析，以確保壓縮機(jī)的壽命和可靠性。

曲軸的強(qiáng)度計(jì)算包括靜強(qiáng)度計(jì)算和疲勞強(qiáng)度計(jì)算。靜強(qiáng)度計(jì)算的目的是求出曲軸的應(yīng)力分布，找出曲軸薄弱部件。疲勞強(qiáng)度計(jì)算的目的是求出曲軸在承受交變作用下的最小強(qiáng)度儲(chǔ)備，以安全系數(shù)的形式表示。曲軸強(qiáng)度的常用計(jì)算有普通計(jì)算法和有限元法。在曲軸設(shè)計(jì)時(shí)，初步強(qiáng)度校核或進(jìn)行方案比較可采用經(jīng)驗(yàn)公式的辦法初步計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù)，從而得到圓角處的最大應(yīng)力。但在精度要求高的場合，應(yīng)采用有限元方法進(jìn)行曲軸的應(yīng)力場和應(yīng)變場的數(shù)值分析。數(shù)值分析曲軸的彎扭疲勞強(qiáng)度是壓縮機(jī)曲軸強(qiáng)度計(jì)算向前跨出的重要一步。

在往復(fù)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)過程中，除了需計(jì)算其疲勞強(qiáng)度，還應(yīng)對曲軸的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，而結(jié)構(gòu)件的模擬分析可評估其動(dòng)力特性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮結(jié)構(gòu)的受激頻率是否接近該結(jié)構(gòu)的自然頻率。模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析的一種有效手段。通過分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)特性可建立結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)模擬條件下的響應(yīng)預(yù)測模擬，預(yù)測結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作狀態(tài)下的行為及其對環(huán)境的影響。

（二）往復(fù)壓縮機(jī)的平衡技術(shù)

往復(fù)壓縮機(jī)的工作過程中，需要將軸的回轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，這一功能通常由壓縮機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。往復(fù)壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)導(dǎo)致其工作過程中產(chǎn)生慣性力和慣性力矩，它們的大小和方向隨著曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)做周期性變化。這些力和力矩對壓縮機(jī)來說是外力，如果機(jī)器內(nèi)沒有相應(yīng)的力和力矩加以平衡，則會(huì)導(dǎo)致整機(jī)振動(dòng)。為了保證機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行，在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力需求所有外力在壓縮機(jī)內(nèi)部平衡。例如：單列壓縮機(jī)往往設(shè)置相應(yīng)的平衡質(zhì)量對這些力進(jìn)行平衡，多列壓縮機(jī)在方案布置時(shí)盡量讓壓縮機(jī)各列產(chǎn)生的力和力矩能夠相互平衡。

在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)階段，會(huì)盡量平衡其各種慣性力。但由于往復(fù)壓縮機(jī)自身特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方案的局限性，設(shè)計(jì)過程中往往并不能平衡所有力和力矩，這一情況造成了壓縮機(jī)運(yùn)行過程中的振動(dòng)，這也是往復(fù)壓縮機(jī)高速化的一個(gè)重要基礎(chǔ)瓶頸。為了提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，以滿足特殊領(lǐng)域?qū)ν鶑?fù)壓縮機(jī)的要求，發(fā)展全平衡結(jié)構(gòu)的往復(fù)壓縮機(jī)技術(shù)與產(chǎn)品，可以完全平衡結(jié)構(gòu)的往復(fù)壓縮機(jī)的慣性力和慣性力矩，但這類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工及裝配精度要求極高，增加了設(shè)備的設(shè)計(jì)制造難度，降低了機(jī)組的可靠性。

（三）氣流脈動(dòng)及管道振動(dòng)技術(shù)

管道振動(dòng)是往復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)行過程中經(jīng)常遇到的問題，直接影響系統(tǒng)安全，其對壓縮機(jī)組的影響主要表現(xiàn)在以下方面：

1、管道及其附件產(chǎn)生疲勞損壞，特別是管道的連接部位發(fā)生松動(dòng)和破裂。

2、壓縮機(jī)工況惡劣，閥片過早損壞。

3、管道上或附件儀表失真或毀壞。

4、噪聲增大。

5、壓縮機(jī)運(yùn)行效率降低。

往復(fù)壓縮機(jī)吸排氣管道及其附屬裝置和與之相連接的各種動(dòng)力設(shè)備、裝置構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，該系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)是由多種原因引起的，主要有以下三種：

1、由氣流脈動(dòng)引起，氣流脈動(dòng)增發(fā)管路做機(jī)械振動(dòng)。

2、管道發(fā)生共振，從而造成管路系統(tǒng)的振動(dòng)。

3、動(dòng)平衡差或基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不當(dāng)引起的管道振動(dòng)。

往復(fù)壓縮機(jī)的吸排氣過程是間歇性的，因而氣體的壓力和速度呈周期性變化，進(jìn)而導(dǎo)致管道內(nèi)氣體呈脈動(dòng)狀態(tài)，致使管內(nèi)氣體參數(shù)（如壓力、速度、密度等）不僅隨位置變化，而且隨時(shí)間做周期性變化，這也就產(chǎn)生了氣流脈動(dòng)。生產(chǎn)中遇到的往復(fù)壓縮機(jī)管系振動(dòng)絕大多數(shù)是由氣流脈動(dòng)引起的。管道振動(dòng)反過來又會(huì)引起機(jī)組的振動(dòng)，因而要消除管道振動(dòng)，首要的問題是消除氣流脈動(dòng)。

目前，采用管系的有限元分析法提供了進(jìn)行應(yīng)力分析，解決管道振動(dòng)問題的有效手段。用有限元方法分析管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，實(shí)質(zhì)上是用有限個(gè)自由度的離散系統(tǒng)替代無限個(gè)自由度的連續(xù)系統(tǒng)，即用有限個(gè)結(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)替代實(shí)際系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。通過這種方法改造后的進(jìn)氣管道系統(tǒng)，氣流脈動(dòng)明顯降低，從而直接導(dǎo)致振動(dòng)激發(fā)力降低，同時(shí)，振動(dòng)結(jié)構(gòu)也有明顯改變，分離器出口和管道的標(biāo)高降低使得剛度顯著加強(qiáng)，有效避開低階共振。管道系統(tǒng)匯管前后段管道結(jié)構(gòu)振動(dòng)明顯減少，主激發(fā)頻率，氣柱固有頻率和結(jié)構(gòu)固有頻率基本錯(cuò)開，從根本上避免了共振。

（四）在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的實(shí)質(zhì)是了解和掌握設(shè)備在運(yùn)行過程中的狀態(tài)，評價(jià)、預(yù)測設(shè)備未來的一段時(shí)間在役運(yùn)行的可靠性，早期發(fā)現(xiàn)故障并對其原因、部位、危險(xiǎn)程度等進(jìn)行識(shí)別，預(yù)報(bào)故障的發(fā)展趨勢。

往復(fù)壓縮機(jī)是石化、煤化工等重要流程工業(yè)的核心裝備，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損件多，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除故障，易造成事故，給生產(chǎn)帶來巨大損失。因此，隨著計(jì)算機(jī)、傳感器、信號(hào)處理等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，往復(fù)壓縮機(jī)在線監(jiān)測和故障診斷技術(shù)也在近些年得到了較快發(fā)展。

壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測是壓縮機(jī)故障診斷的基礎(chǔ)，開展往復(fù)壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測需要實(shí)現(xiàn)以下四個(gè)目的：

1.通過監(jiān)測優(yōu)化檢修計(jì)劃，減少非計(jì)劃停機(jī)，延長運(yùn)轉(zhuǎn)周期，降低維修維護(hù)費(fèi)用。

2.通過監(jiān)測了解機(jī)器的運(yùn)行工況，優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，提高設(shè)備運(yùn)行效率。

3.通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生的部位，使檢修做到有的放失，縮短檢修時(shí)間。

4.及時(shí)預(yù)警，提前采取有效措施，降低故障的發(fā)生率，特別預(yù)防災(zāi)難性事故的發(fā)生。

目前，往復(fù)壓縮機(jī)采用的監(jiān)測方法主要有工程熱力學(xué)參數(shù)法（壓力、溫度、流量等），振動(dòng)監(jiān)測分析法、沖動(dòng)振動(dòng)分析法、噪聲監(jiān)測分析法、氣體泄漏檢測法、磨損位移監(jiān)測法、油液分析法等。例如：氣缸內(nèi)氣體壓力，溫度是往復(fù)壓縮機(jī)氣閥、活塞、氣缸等故障判斷的重要參數(shù)。機(jī)殼的振動(dòng)與活塞桿的下沉可用于判斷曲軸連桿機(jī)構(gòu)的振動(dòng)狀況與活塞環(huán)的磨損情況。通過溫度、壓力、振動(dòng)、位移、噪聲等各種傳感器在壓縮機(jī)重要部位的安裝和運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，可以及時(shí)準(zhǔn)確獲得壓縮機(jī)各部件的各種狀態(tài)。

隨著無線傳感技術(shù)，基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程在線技術(shù)的發(fā)展，對往復(fù)壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測將越來越深入，而往復(fù)壓縮機(jī)故障診斷過程包括信號(hào)檢測、特征提取、狀態(tài)識(shí)別三個(gè)步頻，其中特征提取和狀態(tài)識(shí)別最為關(guān)鍵。隨著深度，多源信號(hào)分析等技術(shù)的發(fā)展，故障診斷系統(tǒng)的智能化水平不斷提高，診斷準(zhǔn)確率也在不斷上升。

隨著社會(huì)的發(fā)展，以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、機(jī)器自組織等技術(shù)標(biāo)志的工業(yè)發(fā)展，往復(fù)壓縮機(jī)作為一種流體機(jī)械，也將不斷地利用這些技術(shù)向著高度智能的方向發(fā)展。