2--2D12往复式压缩机典型部件的动力学分析与故障机理研究.doc
《2--2D12往复式压缩机典型部件的动力学分析与故障机理研究.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《2--2D12往复式压缩机典型部件的动力学分析与故障机理研究.doc(16页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、2 2D12往复式压缩机典型部件的动力学分析与故障机理研究2.1 引言2D12-70/0.113型对动式双作用石油气压缩机广泛应用于石化企业,其主要参数如下:轴功率500kw、排气量70m3/min、一级排气压力0.27460.2942Mpa、二级排气压力1.2749Mpa、活塞行程240mm、曲轴转速496rpm。压缩机采用隔爆型异步电动机通过刚性联轴器和飞轮驱动曲轴旋转,带动两侧连杆,并经过十字头、活塞杆分别使一、二级活塞在一、二级气缸内作水平方向对动。当压缩机工作时,活塞两侧分别吸气和压气。一级气缸每一侧工作腔各有四个进气阀和四个排气阀,二级气缸每一侧工作腔各有两个进气阀和两个排气阀,皆
2、为多环窄通道低行程的环状阀。进气阀在缸体的上部,排气阀在缸体的下部。往复式压缩机结构复杂、激励源众多,需要对其进行动力学分析,以便建立典型零件的动力学数学模型。这有利于对往复式压缩机故障机理的认识,并为实验研究和信号监测提供理论依据。2.2 运动学和动力学分析2.2.1 曲柄-连杆机构运动学分析对于压缩机等往复式机械,大质量的活塞-曲柄连杆机构是主要的运动部件,属于正置式曲柄-连杆机构,它的最大特点是气缸中心线通过曲轴的回转中心,并垂直于曲柄的回转轴线,这一机构的运动关系决定了整个系统的动力学特性19,20。由图2.1的几何关系,可求得活塞的位移、速度和加速度。为曲柄的角速度,为由原点沿轴测得
3、的点的位置。连杆长度;曲柄与连杆长度之比:,取时间为时,曲柄转角则为:。图2.1压缩机结构几何模型(1)活塞的位移(2.1)一般,连杆的长度都远大于曲柄的长度,值一般都小于1/3.5,按二项式定理展开公式(2.1),略去的高次项,得到活塞位移公式即(2.2)(2)活塞的速度(2.3)(3)活塞的加速度即(2.4)2.2.2 曲柄-连杆机构动力学分析(1)活塞运动的动力学分析设活塞质量为,则往复式压缩机运行时,作用在往复运动活塞上的惯性力为往复惯性力,若连杆非常长,即很小时,活塞部分的往复惯性力为若连杆很短时,则活塞部分的惯性力为图2.2各部件受力分析图如图2.2所示,沿连杆中心线方向,称为连杆
4、推力;为周期性循环变化的气体压力;活塞受到的侧向力,垂直于气缸壁。则(2.5)将公式(2.5)代入上式,得到(2.6)已知,将其代入公式(2.6),得到(2.7)(2)曲柄运动的动力分析曲柄做圆周运动时,产生的惯性力在方向和方向的分量分别为,(2.8)(3)连杆大端处作用力的分析与连杆大端配合的曲柄销处,除连杆推力外,还有连杆大端回转质量产生的离心力的作用。曲柄在曲柄销处给予连杆的力,分解为沿着曲柄方向的法向力和与曲柄方向垂直的切向力,其中图2.3 部件运动分析图设连杆的质量为,大端的集中质量为其回转质量为。连杆作平面运动,曲柄作定轴转动。取连杆为研究对象,点速度的大小为=,其方向垂直于曲柄,
5、指向与的转向一致。选点为基准点。有式中,的大小和方向均已知,点的速度的方位已知,即沿着水平直线(气缸轴线),点相对于点的速度的大小=,垂直于连杆。按照矢量方程做速度平行四边形,或做矢量三角形,根据正弦定理可得因此则连杆的转动角速度为则连杆大端回转质量产生的离心力为(2.9)(4)连杆小端处作用力的分析作用在连杆小端处的力,有沿往复运动轴线轴方向的作周期性循环变化的气体压力及活塞往复运动产生的往复惯性力,故作用于连杆小端处的沿轴线方向的总作用力为(5) 柄销处的离心力与电动机相联结的曲柄的质量为,质心距离转轴的半径为,则作用在曲柄销处的离心力为。2.2.3 各主要运动部件转动力矩分析(1)缸内气
6、体压力产生的力矩作用在活塞上的气体压力沿连杆方向的作用力为,则气缸压力对曲柄产生的力矩为(2.10)(2)活塞惯性力产生的力矩活塞惯性力沿连杆方向的作用力为,对曲柄产生的力矩为(2-11)(3)作用在曲柄销上的力对曲柄轴产生的力矩(2.12)(4)活塞运动对气缸壁的作用力对曲柄轴产生的力矩(2.13)2.2.4 气阀阀片动力学分析阀片的受力状况如图2.5所示。图中:H为阀片升程,为气体压力差,P为气缸内压力,为弹簧压力。 (a)气阀结构简图 (b)阀片受力图图2.4 阀片的动力学分析图吸气阀阀片运动方程为(2.14)排气阀阀片运动方程如下为(2.15)式中:为推力系数;为阀座口通道面积();为
7、一个气阀中弹簧的个数;为弹簧刚性系数();为弹簧预压缩量(m);为阀片位移(m);为气阀当量运动质量,(kg);为阀片质量(kg);为阀簧质量(kg)。根据式(2.14)、(2.15)经过积分运算可以计算出阀片速度和位移。取曲轴运动的上止点为零点,自零点开始,随着曲轴转角加大,气缸体积增大,缸内气体绝热膨胀,气压降低,当缸内外压力差等于气阀弹簧预压缩力时,吸气阀阀片开启,并与升程限制器发生碰撞,随着气体进入气缸,同时因为气缸体积在不断扩大,缸内压力缓慢升高。活塞运行到接近最大体积处时,体积增加速度降低,缸内气压快速升高,阀片出现回落,并与阀座发生碰撞,完成了吸气过程。自180度开始进入压缩-排
8、气过程。随着气缸体积减少,缸内气体绝热压缩,气压升高,当缸内外压力差等于气阀弹簧与压缩力时,排气阀阀片开启,并与升程限制器发生碰撞,随着气体排出气缸,同时因为气缸体积在不断减小,缸内压力缓慢降低。活塞运行到接近最小体积处时,排气速度降低,缸内气压快速降低,阀片出现回落,并与阀座发生碰撞,完成一个工作循环。在一个工作循环过程中,吸气阀、排气阀各工作一次,同名阀片在开启与回落时分别产生两次冲击。2.2.5 气缸内压力变化规律在膨胀过程中,假设气体无热量交换,吸、排气阀和活塞环无泄漏,气体处于绝热膨胀状态,气体的热力学状态方程为(2.16)(2.17)式中:为气缸余隙容积;为多变指数;为排气压力;为
9、气缸内气体体积(余隙容积和行程容积之和);为曲柄半径;为活塞直径;为曲柄半径与连杆长度之比;为曲轴转速。当气压差增大到F1=F2时,吸气阀开始打开。假设吸气过程气体与外界无热交换,气阀和活塞环无泄漏,则吸气过程的压力变化为(2.18)式中:为气阀当量流通面积;R为热力学气体常数;为吸气阀腔内气体温度。在压缩过程中,吸排气阀关闭,假设气阀和活塞环无泄漏,气体和外界无热交换,气体属于绝热压缩,热力学方程式为(2.19)而排气过程热力学方程式为(2.20)式中:为排气阀腔内气体温度。泄漏时气缸内压力的计算公式如下(2.21)式中:为气缸内气体压力;为泄漏的气体压力;为全部气体压力总和;为气缸内气体总
10、质量。(2.22)其中,余隙容积气体质量(2.23)吸入气体质量(2.24)排出气体质量 (2.25)泄漏气体质量(2.26)式中:为阀座的展开长度;为间隙高度;为动力粘性系数;为间隙在气流方向上的长度;为气缸内气体压力;为阀腔气体压力。图2.5是正常与泄漏状态下一个循环周期气缸内压力的变化规律曲线。从图中可以看出以下规律:(1)在膨胀过程中,气缸内压力低于排气腔压力,排气阀泄漏起主要作用。气体自排气腔向缸内泄漏,压力较正常值偏高,曲线上移,膨胀过程延长。(2)吸气阀开启滞后,吸气过程的开启点随之延后,而结束点提前,即吸气阀提前关闭,过程时间缩短,吸气效率降低。(3)压缩过程中,主要表现为吸气
11、阀的泄漏,气量减小,压力较正常偏低。(4)排气阀开启滞后,而结束点提前,过程时间缩短,排气效率降低。图2.5 正常与泄漏故障下的气缸压力比较2.3 常见故障机理分析2D12型往复式压缩机的故障主要有两类:磨损与泄漏。磨损属于机械性质,是机器动力性能故障,其主要特征是压缩机工作时异常的响声、振动和过热;泄漏属于流体性质,是机器热力性能故障,主要表现为压缩机工作时排气量不足,排气压力、温度及级间压力、温度异常等21,22。本项目主要针对以下故障进行研究:(1)由于气缸冷却系统漏水、润滑油使用不当或注油泵给油太少、运动机构发生故障等原因造成活塞环干摩擦,导致拉缸、卡死等故障。表现为气缸温升加剧、排气
12、温度升高,负荷不平衡加大,主轴转速的循环波动和振动加剧。拉缸严重时就会出现卡死现象,这将引起曲轴、连杆、连杆螺栓等零件的断裂,故障的进一步发展将会引起压缩机严重受损。(2)因磨损原因导致十字头滑板与滑道的间隙过大、活塞环与气缸间隙过大、活塞杆与气缸填料函的间隙增大。磨损加剧,使得对缸壁的冲击振动加剧,同时也使活塞杆在往复运动中沿气缸径向方向跳动加剧。(3)长期运行导致气缸与气缸盖之间、气阀与气缸之间的垫片松动,或者气体入机前脱水不良,导致水进入气缸而产生液击等现象,这时不仅气缸的振动上升,还会出现明显的“水击”声。(4)曲轴轴颈摩擦加剧,连杆轴瓦磨损严重。连杆大头、小头与轴承之间的磨损,连杆螺
13、栓与十字头螺栓松动,使得轴承间隙增大,从而导致轴承座振动加剧。(5)气阀组件出现故障:阀片或弹簧的断裂、阀片磨损、弹簧刚度变化等造成漏气及排气量不足。这种情况会带来压缩机的异常振动和响声,并在进、排气温度上表现较为明显。采用故障树分析方法对上述故障的故障原因进行分析,得到2D12型往复式压缩机常见故障的故障树分析图,如图2.6所示。图2.6直观地提供了往复式压缩机常见故障部位的诊断可能性,同时也就相应地决定了不同的诊断方法。图2.6 2D12型往复式压缩机的故障树分析图2.3.1 振动机理分析在往复式压缩机的工作过程中,相对运动的部件较多,而各个部件的振动是对其内部激励力和故障的响应。在运行过
14、程中,不仅故障会导致压缩机产生异常振动,而且压缩机的许多部件的正常运动也会造成往复式压缩机的振动。长久、强烈的振动必将引起压缩机部件的磨损、松动,部件之间的间隙增大、零部件过热,进而有可能导致故障的发生。因此,有必要对振动原因进行分析,区分正常状态下和故障状态下的振动信号特征,以便于对故障的诊断和征兆的提取。为了对激励力进行分析,规定沿压缩机曲轴轴线的方向称为纵向,沿活塞轴线的方向称为横向,与上述两方向相垂直的方向称为垂向。(1)活塞的往复惯性力活塞往复运动时产生的往复惯性力,方向与活塞-连杆机构的运动方向一致,在理论上可表示为(2.27)式中:,其变化频率为,为曲柄转动频率,称为一级惯性力;
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- D12 往复 压缩机 典型 部件 动力学 分析 故障 机理 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【精****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【精****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。