往复式压缩机运行示意图
往复式压缩机因其复杂的零部件结构，特别是其运动部件众多且多采用往复式运动方式，使得运行过程中存在较大的冲击和润滑不稳定的问题。其主要面临的故障形式包括气阀泄漏、拉缸等。其中，气阀泄漏问题尤为突出，其故障原因主要归结于气缸内气体压缩时温度升高导致吸气阀泄漏，进而引发高温气体回流至吸气管，最终造成气阀温度的进一步升高。此外，拉缸现象也时有发生，这通常与十字头与滑道间隙过大、十字头大小头瓦间隙过大以及曲轴主轴承磨损等机械因素有关。
为了有效地监测和预防这些故障，研究者们开发了压缩机在线状态监测系统。该系统主要由硬件和软件两部分构成，通过实时采集压缩机的运行数据，结合专业的分析算法，实现对压缩机状态的在线监测和故障预警。其结构如图所示，该系统不仅显著提升了压缩机的故障诊断能力，还为预测性维护提供了有力的技术支持，有效减少了非计划停机造成的损失，确保了压缩机的安全连续运行。
在线状态监测系统结构示意
硬件部分：
该系统硬件主要包括传感器、数据采集器和数据服务器等关键组件。传感器是用于实时监测往复式压缩机各项关键指标的核心设备，其布置位置及作用对于确保系统能够准确捕捉压缩机的运行状态至关重要。在往复式压缩机中，传感器通常被安装在键相、壳体动、十字头冲击、气缸振动、活塞杆沉降偏移以及气阀温度等关键位置，从而实现对压缩机状态的全方位监测。
往复式压缩机测点布置及传感器作用
数据采集器：
功能上，数据采集器作为系统的核心硬件，主要负责接收传感器测量的数据。这些数据经过专门的信号调理系统处理，再通过A/D转换实现数字信号的同步采集。该采集器采用嵌入式技术，具备强大的数据采集功能，通道数可灵活扩展至64通道，单通道最大采集精度高达100kHz，实现高效同步并行采集。此外，以太网接口的配置使得远程控制成为可能。
数据服务器：
该服务器为网络化客户端软件提供强有力的硬件支持，满足其模块化安装需求。它能智能处理多台机组的状态数据，如振动、位移、转速、温度等，并将这些数据储存在本地数据库中，同时保留实时数据以供中间件调用。
软件部分：
系统软件主要包括数据采集软件和网络化客户端软件。数据采集软件负责将传感器信号进行特征提取、无损压缩并存储，同时发送给现场数据服务器。而网络化客户端软件则是一款插件化软件，安装在数据应用管理器中，可根据实际需求灵活选择功能模块，满足定制化需求。该软件包含数据处理及通信、专业图谱分析、中间件调度、报警管理、诊断报告及统计报表等模块，为设备状态监测提供全方位支持。
实证分析：
该储气库自2012年投产以来，其3台往复式压缩机随着运行时间的增长逐渐老化，故障率不断上升。通过安装在线状态监测系统，该系统能够实时监测并诊断设备的运行状态，从而实现对设备的主动保护和预测性维护。这不仅延长了设备的连续运转周期，还大幅减少了非正常停机的维修时间和成本。
为实时监测往复式压缩机的运行状态并实现预测性维护，我们遵循以下传感器测点布置思路：
由于压缩机气缸本体未预设取压点，且在气缸上增设取压点可能损害其整体强度，因此我们决定不将动态压力作为检测对象。然而，该储气库的压缩机曾多次出现气缸故障，且气缸处的振动幅度较大，但曲轴箱位置并未给出反馈，导致故障无法及时发现。因此，我们计划在压缩机气缸上增设振动和冲击检测点，以实时监控气缸本体的振动情况。
此外，结合现场实际情况，往复式压缩机的主要检测项目还包括键相、壳体振动、十字头冲击、气缸振动、活塞杆沉降、偏移以及气阀温度。具体的传感器测点布置如图所示。
传感器测点布置及其应用效果分析
通过实时获取传感器采集的数据，该系统能够进行深入的诊断分析。它提供了包括活塞杆沉降/偏摆、柱状谱、冲击诊断以及综合分析等多种图谱，为维护人员提供了全面的参考信息。同时，该系统还能对异常数据进行实时报警和诊断，协助现场维护人员迅速确定设备异常的原因、部位以及损伤的严重程度，并对部件的剩余寿命进行评估，从而为运维检修决策提供了有力的数据支持。此外，往复式压缩机的壳体振动加速度a的冲击波动情况如下图所示。
往复式压缩机壳体振动加速度a的冲击波动情况，在应用该系统后，取得了显著的效果。首先，它确保了生产的连续性。通过提供可靠且真实的设备运行数据，系统能够准确判断设备当前状态并预测未来趋势，从而有效减少了非计划停机事件，保障了生产的持续进行。其次，它保障了设备的安全。系统通过对设备状态的实时监测和预测，能够及时发现并避免由设备故障引发的连锁反应，显著降低了安全事故的风险。最后，它还带来了显著的运维成本节约。通过将传统的事后抢修模式转变为预测性维修，系统减少了非计划停机带来的损失，同时也降低了维修费用。
