季承元
摘要：活塞杆沉降监测是往复式机械状态监测使用最广泛的技术手段之一，本文介绍活塞杆沉降监测的基本原理以及实际应用中的注意事项，对其它常用的往复式机械状态监测手段也做了简要介绍。
关键词：往复式机械状态监测；活塞杆沉降；在线监测系统
中图分类号：TH45文献标识码：B
一、往复式机械状态监测系统简介
常用往复式机械状态监测的主要技术手段如一下。
1．振动监测
(1)使用一对成90°夹角的电涡流传感器测量曲轴的振动；
(2)使用速度传感器或内含积分电路的加速度传感器测量曲轴箱的壳体振动；
(3)使用加速度传感器测量十字头滑道部位的壳体振动。
2．活塞杆沉降或位置监测
(1)使用一个安装在填料函端部的电涡流传感器监测活塞杆沉降；
(2)对于汽缸直径较小、压力较高的机组采用一对安装在填料函端部互为90°的电涡流传感器监测活塞杆位置。
3．温度监测
使用热电阻或热电偶测量主轴瓦、十字头滑道、填料函和出入口阀温度等参数。
4．汽缸压力和P-V图监测
使用压力传感器测量汽缸压力并提供P-V图供故障诊断使用。
完整的传感器配置如图1所示
二、活塞杆沉降监测的基本原理
卧式往复压缩机一般会在活塞上安装导向环以减小活塞环的磨损并避免活塞与汽缸的直接接触从而损坏缸套，因此需要在机组运行时监测导向环的磨损量，以便及早采取防范措施。
过去检查导向环厚度的方法是停机测量，目前这种方法已被活塞杆沉降监测系统所代替。活塞杆沉降监测系统由机组监测保护表模块、键相传感器和安装在每个汽缸处的电涡流传感器组成。以下以现场应用较多的本特利3300/81六通道杆沉降监测保护表模块为例，其他厂家的产品基本原理相同。
1．杆沉降值的计算
导向环磨损后活塞杆会下沉，这将导致传感器与活塞杆的间隙发生变化并引起间隙电压的变化，传感器测得的杆沉降值与导向环的磨损量成正比。
如图2所示，由相似三角形原理可得出比例系数(L1+L2)/L1，比例系数乘以传感器间隙即为导向环的磨损情况，为此需将一些特定的机组参数输入3300框架进行计算，包括连杆长度、活塞杆长度、活塞冲程和传感器的定位（如图3所示）。
2．杆沉降数据的两种采集方式
3300/81杆沉降监测模块可由用户组态为采集杆沉降的平均值或瞬间值。平均值是测量活塞一个完整冲程的间隙电压的平均值。
采集瞬间值时首先需确定两个重要参数并将其输入3300框架。第一个参数是活塞角度，如图3所示，它是将活塞位置与键相信号联系起来的基准，指压缩机主轴转动360°的过程中两个位置之间的相位差。第一个位置是主轴或飞轮上的键相凹槽对准键相传感器的位置；第二个位置是活塞位于上死点时的位置。同一根曲轴上不同曲柄的活塞角度有一些可能是相同的，有一些则不同。
第二个参数是触发采集的触发角，指压缩机主轴转动360°的过程中两个位置之间的相位差，一个是活塞位于上死点时的位置（该位置已由上述活塞角度确定），另一个是瞬间采集时的位置。3300/81使用键相信号作为基准来确定瞬间采集的时刻，采集时刻可设定为一个冲程中的某一瞬间(对应曲轴旋转的1°~360°)。由于采集瞬间值的触发时刻对应于活塞杆上的一个固定位置，所以其好处在于能消除两个可能影响监测精度的因素，一个是活塞杆在往复运动中产生的轻微弯曲，另一个是由于十字头与十字头滑道间存在间隙，所以在往复运动中十字头会有轻微的上下移动。
三、活塞杆沉降监测的注意事项
1．传感器的定位
由于连杆、活塞杆长度、活塞冲程和传感器的定位确定了比例系数(L1+L2)/L1，所以必须确保其准确性，否则将导致错误的结果。
2．触发角的合理设置
大多数情况下，将触发角设置为滞后上死点位置240°最适宜，这也是监测器框架的出厂缺省设置。但在某些情况下，240°的触发角可能并不适合，如图4所示，不应将杆沉降信号的突变处（即杆沉降动态信号波形曲线斜率较大处）设置为触发角，而应选波形曲线较平稳处，触发角的合适范围一般是90°~160°或200°~270°。
3．传感器的选择
应选择特性曲线具有足够线性范围的电涡流传感器。主要考虑导向环的厚度和活塞的热膨胀，用于杆沉降监测的传感器包括8mm、11mm和14mm三种，8mm传感器的线性范围是2mm（起点距离探头0.25mm)，11mm传感器的线性范围是4.1mm（起点距离探头1mm），14mm传感器的线性范围同样是4.1mm，但起点距离探头0.5mm。通常对导向环厚度等于或小于2.6mm的汽缸选用8mm传感器即可，但直径大于500mm的活塞或铝制活塞应选用11mm或14mm传感器，因为这时活塞的热膨胀量会较大，8mm传感器的线性范围不敷使用。
4．活塞杆材质和镀层
活塞杆材质和镀层对电涡流传感器的特性曲线影响非常大。活塞杆通常为碳化钨所覆盖，某些则为铬或其它材料，不管哪种情况，都应实测传感器的标定曲线。由于测量值会受到安全栅的微小影响，所以应从3300/81监测模块的缓冲输出端口测取数据。
5．杆沉降监测模块零点的设定
当机组运转一段时间后，活塞在汽缸中的位置会由于热膨胀而抬高，故当机组在额定负荷下运转约4h后应重新设置监测模块的零点。
只有在实际应用中认真处理上述事项，才能确保杆沉降监测的精确性与可靠性。
参考文献：
本特利公司．3300监测保护表操作手册.
屈梁生．机械故障诊断学.上海科学技术出版社，1990.