無(wú)油螺桿空氣壓縮機(jī)振動(dòng)高的原因分析與對(duì)策

王 靜

（四川大學(xué)化工學(xué)院，四川成都，610065）

無(wú)油螺桿空氣壓縮機(jī)（簡(jiǎn)稱無(wú)油螺桿空壓機(jī)）是某廠壓空系統(tǒng)生產(chǎn)氣動(dòng)儀表空氣和吹掃、液體壓送用的雜用空氣流程中的“心臟”設(shè)備和重要節(jié)能設(shè)備，它主要是通過(guò)兩級(jí)壓縮，將常溫下大氣中0.01MPa的空氣升壓到0.8MPa，實(shí)現(xiàn)全廠儀表空氣、雜用空氣系統(tǒng)的平穩(wěn)供應(yīng)。近年來(lái)，某廠先后有5臺(tái)無(wú)油螺桿空壓機(jī)投入運(yùn)行，使用初期取得了滿意的效果，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)周期高負(fù)荷運(yùn)行后，這些空壓機(jī)相繼出現(xiàn)主機(jī)內(nèi)部異響聲大，轉(zhuǎn)子、軸承、軸封、密封件等部件磨損嚴(yán)重，特別是一、二級(jí)主機(jī)振動(dòng)幅值偏高，最大范圍可達(dá)60μm～110μm（正常值≯50μm），引起裝置非計(jì)劃停機(jī)次數(shù)增多，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。其中的5臺(tái)LGW型兩級(jí)無(wú)油螺桿空壓機(jī)是引進(jìn)無(wú)錫壓縮機(jī)公司的固定水冷全罩型二級(jí)干螺桿壓縮機(jī)，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 無(wú)油螺桿空壓機(jī)主要性能參數(shù)［1］

1 無(wú)油螺桿空壓機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)［1］

無(wú)油螺桿空壓機(jī)的機(jī)組主要由電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、增速齒輪、壓縮機(jī)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、消聲器、旁通調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以及冷卻水、自動(dòng)調(diào)節(jié)和保護(hù)系統(tǒng)等組成。其核心部件是壓縮機(jī)主機(jī)（又稱機(jī)頭），是由陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子、機(jī)體及排氣側(cè)端蓋、前機(jī)體、后蓋、同步齒輪、軸承、軸承座、軸封等零部件組成，其機(jī)體及排氣側(cè)端蓋采用雙層壁水套夾層，以均衡主機(jī)殼體溫度而不發(fā)生變形。它借助同步齒輪的作用，使空氣的壓縮在機(jī)體的∞字形氣缸內(nèi)，由一對(duì)平行布置相互嚙合的帶有4個(gè)齒（陽(yáng)轉(zhuǎn)子）和帶有6個(gè)齒的螺旋形轉(zhuǎn)子（陰轉(zhuǎn)子）之間保持極小的間隙實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸嚙合作反方向旋轉(zhuǎn)，使處于轉(zhuǎn)子齒槽之間的容積不斷產(chǎn)生周期性的變化來(lái)完成空氣的吸入、壓縮和排出，實(shí)現(xiàn)整個(gè)空氣被壓縮到所需要壓力的全過(guò)程。無(wú)油螺桿空壓機(jī)的主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 機(jī)組振動(dòng)高原因分析

2.1 故障現(xiàn)象

2013年8月10日13：25，13?？諌簷C(jī)組電機(jī)后端蓋發(fā)出異響聲并出現(xiàn)裂紋，且機(jī)組一、二級(jí)機(jī)頭旁煙氣排孔處的煙氣流量增大。同時(shí)，機(jī)組電機(jī)端的振動(dòng)值（徑向）從開(kāi)機(jī)時(shí)的16μm上升到60μm，一級(jí)、二級(jí)機(jī)頭的振動(dòng)值（徑向）也由原來(lái)的20μm分別飆升到55μm和110μm，機(jī)組不得不被迫停運(yùn)。

2.2 原因分析

2.2.1 對(duì)機(jī)組振動(dòng)高前各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)分析［1］

圖1 無(wú)油螺桿空壓機(jī)的主機(jī)結(jié)構(gòu)圖

據(jù)檢測(cè)，機(jī)房室內(nèi)溫度為50℃，13?？諌簷C(jī)組的吸入壓力為0.17MPa（聯(lián)鎖值≥0.15MPa），出口排氣壓力為0.78MPa（聯(lián)鎖值≤0.8MPa），一級(jí)、二級(jí)排氣溫度為197℃（聯(lián)鎖值≤200℃），潤(rùn)滑油溫度為50℃（標(biāo)準(zhǔn)值≤60℃），油壓顯示值為0.16MPa（聯(lián)鎖值≥0.15MPa）電流值為28A，機(jī)組二級(jí)機(jī)頭的振動(dòng)值（徑向）為48μm（正常值≯50μm）。從這些運(yùn)行參數(shù)看，該機(jī)組處于滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，主要運(yùn)行參數(shù)在正常控制范圍內(nèi)，排除了人為誤操作的可能性。

2.2.2 對(duì)機(jī)組振動(dòng)高后進(jìn)口過(guò)濾器堵塞情況分析

無(wú)油螺桿空壓機(jī)正常運(yùn)行的外部條件是機(jī)房?jī)?nèi)運(yùn)行環(huán)境應(yīng)在20℃～40℃之間，周圍大氣環(huán)境清潔且機(jī)房?jī)?nèi)通風(fēng)良好。但據(jù)檢測(cè)，當(dāng)時(shí)機(jī)房外環(huán)境溫度基本保持在40℃～50℃之間，而機(jī)房?jī)?nèi)環(huán)境溫度也達(dá)到35℃～45℃。同時(shí)，機(jī)組周圍環(huán)境干燥，大氣中粉塵含量是平時(shí)含量的兩倍多。因此，對(duì)該機(jī)組空氣進(jìn)氣過(guò)濾器部件拆開(kāi)檢查，發(fā)現(xiàn)機(jī)組過(guò)濾器箱體內(nèi)壁堆積了厚厚的粉塵層，空氣吸入口濾芯的小孔大面積被灰塵、小昆蟲及固體顆粒等雜質(zhì)覆蓋，且空氣濾芯的部分濾紙被沖出缺口，一部分灰塵、粉塵顆粒已隨著進(jìn)氣室被逐漸帶入機(jī)組一級(jí)、二級(jí)機(jī)頭中。一旦粉塵顆粒堆積到一定程度，必將加劇一級(jí)、二級(jí)機(jī)頭中各部件的磨損，必然造成主機(jī)機(jī)頭振動(dòng)值的增高。

2.2.3 對(duì)機(jī)組對(duì)中情況檢查分析

對(duì)電機(jī)軸和增速齒輪箱主軸對(duì)中情況打表檢測(cè)。拆掉電機(jī)與增速齒輪箱主軸之間的聯(lián)軸器，用百分表對(duì)電機(jī)軸與增速齒輪箱主軸對(duì)中檢查，結(jié)果為：軸向跳動(dòng)值上端為15μm，下端為－4μm；徑向跳動(dòng)值上端為20μm，下端為－43μm，顯示電機(jī)端低。因?yàn)殡姍C(jī)尾部采用帶有減震器的支撐板和地腳螺栓連接，電機(jī)軸與齒輪箱主動(dòng)軸間用金屬疊片式撓性聯(lián)軸器連接。一旦減震器有松動(dòng)，聯(lián)軸器將發(fā)生偏重，這勢(shì)必會(huì)破壞電機(jī)軸和聯(lián)軸器之間靜平衡，也必將影響到整臺(tái)機(jī)組的正常工作性能。

2.2.4 對(duì)機(jī)組關(guān)鍵部件解體后情況分析

解體后增速齒輪、主機(jī)一級(jí)、二級(jí)機(jī)頭內(nèi)部件損傷情況：①靠近電機(jī)端增速大齒輪端，軸承內(nèi)圈磨損嚴(yán)重，軸向間隙增大。②機(jī)組一二級(jí)同步小齒輪的間隙值超標(biāo)，其軸承座孔變大，軸承端面間隙過(guò)大。其中二級(jí)同步小齒輪有一輪齒折斷了約1/3，其臨近的三個(gè)輪齒出現(xiàn)了裂紋。③機(jī)組一、二級(jí)機(jī)頭的陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子表面有灰垢、坑蝕和沖刷磨損，二級(jí)陰轉(zhuǎn)子密封線已被磨損1/3，一、二級(jí)氣缸內(nèi)壁積聚了一層厚厚的焦油物。④機(jī)組一、二級(jí)機(jī)頭盤車阻力大，滾動(dòng)軸承和推力軸承內(nèi)圈保持架磨損變形。一級(jí)、二級(jí)機(jī)頭的軸封、通氣環(huán)磨損嚴(yán)重，在轉(zhuǎn)子間、轉(zhuǎn)子與機(jī)殼間密封間隙值增大，主機(jī)內(nèi)部存在多條泄漏通道。13＃空壓機(jī)振動(dòng)超高后各級(jí)間轉(zhuǎn)子、齒輪、密封件、軸承間的間隙值見(jiàn)表2。

表2 無(wú)油螺桿空壓機(jī)發(fā)生事故后各級(jí)間轉(zhuǎn)子、齒輪、軸承間的間隙值［1］

通過(guò)對(duì)該機(jī)組關(guān)鍵部件解體情況的跟蹤、分析相關(guān)的設(shè)計(jì)資料，我們認(rèn)為引起13＃機(jī)組振動(dòng)增高的主要原因有以下幾個(gè)方面：

（1）電機(jī)與機(jī)組增速齒輪主動(dòng)軸對(duì)中不好

因機(jī)組電機(jī)的自重有1.2噸，再隨著機(jī)組供氣壓力管網(wǎng)的波動(dòng)，無(wú)形中對(duì)電機(jī)尾部減震器活塞卡環(huán)等部件也會(huì)造成一定的沖擊。事實(shí)上，在13?？諌簷C(jī)振動(dòng)增高時(shí)，電機(jī)下減震器的活塞卡環(huán)比機(jī)組正常時(shí)下降的多。從上述對(duì)電機(jī)軸和聯(lián)軸器對(duì)中打表檢測(cè)情況來(lái)看，13＃機(jī)組電機(jī)與增速齒輪箱的剛性連接已經(jīng)嚴(yán)重失衡，再因電機(jī)端地腳螺栓的安裝誤差、機(jī)組工作狀態(tài)下的熱膨脹等，必將造成機(jī)組工作時(shí)各轉(zhuǎn)子軸線之間產(chǎn)生不對(duì)中，最終導(dǎo)致軸振動(dòng)幅值增高。

（2）轉(zhuǎn)子結(jié)垢

隨著機(jī)組入口空氣過(guò)濾器濾芯濾紙不斷地被大量的粉塵顆粒等雜質(zhì)沖刷，粉塵顆粒不可避免的在主機(jī)一、二級(jí)機(jī)頭的陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子表面上大量的堆積－結(jié)垢－脫落，引起一、二級(jí)機(jī)頭轉(zhuǎn)子表面出現(xiàn)坑蝕、磨損等，一定程度上影響了轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡。同時(shí)，主機(jī)機(jī)頭中陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的徑向輕摩擦也是通過(guò)粉塵結(jié)垢物接觸的，連續(xù)的摩擦也是造成機(jī)組二級(jí)陰轉(zhuǎn)子1/3密封線被磨損及主機(jī)機(jī)頭振動(dòng)增高的重要原因。

（3）機(jī)組軸封失效

因機(jī)組轉(zhuǎn)子軸封采用浮環(huán)密封結(jié)構(gòu)，有三道浮動(dòng)碳環(huán)封氣，一道帶波形彈簧的浮動(dòng)碳環(huán)封油，保證氣、油的不相互滲漏。但主機(jī)機(jī)頭中陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的徑向輕摩擦是通過(guò)粉塵結(jié)垢物接觸的，最容易使轉(zhuǎn)子軸封段浮動(dòng)碳環(huán)密封間隙堆積的粉塵垢物與轉(zhuǎn)子主軸軸承部位發(fā)生刮擦，進(jìn)而造成軸承軸瓦與軸頸不能均勻接觸及軸瓦間隙過(guò)大和緊力過(guò)小，這樣轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)中，使轉(zhuǎn)子兩端垂直方向的受力不均勻，必然導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)的增大。

3 機(jī)組振動(dòng)高處理措施

3.1 改進(jìn)空氣吸入口過(guò)濾器結(jié)構(gòu)配置

在主機(jī)振動(dòng)增高之前，機(jī)組采用的是帶進(jìn)氣室的燒結(jié)式過(guò)濾器（一級(jí)過(guò)濾，濾芯為圓筒狀，一次裝機(jī)1件，材質(zhì)：外殼碳鋼，內(nèi)部裝過(guò)濾精度為2um濾紙），其濾芯的過(guò)濾精度在大氣中粉塵量少的情況下，能夠使用。但遇到夏季干燥惡劣環(huán)境，隨著大氣中的粉塵顆粒等雜質(zhì)的增多，這種過(guò)濾器結(jié)構(gòu)只能通過(guò)頻繁的更換過(guò)濾器濾芯，才能維持機(jī)組正常運(yùn)行，造成了大量的人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)。

為此，我們將原來(lái)帶進(jìn)氣室的圓筒狀燒結(jié)式的一級(jí)過(guò)濾器整體更改為過(guò)濾精度為1um，過(guò)濾效率為98.5%～100%的蝸旋自潔式空氣過(guò)濾器。即：采用兩級(jí)過(guò)濾，第一級(jí)：蝸旋式分離器，第二級(jí)：同蝸旋式分離器配套的空氣濾芯。它將空氣管道中的大氣先引入蝸旋式分離器中，經(jīng)過(guò)渦流片旋轉(zhuǎn)后引入撲塵罩中，空氣中的灰塵經(jīng)過(guò)吸附后再進(jìn)入空氣過(guò)濾器和集氣箱中過(guò)濾，再進(jìn)入壓縮機(jī)的第一級(jí)進(jìn)行壓縮。其中，在此蝸旋自潔試過(guò)濾器上還裝有4個(gè)帶控制器的脈沖式電磁閥，分別按人為設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)啟閉，來(lái)實(shí)現(xiàn)反沖氣流進(jìn)入濾芯中，將表面的空氣灰塵進(jìn)行反沖，經(jīng)過(guò)靜電撲塵罩的吸附，再流經(jīng)吸氣口進(jìn)入壓縮機(jī)的第一級(jí)進(jìn)行壓縮。自安裝之日起，其過(guò)濾效率達(dá)到99.9%（現(xiàn)場(chǎng)儀器檢測(cè)數(shù)據(jù)），連續(xù)使用了60多天，徹底刷新了原來(lái)最長(zhǎng)25天更換一次濾芯的記錄，而且使吸入口空氣的含塵量得到有效的控制，進(jìn)而減輕了空壓機(jī)組陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)中的灰塵結(jié)垢現(xiàn)象，大大延長(zhǎng)了13?？諌簷C(jī)組的安全運(yùn)行周期。

3.2 解體無(wú)油螺桿空壓機(jī)的一、二級(jí)機(jī)頭，對(duì)各部件重新裝配

（1）增加各級(jí)機(jī)頭軸承中擋圈厚度和調(diào)整墊片厚度。

通過(guò)對(duì)機(jī)組一二級(jí)機(jī)頭中陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的解體檢查，發(fā)現(xiàn)各軸承壓蓋和軸承擋圈均有不同程度的撞擊磨損痕跡，使其壓蓋與外圈端面間隙過(guò)大，造成轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不平衡力的產(chǎn)生，最終通過(guò)機(jī)組主機(jī)振動(dòng)增高表現(xiàn)出來(lái)。而無(wú)油螺桿空壓機(jī)的主機(jī)軸承壓蓋和軸承端面間隙是靠擋圈來(lái)調(diào)整的，所以根據(jù)主機(jī)的磨損程度，要分別在原來(lái)?yè)跞穸鹊幕A(chǔ)上再增加0.06mm～0.08mm不等的調(diào)整墊片，使轉(zhuǎn)子與排氣端支座間隙減小，以保證軸承壓蓋與軸承外圈之間的端面間隙、保證轉(zhuǎn)子與排氣端支座貼和面之間的間隙控制在0.12mm內(nèi)。這里要特別說(shuō)明的是：起軸向定位作用的推力軸承的軸向間隙，在選擇增加擋圈厚度和調(diào)整墊片厚度時(shí)一定要慎重，務(wù)必保證其軸向間隙應(yīng)小于主機(jī)排氣端間隙0.05～0.06mm的軸向游隙，才能確保壓縮機(jī)主機(jī)在起動(dòng)的瞬間不出現(xiàn)軸承卡死。

（2）優(yōu)化同步齒輪嚙合、轉(zhuǎn)子與機(jī)殼排氣端面和陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子嚙合間隙的裝配精度。

①同步齒輪間嚙合間隙的調(diào)整

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的摸索、試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)：將同步齒輪的間隙值調(diào)整的略大些比較好。而通常標(biāo)準(zhǔn)值范圍為0.01mm～0.04mm，檢修后控制在0.06mm 以內(nèi)都可以使用。如果間隙值調(diào)整的偏小，則容易引起缸體發(fā)熱，溫度升高甚至轉(zhuǎn)子抱死等現(xiàn)象。

②轉(zhuǎn)子與機(jī)殼排氣端面間隙的調(diào)整

一般標(biāo)準(zhǔn)的端面間隙值是：一級(jí)機(jī)頭為0.10 mm～0.15mm，二級(jí)機(jī)頭為0.08mm～0.12mm。由于在裝配過(guò)程中，各部件的裝配誤差及鎖緊螺母的受力大小不均等原因，常常導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與缸體的端面間隙值調(diào)整的不是過(guò)大就是偏小。因此，就要考慮加墊幾微米的不銹鋼或銅墊片。如果間隙過(guò)大，其加墊的厚度為查出的最大端面間隙值減去最大的標(biāo)準(zhǔn)值之差數(shù)；如果間隙過(guò)小，就要磨去間隙調(diào)整塊的厚度，其磨削的量為標(biāo)準(zhǔn)值減去所測(cè)得的最小間隙值。

③陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子間嚙合間隙的調(diào)整

陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子間嚙合間隙的調(diào)整，一般是由同步齒輪副齒圈來(lái)調(diào)整，如果在運(yùn)轉(zhuǎn)中或裝配中副齒圈沒(méi)有變動(dòng)，只要把端面間隙調(diào)好、同步齒輪間隙調(diào)好，就可以保證陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的嚙合間隙控制在最佳范圍。

3.3 改進(jìn)電機(jī)尾部的支撐結(jié)構(gòu)，調(diào)整電機(jī)軸與增速齒輪箱主動(dòng)軸的對(duì)中

從上述對(duì)機(jī)組電機(jī)軸和增速齒輪軸的對(duì)中檢測(cè)情況來(lái)看，電機(jī)尾部采用帶減震器的支撐機(jī)構(gòu)支撐，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在一定的缺陷。為此，我們進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)措施：

（1）對(duì)電機(jī)尾部的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。即：增大電機(jī)尾部地腳螺栓孔板，將原來(lái)由4個(gè)地腳螺栓連接的孔板更改為由8個(gè)地腳螺栓連接的孔板，以加大地腳螺栓孔板與地面的緊密貼合；同時(shí)，將原來(lái)靠螺栓連接的電機(jī)尾端豎直連接板與地面地腳螺栓底板的結(jié)構(gòu)改進(jìn)為用一個(gè)帶弧形（與電機(jī)外殼筒體相結(jié)合）的T型豎直連接板支撐結(jié)構(gòu)，以加固電機(jī)尾部豎直支撐板的連接強(qiáng)度，確保電機(jī)尾端的剛性支撐。

（2）調(diào)整電機(jī)軸與增速齒輪箱主動(dòng)軸的對(duì)中。因該機(jī)組電機(jī)和增速齒輪采用臥式水平安裝，聯(lián)軸器找正對(duì)中精度的高低將直接影響到機(jī)組在運(yùn)轉(zhuǎn)中的振動(dòng)、噪音、零部件的磨損及密封、軸承等使用壽命，而聯(lián)軸器找正對(duì)中連接質(zhì)量好壞與檢測(cè)數(shù)據(jù)的取得有著密切的關(guān)系。所以，我們?cè)诓捎秒p百分表法進(jìn)行對(duì)中找正時(shí)，讀取數(shù)據(jù)應(yīng)該在12－6點(diǎn)、3－9點(diǎn)位置找到最高測(cè)點(diǎn)、最低測(cè)點(diǎn)及水平兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，并保持百分表與聯(lián)軸器接觸點(diǎn)保持不變。同時(shí)，根據(jù)機(jī)組一、二級(jí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在5000－9000r/min，聯(lián)軸器對(duì)中的軸向、徑向允許誤差精度應(yīng)嚴(yán)格控制在0.01mm。只有同時(shí)滿足以上條件，才能確保電機(jī)軸與增速齒輪箱主動(dòng)軸對(duì)中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，有許多故障是無(wú)油螺桿空壓機(jī)自身造成的，也有的是因機(jī)組電氣、儀表等調(diào)節(jié)系統(tǒng)的不穩(wěn)定引起，但大部分故障現(xiàn)象卻是通過(guò)空壓機(jī)一、二級(jí)主機(jī)機(jī)頭振動(dòng)增高反映出來(lái)。通過(guò)以上措施的實(shí)施后，不僅使LGW型無(wú)油螺桿空壓機(jī)組振動(dòng)波動(dòng)的躍升幅度明顯減小，單點(diǎn)幅值也控制在≯50μm內(nèi)，單點(diǎn)波動(dòng)周期明顯延長(zhǎng)，整個(gè)主機(jī)的振動(dòng)值變化趨勢(shì)緩和，而且還消除了由于此類空壓機(jī)振動(dòng)增高給整個(gè)壓空系統(tǒng)帶來(lái)的設(shè)備缺陷和安全隱患。目前，我們已將13?？諌簷C(jī)的改進(jìn)措施和機(jī)組解體檢修技術(shù)推廣應(yīng)用到其他4臺(tái)機(jī)組上?，F(xiàn)在，這5臺(tái)無(wú)油螺桿空壓機(jī)組運(yùn)行周期達(dá)到了安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)8000H不停車的實(shí)際效果，使瀕于報(bào)廢的昂貴設(shè)備得以重新運(yùn)行，避免了因此而造成的全廠非計(jì)劃停車，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

［1］無(wú)錫壓縮機(jī)公司·LGW型干螺桿空氣壓縮機(jī)使用說(shuō)明書，2002.