基于質(zhì)量校正的撓性轉(zhuǎn)子強迫振動分析與處理

袁博 雷園 鹿守杭/西安陜鼓動力股份有限公司

溫廣瑞/西安交通大學(xué)

基于質(zhì)量校正的撓性轉(zhuǎn)子強迫振動分析與處理

袁博 雷園 鹿守杭/西安陜鼓動力股份有限公司

溫廣瑞/西安交通大學(xué)

硝酸四合一；工頻；強迫振動；質(zhì)量校正

0 引言

硝酸四合一機組是硝酸生產(chǎn)工藝的核心設(shè)備，是由空氣壓縮機、氧化氮壓縮機、尾氣膨脹機和原動機汽輪機組成。

在某公司的四合一機組冷態(tài)試車過程中，當(dāng)機組升至工作轉(zhuǎn)速時，氧化氮壓縮機各測點的振動值不大，但隨著壓縮機進(jìn)排氣側(cè)溫度的不斷升高，壓縮機排氣側(cè)出現(xiàn)振動值不斷爬升及無法穩(wěn)住的振動故障。通過對機組的試車情況進(jìn)行頻譜分析、現(xiàn)場檢查及安裝情況調(diào)整，診斷分析出引起機組振動不斷爬升的主要因素是強迫振動，并根據(jù)強迫振動的故障機理，在現(xiàn)場采用質(zhì)量校正的技術(shù)對該故障進(jìn)行了處理，效果非常明顯。

1 強迫振動與現(xiàn)場動平衡質(zhì)量校正

振動系統(tǒng)中阻尼總是客觀存在的。如果維持振動的能量是由系統(tǒng)自身運動提供的，那么這種振動就稱為自激振動。旋轉(zhuǎn)機械振動故障從性質(zhì)上可以分為強迫振動和自激振動兩大類。

激振力大和支撐系統(tǒng)剛度不足是引起強迫振動的兩大因素，可以簡單地表示為

式中A為振幅；F為激振力；Kd為動剛度；α為系數(shù)。

強迫振動與激振力成正比，與支撐系統(tǒng)剛度成反比。處理強迫振動故障，無論是哪一種故障，都是從這兩個方面著手[1]。

強迫振動又稱同步振動，是由外界持續(xù)周期性激振力作用而引起的振動。強迫振動從外界不斷地獲得能量來補償阻尼所消耗的能量，使系統(tǒng)始終保持持續(xù)的等幅振動。該振動反過來并不影響擾動力。產(chǎn)生強迫振動的主要原因有轉(zhuǎn)子質(zhì)量的不平衡、聯(lián)軸器不對中、轉(zhuǎn)子的靜摩擦、機械部件松動、轉(zhuǎn)子部件或軸承破損等。強迫振動的特征頻率總是等于擾動力的頻率。例如，由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡而引起的強迫振動，其振動頻率恒等于轉(zhuǎn)速頻率[2]。

現(xiàn)場動平衡的質(zhì)量校正是動平衡的一項重要工作。大多數(shù)轉(zhuǎn)子經(jīng)過平衡測試后，基本上需要進(jìn)行動平衡質(zhì)量校正工作。質(zhì)量校正就是在轉(zhuǎn)子的校正平面上進(jìn)行配重。校正平面是指垂直于轉(zhuǎn)子軸線，在其上通過增加或減少材料調(diào)整轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布的方法校正不平衡的平面，注意不能把校正平面和測量平面混在一起。在轉(zhuǎn)子校正平面上，通過加重或者減重的方法，減少在某一指定位置上預(yù)測出的不平衡，稱之為配重。配重相位是在校正平面上加或者減配重塊的角度位置。注意不能把配重相位和振動相位混在一起。

多平面、多測點影響系數(shù)法即綜合平衡法。軸系綜合平衡法考慮了在軸系中任何轉(zhuǎn)子上加重對軸系中各個測點都會產(chǎn)生影響，即把軸系振動當(dāng)作整體考慮，因此可以說它是一種軸系平衡的通用方法。采用影響系數(shù)法進(jìn)行軸系平衡時，常把主要精力集中在計算方法上，而忽略了軸系平衡中的一些重要因素，如平衡質(zhì)量與振型正交和非正交平衡條件、不平衡軸向位置判斷、試加質(zhì)量大小和方向、平衡過程中異?，F(xiàn)象判斷等[3]。

2 機組信息與故障特征

四合一機組的示意圖如圖1所示，從空間分布看，整套機組是由汽輪機+氧化氮壓縮機+變速箱+空氣壓縮機+尾氣膨脹機組成，各機組之間通過膜片聯(lián)軸器相連接。氧化氮壓縮機在現(xiàn)場布置了四個測振探頭，從汽輪機看氧化氮壓縮機，右側(cè)為X側(cè)，左側(cè)為Y側(cè)。

圖1 四合一機組示意圖

2.1 機組介紹

氧化壓縮機一般采用雙支撐的離心壓縮機，徑向進(jìn)氣和徑向排氣，進(jìn)、出口管道均設(shè)計在機殼下方，管道上未安裝膨脹節(jié)，而是通過“弓”字型管網(wǎng)設(shè)計來吸收管網(wǎng)熱膨脹量的。在年產(chǎn)27萬噸的硝酸裝置中，氧化氮壓縮機的進(jìn)口溫度一般在47℃左右，出口溫度在170℃左右，該套機組的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 氧化氮壓縮機的主要性能參數(shù)

2.2 故障描述

2014年7月12日四合一機組啟機，如圖2所示：

圖2 氧化氮壓縮機振動通頻與工頻趨勢圖（7月12日）

當(dāng)氧化氮壓縮機的轉(zhuǎn)速升至工作轉(zhuǎn)速7 010r/min時，進(jìn)氣側(cè)（VT6202X、VT6202Y）和排氣側(cè)（VT6201X、VT6201Y）振動最大不超過27μm，隨著運行時間的增加，氧化氮排氣側(cè)的振動幅值不斷爬升，當(dāng)轉(zhuǎn)速降至6 600r/min時，振動幅值未出現(xiàn)回落的跡象。當(dāng)氧化氮壓縮機開始增加負(fù)荷，排氣側(cè)溫度的不斷升高（正常運行出口溫度170℃左右），排氣側(cè)兩個測點的振動幅值持續(xù)爬升，無法穩(wěn)住。當(dāng)出口側(cè)溫度達(dá)到160℃左右，排氣側(cè)一個測點的振動幅值最大爬升至70 μm左右，當(dāng)降負(fù)荷運行時（降低出口溫度），該測點的振動幅值爬升至76.2μm時開始回落，氧化氮壓縮機進(jìn)氣側(cè)兩個振動幅值非常小，最大不超過32μm。從工頻趨勢圖上來看，工頻能量突出，相位穩(wěn)定。

氧化氮壓縮機排氣側(cè)兩個測點（VT6201X、VT6201Y）在振動值最大時刻的波形頻譜圖如圖3所示，波形呈規(guī)整的正弦波，排氣側(cè)X的通頻值為74.9μm，工頻分量為70.9μm，2倍頻分量為9.69μm，其它頻率分量非常??；排氣側(cè)Y的通頻值為58.4μm，工頻分量為54.12μm，2倍頻分量為9.55μm，其它頻率分量非常小。

圖3 氧化氮壓縮機排氣側(cè)波形頻譜圖

圖4氧化氮壓縮機停機時的工頻數(shù)據(jù)列表

圖4 為氧化氮壓縮機停機時的工頻數(shù)據(jù)列表，從圖中可以看出氧化氮壓縮機是從6 600r/min開始停機，在降速過程中，達(dá)4 480r/min時，排氣側(cè)X的工頻值最大達(dá)到111μm，該轉(zhuǎn)速為氧化氮壓縮機的實際臨界轉(zhuǎn)速，0.707倍共振幅值所對應(yīng)的兩個轉(zhuǎn)速分別為3 700r/min和6 000r/min，因此判斷轉(zhuǎn)子的實際臨界區(qū)域為大概為3 700r/min～6 000r/min。

3 故障特征

氧化氮壓縮機的振動如下特點：

1）氧化氮壓縮機的轉(zhuǎn)速為7 010r/min，超過轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速4 350r/min，該轉(zhuǎn)子為撓性轉(zhuǎn)子。

2）氧化氮壓縮機剛升至工作轉(zhuǎn)速7 010r/min時，各測點的振動幅值最大不超過27μm，說明氧化氮壓縮機轉(zhuǎn)子的冷態(tài)平衡不存在問題。

3）氧化氮壓縮機的振動能量主要表現(xiàn)在工頻（工作頻率），2倍頻分量較小，振動故障屬于轉(zhuǎn)頻故障。從試車過程來看，振動幅值的大小與機組進(jìn)出口溫度（負(fù)荷）密切相關(guān)，并且隨著進(jìn)出口溫度的升高而不斷增大，當(dāng)出口溫度達(dá)到160℃時，振動幅值最大的已經(jīng)達(dá)到76μm左右，接近跳機值90μm。

4）氧化氮壓縮機的振動幅值大小與轉(zhuǎn)速關(guān)系不大，在未加負(fù)荷的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)速從7 010r/min降至6 600r/min時，各測點的振動幅值還不斷爬升。

5）當(dāng)降負(fù)荷運行時，氧化氮壓縮機進(jìn)出口溫度下降時，氧化氮壓縮機的振動最大值仍然從70μm左右爬升至76μm左右，振動變化滯后溫度的變化。

6）在此次試車之前，對機組的安裝情況進(jìn)行了全面的檢查，軸承安裝符合設(shè)計要求，氧化氮壓縮機的對中偏差稍大，對機殼的熱脹量進(jìn)行打表檢查，發(fā)現(xiàn)機殼向一個方向偏移0.60mm左右。

7）在熱態(tài)下，對轉(zhuǎn)子的端面和外圓進(jìn)行了打表檢查跳動，跳動值最大不超過0.01mm，均在設(shè)計要求范圍之內(nèi)，對比啟停機伯德圖，氧化氮壓縮機各測點的振動幅值在啟機和停機過程中，各轉(zhuǎn)速下的振動幅值基本吻合，表明轉(zhuǎn)子未發(fā)生熱彎曲。

8）氧化氮壓縮機在升速過程中，由于受到升速率快的影響，振動數(shù)據(jù)在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)的表現(xiàn)不明顯。但在停機過程中，表現(xiàn)非常明顯，并且臨界區(qū)域較寬,表明轉(zhuǎn)子受到的阻尼力是非常大的。

根據(jù)上述特征，可以判定引起氧化氮壓縮機的振動不斷爬升的主要因素是強迫振動。在試車的過程中，氧化氮壓縮機轉(zhuǎn)子受到外界持續(xù)的交變激振力的影響，工頻幅值不斷爬升，外界持續(xù)的交變激振力與排氣側(cè)溫度密切相關(guān)，成正比關(guān)系。轉(zhuǎn)子受到自激振力的影響相對較小，外界交變激振力與自激振力共同組成了該套氧化氮壓縮機轉(zhuǎn)子的合成激振力，該合成激振力的頻率與轉(zhuǎn)子的頻率一致，并且該合成激振力對轉(zhuǎn)子的振動影響相位是穩(wěn)定的。

4 故障處理

氧化氮壓縮機進(jìn)氣側(cè)的振動幅值非常小，并且隨著出口溫度的升高而變化不大，排氣側(cè)的振動幅值隨著出口溫度的升高而爬升明顯。另外，考慮到氧化氮壓縮機與汽輪機之間是通過膜片聯(lián)軸器連接的，因此，在現(xiàn)場的實際操作中，使用了單面撓性轉(zhuǎn)子的現(xiàn)場動平衡質(zhì)量校正的方案。通過不平衡質(zhì)量估算，在氧化氮壓縮機排氣側(cè)聯(lián)軸器加重15g的墊片，滯后角選取130°，經(jīng)過現(xiàn)場一次配重后，7月13日啟機，機組在90％負(fù)荷下運行36h后，如圖3所示，氧化氮壓縮機排氣側(cè)的振動通頻值最大不超過54μm，并且趨勢非常平穩(wěn)。

5 結(jié)論

在目前大型工業(yè)旋轉(zhuǎn)機械故障中，因不同故障性質(zhì)的轉(zhuǎn)頻故障通常擁有完全相同的振動響應(yīng)頻譜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，振動響應(yīng)同質(zhì)化、簡單的頻譜結(jié)構(gòu)使得故障分析缺乏有效的故障差異化信息、對故障機理的認(rèn)識不清及分析手段不足等問題使得現(xiàn)有故障診斷方法難以準(zhǔn)確的故障溯源定位和定性識別[4]。針對此情況，本文結(jié)論如下：

1）轉(zhuǎn)頻類故障的診斷和分析，除了需要有先進(jìn)的故障診斷技術(shù)，還需要結(jié)合現(xiàn)場的實際工藝量參數(shù)的變化情況和現(xiàn)場檢查情況等綜合診斷分析，綜合判斷，才能更為準(zhǔn)確的診斷出工頻故障的故障機理和根源，消除故障。

2）非線性故障，比如轉(zhuǎn)子零部件松動、徑向支撐軸承剛度不足及動靜部件碰磨等而引起的工頻類故障，是無法通過現(xiàn)場動平衡質(zhì)量校正處理的。但某些非線性轉(zhuǎn)頻類故障，是可以通過現(xiàn)場動平衡校正技術(shù)處理的，比如不對中、基礎(chǔ)沉降和管道應(yīng)變等因素引起的正常性強迫振動。

3）在撓性轉(zhuǎn)子的現(xiàn)場質(zhì)量校正的實際操作中，除了需要考慮轉(zhuǎn)子的滯后角，還需考慮整個軸系的其它振動測點的響應(yīng)程度，不能因外加了質(zhì)量而誘發(fā)其它測點的振動幅值增大。

[1]楊建剛.旋轉(zhuǎn)機械振動分析與工程應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]楊國安.旋轉(zhuǎn)機械故障診斷實用技術(shù)[M].北京：中國石化出版社，2013.

[3]楊國安.轉(zhuǎn)子動平衡實用技術(shù)[M].北京：中國石化出版社，2012.

[4]廖與禾.大型旋轉(zhuǎn)機組轉(zhuǎn)頻故障診斷及失衡故障現(xiàn)場規(guī)范化處理技術(shù)[R].西安：西安交通大學(xué)，西安陜鼓動力股份有限公司，2014.

表1 硫化氫壓縮機運行參數(shù)表

原設(shè)計壓縮機實際運行參數(shù)見表2，原壓縮機實際運行功率約480kW。

表2 硫化氫壓縮機運行參數(shù)表

參考文獻(xiàn)

［1］黃鐘岳，王曉放.透平式壓縮機[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［2］金光熹.壓縮機制造工藝學(xué)[M].機械工業(yè)出版社；1986.

［3］西安交通大學(xué)透平壓縮機教研室；離心式壓縮機原理[M].北京，機械工業(yè)出版社，2000.

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針對某硝酸四合一機組在冷態(tài)啟機過程中存在的工作轉(zhuǎn)速下氧化氮壓縮機排氣側(cè)兩個測點振動不斷爬升導(dǎo)致機組失穩(wěn)問題，通過采用歷史振動圖譜和現(xiàn)場測試方法，分析可知機組振動幅值與機殼溫度密切相關(guān)，屬于強迫振動引起的機組異常振動?；谏鲜?，本文采用一次現(xiàn)場動平衡質(zhì)量校正技術(shù)，減小強迫振動引起的機組異常振動，最終將該氧化氮壓縮機振幅控制在54μm以下，滿足機組正常穩(wěn)定運行。

Analysis and Processing of Flexible Rotor Forced Vibration Based on Mass Correction

Yuan Bo Lei Yuan Lu Shouhang/Xi'an Shaangu Power Co.,Ltd.
Wen Guangrui/Xi'an Jiaotong University

nitric acid four in one; working frequency;forced vibration;mass correction

TH453；TK05

A

1006-8155（2015）06-0081-05

10.16492/j.fjjs.2015.06.14129

2014-09-11西安710000

Abstract:In the Process of nitric acid four inonesetincoldstartstate,the continuously increased vibration of two exhaust side of the NO compressor outlet leaded to the instability of the unit under the working rotation.According to the historical vibration spectrum and the field test,thevibrationamplitudeandthe temperature of the casing were closely related,belonging to the forced vibration. Sothefieldbalancingcorrection technology was applied,which can reduce theabnormalvibrationcausedbythe forcedvibration,atlastthemaximum vibration was controlled less than 54um and the unit could work steady.