離心壓縮機(jī)振動故障及應(yīng)對措施探討

鄭向一　王俊

【摘 要】本文通過離心式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理、離心式壓縮機(jī)故障及原因分析以及故障處理措施與效果進(jìn)行簡要分析。

【關(guān)鍵詞】離心；壓縮機(jī)；振動故障；應(yīng)對；措施；探討

一、離心式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

離心式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

C3000MX3離心式空氣壓縮機(jī)，是一臺由電機(jī)驅(qū)動，單級吸氣，單級排氣的三級壓縮的離心式空氣壓縮機(jī)。電機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)與壓縮機(jī)增速箱輸入軸相連，再通過齒輪增速箱大齒輪帶動周邊3個(gè)小齒輪輸出軸，其中一級轉(zhuǎn)速：18000r/min，二級轉(zhuǎn)速：25000r/min，三級轉(zhuǎn)速：34800r/min。三根軸的后端均為徑向止推軸承及五瓣瓦式自動調(diào)心滑動軸承，前端為五瓣瓦式自動調(diào)心滑動軸承。軸封為浮環(huán)式密封。同步電機(jī)功率為：2145kW，轉(zhuǎn)速為：1500r/min。

當(dāng)被壓縮的氣體通過安裝在機(jī)組上的進(jìn)氣裝置進(jìn)入壓縮機(jī)一級壓縮，葉輪給氣體加速，氣體進(jìn)入擴(kuò)壓器，并將部分速度能轉(zhuǎn)化為壓力能。

機(jī)組的中間冷卻器將壓縮過程中產(chǎn)生的熱量帶走，從而提高壓縮效率。

氣體在運(yùn)動的低速區(qū)通過不銹鋼水氣分離器，除去其中冷凝水，當(dāng)氣體被強(qiáng)制通過不銹鋼分離器后，氣體所帶的水分降低了。這樣的過程不斷連續(xù)重復(fù)，直到壓縮機(jī)達(dá)到了所要求的工作壓力。

二、離心式壓縮機(jī)故障及原因分析

1、故障描述

2012年4月以來，機(jī)組總是因三級轉(zhuǎn)子振動值超標(biāo)聯(lián)鎖停車，在進(jìn)行動平衡和清灰除垢處理后，運(yùn)行周期最長6個(gè)月，最短1個(gè)月。2013年8月15日，對機(jī)組進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)如下情況：機(jī)組第一級轉(zhuǎn)子與擴(kuò)壓器均有劃痕，且機(jī)組的第一、二、三級葉輪積碳嚴(yán)重，須表面清洗，如圖2所示。

轉(zhuǎn)子在拆卸過程中，第三級葉輪螺栓由于原始安裝時(shí)造成的螺紋損傷，以至解體后發(fā)現(xiàn)第三級轉(zhuǎn)子軸中的內(nèi)螺紋和葉輪固定螺栓螺紋頭部均呈現(xiàn)咬合損傷。第三級轉(zhuǎn)子后部止推軸瓦有明顯的磨損痕跡，如圖3所示。

2、故障分析

通過對一、二、三級轉(zhuǎn)子頻譜采集，確認(rèn)是第三級振動引發(fā)連鎖停車，第三級頻譜圖如4所示。

經(jīng)過對試車時(shí)采集的第三級轉(zhuǎn)子振動頻譜分析，顯示最大峰值在一倍頻，從而確定為第三級轉(zhuǎn)子振動值超標(biāo)。

從圖4的頻譜圖可以看出其振動主要發(fā)生在工頻，575×60=34500。

振動連鎖停車的原因分析與主要原因確定（1）機(jī)組軸對中不良，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動超標(biāo)。頻譜顯示僅僅第三級振動異常，且二倍頻幅值不高，可排除機(jī)組找正的原因。

（2）第三級轉(zhuǎn)子止推瓦磨損，導(dǎo)致振動超標(biāo)。解體檢查的軸承磨損并不嚴(yán)重（深度<1μm），可排除軸承故障。

（3）轉(zhuǎn)子彎曲導(dǎo)致動不平衡。用千分表測量轉(zhuǎn)子彎曲度，轉(zhuǎn)子沒有發(fā)現(xiàn)彎曲，可以排除。

（4）由轉(zhuǎn)子裝配質(zhì)量原因引起振動異常。做完動平衡的第三級轉(zhuǎn)子是葉輪、軸、推力盤組裝在一起的，每個(gè)零件相對位置都打上記號。由于該機(jī)組為垂直剖分，轉(zhuǎn)子現(xiàn)場回裝須解體，并要嚴(yán)格按照原記號安裝，否則會破壞轉(zhuǎn)子動平衡，而且此振動在運(yùn)行之初便會產(chǎn)生，所以可以排除。

（5）軸與葉輪配合失效導(dǎo)致動不平衡。葉輪與主軸裝配時(shí)，是三段圓弧孔并帶有一定的錐度配合，然后依靠葉輪鎖緊螺栓壓緊葉輪，從而提供一定的壓應(yīng)力。在壓應(yīng)力作用下，整套轉(zhuǎn)子在運(yùn)行時(shí)會處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)。

葉輪與主軸的裝配精度檢查的結(jié)果發(fā)現(xiàn)組裝件中，轉(zhuǎn)子軸磨損，螺紋損傷，接觸面積僅有20%左右，而轉(zhuǎn)子軸與葉輪接觸面積應(yīng)大于80%。所以，葉輪與主軸配合接觸面積小，葉輪與主軸的配合在高速旋轉(zhuǎn)下，產(chǎn)生了不穩(wěn)定狀態(tài)，形成高速動平衡失效，屬于典型的轉(zhuǎn)子動不平衡，是引起機(jī)組振動的主要原因。

高速動不平衡形成的原因分析（1）靜態(tài)模型。靜態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)動軸與葉輪的受力情況，如圖5。

轉(zhuǎn)子處于靜態(tài)時(shí)，從圖5中可以看出，葉輪依靠鎖緊螺栓與轉(zhuǎn)動軸聯(lián)接在一起，此時(shí)依靠螺栓的預(yù)緊力Fz克服因過盈而產(chǎn)生的壓應(yīng)力，將葉輪與轉(zhuǎn)動軸連接在一起。

軸內(nèi)孔受正壓力FJ2產(chǎn)生彈性變形，螺栓產(chǎn)生的軸向力與壓應(yīng)力FJ1的軸向分力保持平衡，因螺栓軸向力而產(chǎn)生的垂直于內(nèi)孔錐面的壓應(yīng)力造成葉輪三角圓弧錐體段的彈性變形。這時(shí)葉輪與主軸的配合為過盈配合，其裝配模型如圖6所示。

（2）動平衡試驗(yàn)時(shí)模型。

當(dāng)轉(zhuǎn)子處于動平衡轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子周向產(chǎn)生一定的離心力FL2，在離心力的作用下，軸內(nèi)孔在徑向產(chǎn)生一定的變形量，其變形趨勢如圖7所示。

葉輪受力（僅分析與軸配合的部分）在離心力FL1的作用下，葉輪在徑向產(chǎn)生一定的變形量，其變形趨勢如圖8所示。

葉輪三角圓弧錐體段與轉(zhuǎn)動軸內(nèi)孔同時(shí)受離心力的作用，對于轉(zhuǎn)動軸的內(nèi)孔而言，其變形量在軸向上。

對葉輪而言，由于葉輪三段圓弧錐體段靠近葉輪一側(cè)受到比較大的離心力，因此葉輪三段圓弧錐體段的變形量不是均布的。

動平衡試驗(yàn)時(shí)由于轉(zhuǎn)速為2400r/min，離心力不足以克服壓應(yīng)力所造成的過盈，因此葉輪與轉(zhuǎn)動軸的配合依然存在一定的過盈量，但是過盈量已經(jīng)沒有靜態(tài)時(shí)的過盈量大，動平衡試驗(yàn)時(shí)葉輪與轉(zhuǎn)動軸的裝配模型如圖9所示。

此時(shí)在動平衡試驗(yàn)轉(zhuǎn)速下，該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)仍然保持穩(wěn)定，動平衡試驗(yàn)結(jié)果為合格。

（3）試機(jī)時(shí)模型。

當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，離心力帶來葉輪、轉(zhuǎn)子軸的變形大于這一壓緊力所能提供的過盈量，從而導(dǎo)致了軸和葉輪裝配部位出現(xiàn)部分不接觸，接觸面積偏少，葉輪發(fā)生偏擺，直接體現(xiàn)動平衡失效，振動值超標(biāo)機(jī)組停車。如圖10所示。

3、轉(zhuǎn)子運(yùn)行不良造成壓縮機(jī)振動故障。

在壓縮機(jī)安裝、檢修過程中因裝配誤差、材料缺陷等問題造成離心式壓縮機(jī)振動值升高以至于超過上限值，是引起機(jī)組振動故障最為常見的原因，主要體現(xiàn)為轉(zhuǎn)子動平衡不良和轉(zhuǎn)子對中不良兩大故障。

轉(zhuǎn)子動平衡不良加劇機(jī)組振動。離心式壓縮機(jī)作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，其轉(zhuǎn)子無可避免地要受到加工技術(shù)、裝配誤差及材料質(zhì)量不均勻等因素的影響。

因而任何一個(gè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的轉(zhuǎn)子都無法實(shí)現(xiàn)絕對平衡，即便轉(zhuǎn)子質(zhì)量中心與旋轉(zhuǎn)中心線間的偏心距在可允許范圍內(nèi)，仍然會使用軸承因周期性離心力的干擾產(chǎn)生振動。

不僅如此，在壓縮機(jī)連續(xù)長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，轉(zhuǎn)子不平衡會造成處理介質(zhì)中的粉塵顆粒在轉(zhuǎn)子上不均勻結(jié)垢，使原有不平衡問題進(jìn)一步惡化。

同時(shí)長期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不僅處理氣體中的雜質(zhì)會對葉輪造成物理磨損，而且處理氣體中的化學(xué)物質(zhì)還會對葉輪造成化學(xué)腐蝕，致使葉片強(qiáng)度降低，而葉輪損壞后剝落的異物可能卡塞葉輪流道，進(jìn)而產(chǎn)生葉輪動平衡不良，最終使轉(zhuǎn)子動平衡不良問題進(jìn)一步惡化，使離心壓縮機(jī)組振動隨之增大。轉(zhuǎn)子對中不良加劇機(jī)組振動。

造成轉(zhuǎn)子對中不良的主要原因包括如下三方面：

一是由于裝置設(shè)計(jì)建造時(shí)熱膨脹計(jì)算誤差較大從而導(dǎo)致壓縮機(jī)運(yùn)行劇烈振動，進(jìn)而造成轉(zhuǎn)子不對中；

二是壓縮機(jī)安裝和日后檢修時(shí)對中精度不高，導(dǎo)致壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)振動過高和機(jī)組基礎(chǔ)沉降不均勻；

三是導(dǎo)向系統(tǒng)未鎖緊導(dǎo)致承載后變形。這三方面因素導(dǎo)致離心式壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中引發(fā)各缸軸線之間對中不良的問題，進(jìn)而加大機(jī)組各缸體軸向和徑向的交變力，致使機(jī)組軸向和徑向振值隨之升高，同時(shí)振動升高又會逐漸加重轉(zhuǎn)子不對中的問題，最終造成壓縮機(jī)組振動過大和不對中問題同步加重，引發(fā)停機(jī)故障。

三、故障處理措施與效果

1、對損壞的第三級轉(zhuǎn)子軸進(jìn)行修復(fù)，通過使用絲錐對轉(zhuǎn)子軸損壞螺紋進(jìn)行修復(fù)；

2、對葉輪進(jìn)行噴砂處理，清除葉輪表面積碳，提高配合精度；

3、對第三級轉(zhuǎn)子軸與葉輪修復(fù)后，進(jìn)行動平衡校驗(yàn)，后回裝開機(jī)，對第三級轉(zhuǎn)子進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，頻譜圖如圖11所示；

4、通過頻譜圖可看出，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均符合該機(jī)運(yùn)行正常范圍，到現(xiàn)在設(shè)備已運(yùn)行了12個(gè)月的時(shí)間，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好。

結(jié)束語

動平衡對高速轉(zhuǎn)子來說起著至關(guān)重要的作用，是壓縮機(jī)組能否安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

通過對苯酚丙酮車間PC-1A空氣壓機(jī)轉(zhuǎn)子頻繁出現(xiàn)動值超標(biāo)聯(lián)鎖停機(jī)故障進(jìn)行系統(tǒng)分析，并在綜合分析故障產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)之上采取有效的處理措施，改造后，壓縮機(jī)組實(shí)現(xiàn)了長周期運(yùn)行，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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