壓縮機滑動軸承常見振動故障分析及處理

薄磊等

【摘 要】壓縮機由于其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的復(fù)雜性，支承條件的特殊性和存在多種非線性因素影響，因而在工作中經(jīng)常會出現(xiàn)各種故障，故障往往通過軸承振動的形式表現(xiàn)出來。影響軸承振動的因素很多，本文僅從軸承安裝的角度闡述了常見的因安裝不當(dāng)引起振動的軸承故障類型，并給出了故障的解決方法。在滑動軸承的使用過程中，從選型設(shè)計、制造裝配到檢修維護，必須嚴(yán)格把關(guān)，使各項參數(shù)達到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不能對任何環(huán)節(jié)有所疏漏。

【關(guān)鍵詞】壓縮機；滑動軸承；故障診斷；振動

一、滑動軸承振動故障原因分析

一般情況下，在滑動軸承的設(shè)計、制造以及安裝過程中，已經(jīng)充分考慮了如何減少振動，避免共振以及加強油膜動力穩(wěn)定性等問題，所以在正常工作狀態(tài)下，滑動軸承的振動量級被限制在一個較低的水平。如果軸承的振動一旦超過這個水平，將預(yù)示它已產(chǎn)生某種故障?；瑒虞S承的振動按照機理可以分為強迫振動和自激振動。強迫振動主要是軸系上組件不平衡，聯(lián)軸器不對中，安裝不良等原因所致，其振動頻率為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率或者是它的倍頻。其振動幅值在臨界轉(zhuǎn)速前，隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，超過臨界轉(zhuǎn)速，則隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小，振動的最大值出現(xiàn)在臨界轉(zhuǎn)速上。自激振動往往在某個轉(zhuǎn)速下突然發(fā)生，主要是油膜渦動和油膜振動，其振動頻率一般情況下大約為旋轉(zhuǎn)頻率的0.35～0.48之間，具有極大的危害，產(chǎn)生自激振動的原因主要有：1）設(shè)計制造不合適。軸承穩(wěn)定性主要決定于軸承的設(shè)計制造和結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計參數(shù)不合理，制造不符合技術(shù)要求，沒有采用可傾軸瓦、多油楔瓦等抗振性能好的結(jié)構(gòu)等，導(dǎo)致軸頸在工作中受到的油膜渦動力大，造成穩(wěn)定性差；2）安裝維護不當(dāng)。安裝和維修中，軸承間隙不符合技術(shù)要求，軸瓦參數(shù)不當(dāng)，軸承殼體配合過盈不足，軸承的偏心率較小，都會引起穩(wěn)定性降低；3）操作運行不當(dāng)。機組運行過程中，如果油溫或油壓不當(dāng)，潤滑不良時，潤滑油粘度和最小油膜厚度將變化，引起軸承的工作點、油膜剛度、阻尼系數(shù)等發(fā)生變化。一般情況下，未發(fā)生油膜振蕩時，油溫高粘度小，軸承不易產(chǎn)生油膜振蕩；4）狀態(tài)惡化。包括軸承磨損、疲勞損壞、腐蝕、氣蝕等因素。

二、壓縮機滑動軸承振動故障實例

1、軸承箱連接松動。軸承箱連接松動多見于軸承箱與底座或機殼采用分體結(jié)構(gòu)的機組上，本案例機組為制硝酸流程中的NO x離心壓縮機，額定工作轉(zhuǎn)速6 400r/min，軸承為可傾瓦結(jié)構(gòu)。停機檢修前機組運行正常，各測點振動值穩(wěn)定在30μm以內(nèi)。檢修過程中，只是復(fù)查了軸承安裝與對中找正，并揭蓋清理了轉(zhuǎn)子表面的銨鹽積垢。檢修完后，機組在啟機階段振動就偏大，隨著升速振動不斷加大，直至振動報警見下圖。

由機組的相關(guān)譜圖可見（見下圖），NOx壓縮機排氣側(cè)兩測點均出現(xiàn)了明顯的拍振波形，進一步頻譜分析表明，排氣側(cè)兩測點譜圖上除工頻成分外，1.2倍頻分量也很突出，這兩個相鄰頻率成分相互干擾，形成強烈拍振。研究拍振形成機理并結(jié)合檢修過程，我們將故障源定位在了軸承安裝上，事后的現(xiàn)場檢查也驗證了我們的推論。

原來NOx壓縮機軸承箱與壓縮機機殼為立分面接觸，二者之間通過10個螺栓緊固連接。工人師傅們檢修完軸承箱回裝時，由于疏忽大意，10個螺栓中有3個并沒有擰緊，軸承箱實際上“掛”在機殼立分面上，這就導(dǎo)致軸承箱的剛性不足而引起機組振動。

2、軸承下瓦接觸不充分

軸承下瓦通過與軸承襯套的充分接觸產(chǎn)生的摩擦力及軸瓦兩側(cè)的緊力固定在軸承箱內(nèi)，一旦接觸不充分，就會導(dǎo)致軸承下瓦松動，從而引起機組振動。

本案例中機組為空分流程上的離心空壓機，額定工作轉(zhuǎn)速7540r/min，軸承為可傾瓦結(jié)構(gòu)。機組2013年1月安裝完畢后投產(chǎn)，投運初期排氣側(cè)振動情況良好，兩測點振動值均不到20μm，但卻有輕微上漲的趨勢，隨后的三個月內(nèi)，振動不斷增加，直至4月底機組因振動過大連鎖停機，見下圖。

查看機組變大階段的相關(guān)譜圖發(fā)現(xiàn)（見下圖），空壓機排氣側(cè)振動成分主要集中在工頻上，再結(jié)合相位前后變化不明顯的信息及軸心軌跡形態(tài)（見下圖），排除了轉(zhuǎn)子不平衡的因素，將重點集中在軸承安裝上。

事后的檢修過程中發(fā)現(xiàn)，空壓機振動原因主要是因為軸承下瓦與軸承襯套接觸不充分，通過在下瓦背涂上紅丹粉檢測顯示，實際有效接觸面積不足60%。

隨后現(xiàn)場工作人員將軸承下瓦與軸承襯套間的接觸高點用刮刀逐一修刮，直至二者之間的接觸面積達到85%以上。經(jīng)過上述整改后，機組后來一次開車成功，排氣側(cè)振動值迅速回落到20μm以內(nèi)，截至發(fā)稿前運行狀態(tài)仍然非常好。

綜上所述，我們不難看出，軸承下瓦與軸承襯套接觸不充分發(fā)生在機組投產(chǎn)前，這就導(dǎo)致二者之間的摩擦力不足。

機組投運后，軸承下瓦受到來自轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的沖擊力，久而久之，當(dāng)沖擊力超過摩擦力時，軸承下瓦與軸承襯套會發(fā)生相對位移，繼而引起機組振動。需要注意的是，在安裝軸承下瓦時，下瓦兩側(cè)的過盈量應(yīng)取小一些，過大的過盈量不利于軸承下瓦完全落下去與軸承襯套充分接觸。

3、軸瓦間隙超差

由于設(shè)計不當(dāng)、加工誤差、運行過程中的磨損等因素，滑動軸承的瓦間隙往往容易超差，尤以瓦間隙偏大常見，下面結(jié)合一個具體案例介紹瓦間隙超差引起的機組振動。機組為制硝酸流程中的軸流壓縮機，額定工作轉(zhuǎn)速8000r/min，軸承為橢圓瓦結(jié)構(gòu)。該機組在升速到工作轉(zhuǎn)速初期就出現(xiàn)了間歇性振動突變，運行一天后振動開始上漲，同時振動波動現(xiàn)象更加頻繁，波動幅度近20μm。在分析機組的波形頻譜、軸心軌跡等特征圖形（見下圖）后發(fā)現(xiàn)，引起機組出現(xiàn)振動波動的成分為0.34倍頻，該成分在振動幅值上已經(jīng)超過工頻幅值，這是一起典型的低頻自激振動故障，符合此類振動特征的故障有氣流擾動和軸承工作不良兩種可能。由于氣流擾動現(xiàn)象對機組工藝負(fù)荷變化比較敏感，現(xiàn)場工作人員通過改變靜葉角度調(diào)節(jié)軸流壓縮機的負(fù)荷，但調(diào)整前后振動變化并不明顯。而在降低機組軸承進油溫度的過程中，壓縮機排氣側(cè)兩測點振動值均出現(xiàn)了下降，這顯然與軸承工作不良的故障特征一致，由此我們將機組故障原因鎖定在軸承上。

隨后的停機檢查完全驗證了我們的結(jié)論，該軸承軸瓦頂間隙嚴(yán)重超差，實測0.32mm，遠大于0.18～0.23mm的設(shè)計值，機組振動故障實際上是由于瓦間隙過大而引起的油膜渦動（油膜振蕩）。由于現(xiàn)場沒有備瓦，只能對舊瓦進行修復(fù)，修復(fù)工作包括兩方面：1）磨削原軸承上瓦中分面，使軸瓦頂間隙降低到設(shè)計要求；2）縮小巴氏合金寬度，在車床上加工出一條寬20mm，深1mm的環(huán)形槽（見下圖），增加軸承的比壓，提高軸承的穩(wěn)定性。軸承修復(fù)后再次開機，達到額定工作狀態(tài)后，排氣側(cè)振動值均不超過17μm，振動突變和不穩(wěn)定現(xiàn)象消失，運行狀態(tài)非常平穩(wěn)。

結(jié)束語

滑動軸承是壓縮機上的關(guān)鍵部件，它的運行狀態(tài)直接影響著壓縮機的運行效果，因此非常有必要加強對滑動軸承的日常監(jiān)測工作。

監(jiān)測工作最好采用在線狀態(tài)監(jiān)測模式，它能實時監(jiān)測到滑動軸承的運行特性，在故障早期發(fā)現(xiàn)軸承振動故障，并將各種故障因素消滅在萌芽期，使故障率降到最低，從而保證生產(chǎn)正常高效進行。

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