無油潤滑空氣壓縮機故障分析及處理

劉 鵑，何 忠

（1.廣西科技大學鹿山學院，廣西 柳州 545000；2.柳州市城中區(qū)工商業(yè)聯(lián)合會 廣西 柳州545001）

0 引言

某公司生產的LW-42/8型無油潤滑空氣壓縮機具有運轉可靠、節(jié)能的特點。為了達到節(jié)能的目的，這一系列壓縮機采用部分頂開吸氣閥來調節(jié)氣量，負荷控制邏輯次序是先同時頂開一二級軸側吸氣閥，再頂開一二級蓋側吸氣閥，實現(xiàn)0%、50%、100%的氣量調節(jié)[1]。但在氣量調節(jié)時主電機電流會產生波動，特別是在50%負荷時，主電機超電流跳閘。為使機組正常運行，不得不放棄了50%氣量調節(jié)。本文從機組結構以及動力計算等方面進行分析，確定故障原因，尋求解決方案。

1 原因分析

1.1 結構

LW-40/8型無油潤滑空氣壓縮機型式為L型、二級壓縮、往復活塞式、氣缸無油潤滑，電機為14極異步電機，額定功率250 kW，轉速422 r/min，電壓380 V，主機與電機剛性直聯(lián)，壓縮機結構如圖1所示。

圖1 壓縮機結構示意圖

氣體簡易流程為：空氣→進氣消聲器→一級氣缸→中間冷卻器→二級氣缸→后冷卻器→儲氣罐→管網，如圖2所示。

圖2 氣體簡易流程圖

氣量調節(jié)系統(tǒng)圖如圖3所示，氣量調節(jié)過程如下：當系統(tǒng)壓力大于1.05倍排氣壓力時，軸側電磁閥通電打開，一二級軸側吸氣閥停止進氣，此時為50%氣量調節(jié)；假如系統(tǒng)壓力繼續(xù)上升，大于1.1倍排氣壓力時，蓋側電磁閥通電打開，頂開一二級蓋側吸氣閥，停止進氣，此時為100%氣量調節(jié)；同樣地，當系統(tǒng)壓力小于0.95倍排氣壓力時，軸側電磁閥通電關閉，一二級軸側吸氣閥打開，持續(xù)進氣，此時為50%氣量調節(jié)；假如系統(tǒng)壓力繼續(xù)下降，小于0.9倍排氣壓力時，蓋側電磁閥通電關閉，一二級蓋側吸氣閥打開，持續(xù)進氣，此時為100%氣量調節(jié)。系統(tǒng)就是在0.9～1.1倍排氣壓力的狀態(tài)下循環(huán)，保持節(jié)能運行。

圖3 氣量調節(jié)系統(tǒng)圖

1.2 動力計算及確定飛輪矩

飛輪是在旋轉運動中用于儲存旋轉動能的一種機械裝置，是一個沿著固定軸旋轉的輪子或圓盤，飛輪矩就是所儲存的旋轉動能。飛輪傾向于抵抗轉速的改變，當動力源對旋轉軸作用有一個變動的力矩時，或是應用在間歇性負載時，飛輪可以減小轉速的波動，使旋轉運動更加平順。

經動力計算[1]，機組要求飛輪矩GD2≥ 440 kg·m2（旋轉不均勻度δ約為1/100），壓縮機機組的飛輪矩由電機飛輪矩與主機飛輪矩兩部分組成，電機廠提供的配套電機的轉動慣量為J≈50 kg·m2，則主電機飛輪矩GD2=4J≈200 kg·m2，由于聯(lián)軸器的直徑較?。ㄖ睆郊s為φ300），因此壓縮機飛輪矩可忽略不計，實際飛輪矩只有200 kg·m2，比機組要求的440 kg·m2少了 240 kg·m2。

1.3 故障原因

壓縮機若以電動機驅動，壓縮機的切向力圖即表示作用在電動機軸上的旋轉阻力矩的變化，氣量調節(jié)時壓縮機會產生振動，由于氣量突然變化，電機由勻速運行突然提速或降速，破壞了平穩(wěn)運行的狀態(tài)，速度變化使電流產生波動甚至超負荷（如速度變化太大），在50%氣量調節(jié)時，轉速瞬時變化最大，因此50%氣量調節(jié)時電流最大。而飛輪作為一個儲能的裝置，在速度變化時釋放能量，起到了緩沖速度變化、保持機組平穩(wěn)的作用。機組的飛輪矩不夠，則旋轉阻力矩變化過大，會引起電動機中的電流波動和供電網中的電壓波動[1]，從而破壞了電網和電動機的正常運行。

經分析認為，造成壓縮機氣量調節(jié)時主電機電流產生波動甚至超負荷跳閘故障的主要原因是機組的飛輪矩不夠。壓縮機機組的飛輪矩由電機飛輪矩與主機飛輪矩兩部分組成，本機中主電機的飛輪矩僅為200 kg·m2，而壓縮機的飛輪矩又很小，整個機組的實際飛輪矩遠達不到預期要求的440 kg·m2。

往復壓縮機飛輪矩與轉速及旋轉不均勻度的關系為

一方面，飛輪矩與轉速n的平方成反比，由于壓縮機轉速較低(422 r/min)，轉速低，對飛輪矩要求就大。另一方面，飛輪矩與轉子旋轉不均勻度δ成反比，傳動方式為剛性聯(lián)軸器或懸臂電機時允許的旋轉不均勻度δ≤1/100。飛輪矩不夠造成機器的旋轉不均勻度δ增大(經計算旋轉不均勻度δ約為1/45)，在運動部件上產生的附加動載荷，引起電機電流脈動。

而半負荷工況（50%氣量調節(jié)）時轉速瞬時變化最大，需要的能量最大，對壓縮機機組的飛輪矩要求最高，因此在半負荷調節(jié)時會出現(xiàn)主電機超電流跳閘。

2 解決辦法

根據(jù)以上分析計算，機組飛輪矩不夠，是造成壓縮機氣量調節(jié)時主電機電流產生波動故障的主要原因。解決故障最簡單的辦法是通過修改負荷控制邏輯將一、二級頂開吸氣閥的次序改為一、二級同時頂開一個軸側和一個蓋側，經過試驗，速度變化較同時頂開一、二級軸側吸氣閥小，飛輪矩較原設計減少，50%氣量調節(jié)時電機不超負荷，但電機電流波動還是很大[2]。因此，要從根本上解決壓縮機氣量調節(jié)時主電機電流產生波動的問題，必須增加壓縮機的飛輪矩。下面結合工程實際提供三種處理方案。

（1）方案一：設計新飛輪

本機為剛性直聯(lián)，原聯(lián)軸器的飛輪矩很小，可忽略不計，而機組現(xiàn)缺少的飛輪矩為240 kg·m2，為滿足機組所需飛輪矩，現(xiàn)設計大飛輪作為新聯(lián)軸器（外圓直徑約為φ900），使新聯(lián)軸器的飛輪矩滿足機組所缺少的飛輪矩240 kg·m2。如圖4所示。此方案可作為出廠機型的改造方案。

圖4 設計大飛輪作為聯(lián)軸器

工程上應用如圖5所示。

圖5 設計大飛輪作為聯(lián)軸器的機型

（2）方案二：使用同步電機

如圖6所示，該公司該系列壓縮機的另一機型，采用14極同步電機驅動LW-42/8型無油潤滑空氣壓縮機，連接方式為轉子懸掛。同樣也進行氣量調節(jié)，但沒有出現(xiàn)此問題，按電機廠提供的數(shù)據(jù)，所用同步電機飛輪矩為400 kg·m2，基本滿足機組所需飛輪矩。此方案的缺點是相對異步電機來說，同步電機價格較高。目前已較少采用。

圖6 同步電機驅動壓縮機示意圖

（3）方案三：更換電機，采用皮帶傳動

如圖7所示，改用6極異步電機，額定功率250 kW，轉速985 r/min，電壓380 V，主機與電機通過皮帶傳動聯(lián)接。皮帶傳動時允許的旋轉不均勻度δ為1/30 ～ 1/40，則機組要求飛輪矩 GD2≥ 200 kg·m2。

首先是按所需的飛輪矩（GD2≥ 200 kg·m2）進行大皮帶輪的初步設計，大皮帶輪兼做飛輪，選取盡可能大的皮帶輪直徑（外圓直徑約為φ900），保證飛輪矩滿足機組要求即可。然后通過設計合適的帶輪副使主機轉速降到422 r/min。此方案較前述方案一、二更優(yōu)化，電機價格最低，從而降低整機成本。在工程上得到推廣。

圖7 大皮帶輪兼做飛輪

工程上應用如圖8所示。

圖8 大皮帶輪兼做飛輪的機型

3 結束語

上述三個方案都在工程上實踐過，機組所需飛輪矩都能滿足，都可以從根本上解決氣量調節(jié)時主電機電流會產生波動的問題，機器性能得到保證，達到預期效果，成功實現(xiàn)0%、50%、100%的氣量調節(jié)，機器運行情況良好，用戶十分滿意，證實以上故障分析是正確的，處理方法是行之有效的。

綜合比較三個方案，單從現(xiàn)有機型的改造來說，方案一改造成本最低，用戶只需更換新設計的聯(lián)軸器，壓縮機就可以實現(xiàn)可靠的氣量調節(jié)。如果是新設計的機器，則方案三成本最低，更值得推廣，該公司在新生產的類似機型中，均采用方案三來設計傳動方式，在保證機組可靠性的基礎上，降低了成本，提高了產品的競爭力。