干式螺桿壓縮機(jī)故障判斷與振動(dòng)分析

高元濤，楊嘉宇，顏成建，管柯鳴，陳鮮莉

（浙江鼎盛石化工程有限公司，浙江舟山 316000）

0 引言

由于齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)，干式螺桿壓縮機(jī)的陰、陽螺桿在運(yùn)行過程中是連續(xù)不接觸的，因此其對介質(zhì)空氣要求不高且能很好地滿足氣源恒定壓力的需求，同時(shí)具有螺桿磨損量小、設(shè)備運(yùn)行周期長的特點(diǎn)。目前在造粒裝置中，干式螺桿式壓縮機(jī)被廣泛應(yīng)用于空氣壓縮，以提供粒料顆粒輸送動(dòng)力。

Aerzen VML-95 型干式螺桿壓縮機(jī)是某石化聚烯烴裝置中常見的一種設(shè)備，通過大量比對其在維護(hù)過程中狀態(tài)監(jiān)測得到的頻譜波形特征，結(jié)合設(shè)備檢修經(jīng)驗(yàn)，分析不同頻譜波形特征下對應(yīng)設(shè)備的故障原因，預(yù)先做好設(shè)備維護(hù)提高設(shè)備管理。

1 Aerzen VML-95 型干式螺桿壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

Aerzen VML-95 型干式螺桿壓縮機(jī)屬于雙螺桿壓縮機(jī)，整體上有3 根轉(zhuǎn)子（圖1）。它由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)子通過彈性柱銷聯(lián)軸器與設(shè)備輸入軸連接傳動(dòng)，輸入軸上帶有增速齒輪，與陽螺桿上的增速齒配合形成一組增速齒輪組（該增速齒輪組實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)）。除了一組增速齒輪組外，陽螺桿上還另帶有一個(gè)同步齒輪，該同步齒輪與陰螺桿上的同步齒輪形成同步齒輪組，實(shí)現(xiàn)陰、陽螺桿的同步轉(zhuǎn)動(dòng)嚙合（圖2）。

圖1 轉(zhuǎn)子螺桿

圖2 增速齒輪組及同步齒輪組

轉(zhuǎn)子部件方面，輸入軸上有4 個(gè)滾動(dòng)軸承、1 個(gè)增速齒輪、1 個(gè)半聯(lián)軸器和1 個(gè)12葉片風(fēng)扇，陽轉(zhuǎn)子上有5 個(gè)滾動(dòng)軸承、1 個(gè)增速齒輪和1 個(gè)同步齒輪，陰轉(zhuǎn)子上有4 個(gè)滾動(dòng)軸承和1 個(gè)同步齒輪（圖3）。在設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，上述各部件各自承載著屬于自己的任務(wù)和特性，不同零部件的故障將增大設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。

圖3 12 葉片風(fēng)扇

2 壓縮機(jī)常見故障

在現(xiàn)場長周期的運(yùn)行過程中，除使用專用的頻譜檢測儀器進(jìn)行振動(dòng)檢測外，Aerzen VML-95 型螺桿壓縮機(jī)本體其他參數(shù)異常從而判斷設(shè)備故障的情況也時(shí)有發(fā)生，常見故障主要有以下5 類。

2.1 設(shè)備工藝參數(shù)異常

空氣壓縮機(jī)的作用就是提供連續(xù)的壓縮空氣，壓縮空氣的流量與壓力則由設(shè)備本身設(shè)計(jì)工況決定，是機(jī)械設(shè)備的輸出參數(shù)。當(dāng)壓縮機(jī)所提供介質(zhì)的流量與壓力發(fā)生異常時(shí)，這種故障很容易判斷出來。對于此類故障，首先是檢查其入口過濾器、出入口管線，排查工藝介質(zhì)空氣是否能正常進(jìn)入設(shè)備并能被順利排出；其次對轉(zhuǎn)子進(jìn)行盤車診斷，確保轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)無誤，螺桿正常嚙合；最后則是檢查螺桿的端面間隙，端面間隙影響的是吸氣端面和排氣端面泄漏通道，會(huì)在一定程度上影響設(shè)備的工藝參數(shù)。

2.2 機(jī)械局部過熱或存在異響

轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備在正常運(yùn)行過程中，由于各部件之間的承載、摩擦，都存在一定程度的溫升現(xiàn)象，發(fā)出連續(xù)正常摩擦的聲音，設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)也會(huì)考慮到此類部件，相對應(yīng)的設(shè)計(jì)潤滑降溫措施，已確保此類部件能長周期運(yùn)行。但是由于該類部件不正常的運(yùn)行或因外界因素造成損傷時(shí)，其部件運(yùn)行時(shí)的溫升和發(fā)出的聲音也將發(fā)生異常，同時(shí)轉(zhuǎn)子由于外界因素干擾轉(zhuǎn)動(dòng)部分發(fā)生摩擦現(xiàn)象時(shí)，摩擦部位也會(huì)發(fā)出異響。

此類故障發(fā)生頻次不高，一般發(fā)生在部件損傷較為嚴(yán)重的時(shí)候。針對此類故障，一般采用設(shè)備解體檢修的解決手段，在針對性地處理損傷部件的同時(shí)，預(yù)防性檢查設(shè)備其他部件，以確保設(shè)備檢修后正常運(yùn)行。

2.3 機(jī)械潤滑油變質(zhì)、缺失導(dǎo)致磨損增加

對于設(shè)備的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和承載機(jī)構(gòu)，針對于Aerzen VML-95型螺桿壓縮機(jī)也就是其增速齒輪組、同步齒輪組及各轉(zhuǎn)子的軸承，為確保上述部件的正常運(yùn)行，設(shè)備采用潤滑油進(jìn)行潤滑，保證其磨損量及運(yùn)行溫度在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，確保部件長周期運(yùn)行。當(dāng)潤滑油自身屬性發(fā)生變化、無法滿足潤滑要求時(shí)，軸承與齒輪的磨損量將增大，其使用壽命也大大縮短，所以潤滑油是否變質(zhì)及其是否滿足潤滑條件是軸承齒輪正常運(yùn)行的重要參數(shù)之一。潤滑油是否變質(zhì)及其是否滿足潤滑條件，一直作為設(shè)備日常維護(hù)的重點(diǎn)之一，但此類故障發(fā)生時(shí)需要根據(jù)當(dāng)前磨損量來判斷是否需要對軸承和齒輪進(jìn)行檢修，最后也需要重新補(bǔ)充合格的設(shè)計(jì)量的潤滑油。

2.4 機(jī)械部件的裂紋損傷

部件的老化、磨損、變形、斷裂會(huì)隨著時(shí)間而發(fā)生，從而部件產(chǎn)生裂紋損傷，這種損傷一般在早期并不影響設(shè)備的正常運(yùn)行，也無法在設(shè)備運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)、但是隨著損傷的加劇，該類故障也會(huì)隨著其他故障特征出現(xiàn)從而影響設(shè)備的正常運(yùn)行。針對此類故障，在設(shè)備解體檢修時(shí)可使用超聲波、著色等手段進(jìn)行檢測，在其未影響到設(shè)備正常運(yùn)行之前檢測出來并加以解決。

2.5 機(jī)械設(shè)備振動(dòng)異常

振動(dòng)狀態(tài)參數(shù)是設(shè)備日常維護(hù)中非常重要的數(shù)據(jù)，能直接反應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。一般來說設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，在規(guī)定范圍內(nèi)的振動(dòng)參數(shù)是正常的，且振動(dòng)參數(shù)往往隨著周邊環(huán)境的變化、工藝工況的變化而發(fā)生波動(dòng)。但當(dāng)設(shè)備某部位某方向的振動(dòng)數(shù)值發(fā)生異常增大時(shí)，往往說明設(shè)備部件的運(yùn)行規(guī)律發(fā)生變化，早期故障開始出現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移該類現(xiàn)場將不斷加劇，最后故障特征逐步明顯。因此，分析機(jī)械振動(dòng)自身屬性的特征變化，能夠在故障早期發(fā)現(xiàn)故障原因，針對性的進(jìn)行診斷和檢修可以大大提高設(shè)備的檢修效率，降低檢修成本。

3 振動(dòng)頻譜特征對應(yīng)故障原因

設(shè)備通頻振動(dòng)是各個(gè)頻譜振動(dòng)分量相互迭加后的總振動(dòng)，經(jīng)過傅里葉級數(shù)變換分解分解后，將分解為多組離散的頻率成分，而每種特定的典型故障都對應(yīng)著不同頻率成分的典型變換，針對每種特定頻率進(jìn)行分析，找到設(shè)備具體故障原因。

3.1 轉(zhuǎn)子不平衡

不平衡是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)最為簡單的振動(dòng)起因，也是最常見最主要的故障表現(xiàn)。因轉(zhuǎn)子不平衡所產(chǎn)生的離心力在轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一圈都會(huì)作用一次，因此轉(zhuǎn)子不平衡所對應(yīng)的頻譜與設(shè)備轉(zhuǎn)速有關(guān)，一般認(rèn)定為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)工頻、1 倍頻（圖4）。

圖4 轉(zhuǎn)子不平衡故障頻譜特征圖

3.2 轉(zhuǎn)子不對中

驅(qū)動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的連接依靠聯(lián)軸器進(jìn)行，兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間的相對位置調(diào)整成為轉(zhuǎn)子找正，轉(zhuǎn)子狀態(tài)共有4 種情況——完全對中、平行偏移不對中、角度偏移不對中和綜合不對中。轉(zhuǎn)子平行偏移不對中時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈徑向力的方向會(huì)發(fā)生4 次改變，從而產(chǎn)生兩次振動(dòng)，產(chǎn)生較大的2×工頻；轉(zhuǎn)子角度偏移不對中時(shí)，因彎曲力矩的改變旋轉(zhuǎn)一圈會(huì)發(fā)生一次振動(dòng)，產(chǎn)生1×工頻；另外，轉(zhuǎn)子之間相對距離的過近過遠(yuǎn)也會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子發(fā)生振動(dòng)，常見的故障頻率為3×工頻。

所以對于轉(zhuǎn)子的對中狀態(tài)，一般情況為綜合不對中，轉(zhuǎn)子之間的距離也可能存在問題，所以針對轉(zhuǎn)子不對中所形成的故障特征，一般以2×頻為主，常伴有1×頻和3×頻（圖5）。

圖5 轉(zhuǎn)子不對中故障頻譜特征圖

3.3 轉(zhuǎn)子松動(dòng)、摩擦

設(shè)備轉(zhuǎn)子作為組合部件，各個(gè)部件都需要進(jìn)行連接和配合，一旦連接和配合發(fā)生松動(dòng)，都會(huì)造成劇烈振動(dòng)，且轉(zhuǎn)子的松動(dòng)常常會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與定子之間發(fā)生相對摩擦，從而加劇轉(zhuǎn)子振動(dòng)。

松動(dòng)和摩擦所造成的振動(dòng)往往會(huì)破壞轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的簡諧波形，因此時(shí)域波形會(huì)存在削波，整倍的離散頻率無法完成表示設(shè)備的通頻振動(dòng)，所以該類故障特征常伴有半倍分頻，高次頻表現(xiàn)更為明顯（圖6）。

圖6 轉(zhuǎn)子松動(dòng)、摩擦故障頻譜特征圖

3.4 軸承故障

軸承作為轉(zhuǎn)子的支撐部件，其自身的狀態(tài)與設(shè)備整體性能息息相關(guān)。作為滾動(dòng)軸承，其基本組成分為軸承外圈、軸承內(nèi)圈、滾動(dòng)體及保持架，不同的部件承載著不同的作用，每個(gè)部件的損壞都有著自身特有的故障特征。

滾動(dòng)軸承的故障頻率常出現(xiàn)在以下4 個(gè)頻率及倍頻出：BPFI（內(nèi)圈缺陷頻率）、BPFO（外圈缺陷頻率）、BSF（滾珠缺陷頻率）、FTF（保持架缺陷頻率）。其中BPFO 約為0.4 倍轉(zhuǎn)速頻率與滾動(dòng)體數(shù)量的乘積，BPFI 約為0.6 倍轉(zhuǎn)速頻率與滾動(dòng)體數(shù)量的乘積，BSF 約為0.18 倍到0.23 倍轉(zhuǎn)速頻率與滾動(dòng)體數(shù)量的乘積，F(xiàn)TF 約為0.4 倍轉(zhuǎn)速頻率。不同軸承型號對應(yīng)的軸承故障頻譜是不同的，所以針對軸承故障分析需結(jié)合該設(shè)備的軸承型號（圖7）。

圖7 軸承故障頻譜特征

3.5 齒輪故障

齒輪組作為轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間傳動(dòng)的部件，其本身具有一定的載荷作用和定位作用，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中齒輪不斷嚙合，因嚙合不良而引起振動(dòng)也是非常常見的。

齒輪故障產(chǎn)生的齒輪嚙合頻率和齒輪齒數(shù)及設(shè)備轉(zhuǎn)速有關(guān)，齒輪嚙合頻率數(shù)值為齒輪齒數(shù)與轉(zhuǎn)速頻率的乘積，通常嚙合頻率兩邊帶有邊頻，且隨著故障的加劇，邊頻的數(shù)量也會(huì)增多（圖8）。

圖8 齒輪故障頻譜特征

4 Aerzen VML-95 型干式螺桿壓縮機(jī)振動(dòng)頻譜特征分析

Aerzen VML-95 型干式螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行振動(dòng)參數(shù)的上升，對應(yīng)不用部件的損傷其頻譜波形特征應(yīng)是不相同的，現(xiàn)就各振動(dòng)頻譜特征進(jìn)行專項(xiàng)分析。

4.1 以50 Hz 為工頻的頻譜特征

設(shè)備本體由電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2980 r/min，設(shè)備輸入軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子通過彈性注銷聯(lián)軸器進(jìn)行連接，意味著設(shè)備輸入軸轉(zhuǎn)速為2980 r/min，輸入軸轉(zhuǎn)子工頻為50 Hz。

對出現(xiàn)以50 Hz 為工頻的振動(dòng)頻譜特征，可針對性地對輸入軸的各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件進(jìn)行分析，如輸入軸轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡、輸入軸轉(zhuǎn)子不對中及聯(lián)軸器損壞等故障特征（圖9）。

圖9 以50 Hz 為工頻的頻譜特征圖

4.2 以130 Hz、97.5 Hz 為工頻的頻譜特征

輸入軸與陽螺桿通過增速齒輪組進(jìn)行傳動(dòng)，其增速傳動(dòng)比為2.6:1，則陽螺桿的工頻為130 Hz，陰螺桿的工頻為97.5 Hz，但因陰陽螺桿為中心對稱結(jié)構(gòu)，陽轉(zhuǎn)子螺桿為3 組螺旋，陰轉(zhuǎn)子螺桿為4 組螺旋，所以390 Hz 為轉(zhuǎn)子嚙合頻率。

對于出現(xiàn)以130 Hz、97.5 Hz 為工頻的振動(dòng)頻譜特征，可針對性地對陰陽螺桿的各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件進(jìn)行分析，如陰陽螺桿動(dòng)不平衡、同步齒輪故障、陰陽螺桿嚙合間隙端面間隙出現(xiàn)變化等（圖10）。

圖10 螺桿工頻及轉(zhuǎn)子嚙合頻率的頻譜特征圖

4.3 軸承故障頻率特征

圖11、表1 為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子各部位的軸承型號及其在轉(zhuǎn)子上的相應(yīng)位置。

表1 各部位的軸承型號明細(xì)

圖11 各部位的軸承分布情況

對上述軸承的軸承故障頻率進(jìn)行匯總，可針對性地對轉(zhuǎn)子故障軸承進(jìn)行故障原因分析和更換作業(yè)（表2）。表2 中軸承故障頻率皆為SKF 軸承，其中n 為轉(zhuǎn)速（單位為r/min）。

表2 轉(zhuǎn)子各部位軸承故障頻率

4.4 其他頻譜特征

除上述以外的頻譜波形出現(xiàn)頻次不高，一般多為高振動(dòng)的雜亂波形，且伴隨著半倍轉(zhuǎn)子工頻及邊頻等，出現(xiàn)在陰陽螺桿摩擦咬合故障，所以對于除上述頻譜波形以外的特征，懷疑為內(nèi)部轉(zhuǎn)子出現(xiàn)松動(dòng)摩擦現(xiàn)象。

5 結(jié)論

本文根據(jù)Aerzen VML-95 型干式螺桿壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、故障原因分析及振動(dòng)故障特征頻譜分析，建立了振動(dòng)分析與故障判斷典型案例，以此為參考用于干式螺桿壓縮機(jī)日常維護(hù)過程中的在線監(jiān)測與故障判斷。每一臺(tái)設(shè)備的現(xiàn)場在線監(jiān)測和故障判斷必須與設(shè)備本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相結(jié)合，有針對性的分析能夠大大提高設(shè)備故障判斷的準(zhǔn)確性，也能在故障發(fā)生前提前發(fā)現(xiàn)隱患、消除隱患。