基于FFT 頻譜分析技術(shù)的螺桿空壓機(jī)故障診斷

胡子文

（華能國際電力股份有限公司上安電廠，河北石家莊 050300）

0 引言

空氣壓縮機(jī)是現(xiàn)代化電廠中不可或缺的重要設(shè)備，一旦空壓機(jī)突發(fā)故障，將影響壓縮空氣系統(tǒng)乃至全廠機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行?？諌簷C(jī)按工作原理主要分為柱塞式空壓機(jī)、離心式空壓機(jī)和螺桿式空壓機(jī)，其中螺桿空壓機(jī)在電廠中應(yīng)用更為廣泛。螺桿空壓機(jī)具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、工況適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；但缺點(diǎn)也很明顯，如油氣混合設(shè)計(jì)加速油質(zhì)劣化、產(chǎn)氣含油無法完全消除、消耗備件維護(hù)成本高等。

隨著傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，振動(dòng)測量儀表精度越來越高，利用精密儀器對轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)頻譜分析的狀態(tài)檢修技術(shù)也日臻成熟，并取得了良好效果。為了提高空壓機(jī)設(shè)備安全性和可靠性，利用愛默生CSI2140 型頻譜分析儀對螺桿空壓機(jī)進(jìn)行了振動(dòng)監(jiān)測和狀態(tài)分析評估，并結(jié)合實(shí)際案例探究振動(dòng)頻譜分析技術(shù)對于螺桿空壓機(jī)故障診斷應(yīng)用效果。

1 螺桿空壓機(jī)結(jié)構(gòu)及常見振動(dòng)故障

1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

螺桿空壓機(jī)屬于容積式壓縮機(jī)，機(jī)頭主要由缸體、陽轉(zhuǎn)子、陰轉(zhuǎn)子、軸承、齒輪等部件組成。電機(jī)通過齒輪驅(qū)動(dòng)陽轉(zhuǎn)子，陽轉(zhuǎn)子螺桿再通過螺紋嚙合驅(qū)動(dòng)陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，陰、陽轉(zhuǎn)子嚙合旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生周期性的容積變化來實(shí)現(xiàn)氣體的吸入、壓縮和排出。陰、陽轉(zhuǎn)子螺紋相互嚙合，平行布置在缸體內(nèi)，轉(zhuǎn)子排氣端裝有推力軸承，承受排氣產(chǎn)生的反向推力。

1.2 常見振動(dòng)故障

（1）轉(zhuǎn)子不平衡。由于加工誤差、磨損、腐蝕、變形、軸彎曲等因素影響，轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量偏心，即轉(zhuǎn)子不平衡，其主要表現(xiàn)為1 倍轉(zhuǎn)頻振動(dòng)升高，質(zhì)量偏心越大振動(dòng)越大，水平振動(dòng)與垂直振動(dòng)相位差為90°。

（2）轉(zhuǎn)子不對中。螺桿空壓機(jī)的轉(zhuǎn)子不對中主要分為兩種情況：①陰、陽轉(zhuǎn)子不平行形成角不對中，表現(xiàn)為2 倍轉(zhuǎn)子嚙合頻率升高；②聯(lián)軸器齒輪角不對中，表現(xiàn)為2 倍齒輪嚙合頻率升高。造成轉(zhuǎn)子不對中的原因主要有裝配工藝不達(dá)標(biāo)、軸承座磨損、軸承徑向游隙超標(biāo)、齒輪瓢偏度超標(biāo)等。

（3）軸承故障。螺桿空壓機(jī)一般使用滾動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承故障點(diǎn)主要分為4 類：①軸承內(nèi)環(huán)故障；②軸承外環(huán)故障，③軸承滾動(dòng)體故障；④軸承保持架故障。軸承故障原因主要有超負(fù)荷運(yùn)行、油質(zhì)劣化、振動(dòng)超標(biāo)、電腐蝕、工況大幅波動(dòng)等。

（4）機(jī)械松動(dòng)。機(jī)械松動(dòng)一般分為兩類：一類是空壓機(jī)零部件之間的連接件松動(dòng)引起設(shè)備局部振動(dòng)過大，另一類是空壓機(jī)地腳螺栓連接松動(dòng)引起設(shè)備整體振動(dòng)。

2 利用FFT 頻譜分析技術(shù)的案例

2.1 FFT 頻譜分析原理

FFT 頻譜分析的原理就是對振動(dòng)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，并對信號(hào)進(jìn)行采樣得到一組離散數(shù)據(jù)，再對其進(jìn)行算法分析處理，將信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度按頻率順序展開，使其成為頻率函數(shù)或頻域信號(hào)，頻域信號(hào)可以更好應(yīng)用于設(shè)備故障診斷。

2.2 案例分析

2.2.1 案例1

EP200 型英格索蘭單級微油螺桿空壓機(jī)，出口壓力8 bar（0.8 MPa），額定產(chǎn)氣量20 m3/h，陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)為4 齒，陰轉(zhuǎn)子齒數(shù)為6 齒，其他參數(shù)見表1；電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承型號(hào)SKF NU319，非驅(qū)動(dòng)端軸承型號(hào)SKF 6319，電機(jī)功率132 kW，轉(zhuǎn)速1485 r/min，轉(zhuǎn)頻24.75 Hz，電壓380 V。

表1 EP200 空壓機(jī)基本參數(shù)

2.2.1.1 運(yùn)行異常分析

運(yùn)行異常的表現(xiàn)為：振動(dòng)超標(biāo)、噪聲大、機(jī)頭溫度持續(xù)升高。

（1）設(shè)備振動(dòng)測量情況（圖1）：①頻譜曲線中24.75 Hz 振幅較大，且沒有明顯諧波；②頻譜曲線中存在137 Hz 的振動(dòng)高點(diǎn)及其多次諧波，且垂直方向振幅大于水平及軸向；③頻譜曲線整體有明顯的不規(guī)律底噪。

圖1 振動(dòng)頻譜

（2）故障診斷分析：①根據(jù)空壓機(jī)基本參數(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1485 r/min，轉(zhuǎn)頻24.75 Hz，與頻譜曲線中24.75 Hz 的高點(diǎn)相吻合，由此推斷電機(jī)轉(zhuǎn)子存在質(zhì)量不平衡；②根據(jù)空壓機(jī)基本參數(shù)計(jì)算可知，曲線中137 Hz 的振動(dòng)高點(diǎn)為陰、陽轉(zhuǎn)子的嚙合頻率×6=136.9 Hz），由于出現(xiàn)多次諧波，推斷陰、陽轉(zhuǎn)子可能存在嚙合松曠，而嚙合松曠的原因通常是軸承徑向游隙過大造成轉(zhuǎn)子擺動(dòng)；③振動(dòng)頻譜曲線的底噪一般由摩擦引起，推斷陰、陽轉(zhuǎn)子的嚙合面出現(xiàn)明顯磨損。

2.2.1.2 解體檢查

依據(jù)ISO 10816-3-2016 的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，該空壓機(jī)振動(dòng)允許值為7.1 mm/s，而陰轉(zhuǎn)子實(shí)際振動(dòng)RMS 值已達(dá)到15.02 mm/s、遠(yuǎn)超允許范圍。若繼續(xù)運(yùn)行，存在軸承損毀導(dǎo)致轉(zhuǎn)子抱死的風(fēng)險(xiǎn)，隨即對空壓機(jī)進(jìn)行停機(jī)解體檢查。

（1）電機(jī)檢查情況。電機(jī)散熱風(fēng)扇共8 片扇葉，其中相鄰的2 片扇葉脫落（圖2），破壞了電機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量平衡，這是電機(jī)1倍頻振動(dòng)大的根本原因。

圖2 電機(jī)散熱風(fēng)扇

（2）陰轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)端軸承檢查情況。軸承磨損嚴(yán)重，保持架松曠，滾柱徑向游隙達(dá)1.10 mm，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)值（0.07～0.09 mm），且軸承滾子卡澀無法滾動(dòng)。軸承游隙的增大造成陰、陽轉(zhuǎn)子嚙合松曠，加劇了轉(zhuǎn)子振動(dòng)和磨損，使主機(jī)溫度持續(xù)上升。

（3）陽轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)端軸承檢查情況。軸承無明顯磨損，滾動(dòng)體表面無剝落、點(diǎn)蝕等現(xiàn)象，保持架完好，滾柱徑向游隙0.07 mm，游隙合格（軸承型號(hào)為NU313C3，游隙標(biāo)準(zhǔn)為0.065～0.1000 mm），軸承滾動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。

（4）齒輪檢查情況。電機(jī)側(cè)齒輪損壞嚴(yán)重，所有齒廓嚙合面均存在不同程度的磨損，并有2 處齒頂崩斷，破損體積約占齒牙總體積的1/6。

2.2.1.3 評估小結(jié)

該空壓機(jī)自上次大修后已運(yùn)行7 年，解體后發(fā)現(xiàn)電機(jī)側(cè)齒輪破損嚴(yán)重，陰轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)端軸承磨損嚴(yán)重，軸承游隙嚴(yán)重超標(biāo)，導(dǎo)致陰、陽轉(zhuǎn)子平行度下降，轉(zhuǎn)子間碰磨加劇，造成機(jī)頭溫度升高，繼續(xù)運(yùn)行存在軸承損毀、機(jī)頭抱死的風(fēng)險(xiǎn)，并影響壓縮空氣系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)此次頻譜分析的診斷結(jié)論，及時(shí)將設(shè)備停運(yùn)并解體檢查，檢查結(jié)果與頻譜分析結(jié)果基本一致，從而避免了因失修、欠修而引發(fā)的設(shè)備損壞事故。

2.2.2 案例2

M350 型英格索蘭雙級微油螺桿空壓機(jī)，出口壓力7.5 bar（0.75 MPa），額定產(chǎn)氣量69 m3/h，陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)為4 齒，陰轉(zhuǎn)子齒數(shù)為6 齒，其他技術(shù)參數(shù)見表2；電機(jī)轉(zhuǎn)頻24.7 Hz，功率350 kW，轉(zhuǎn)速1482 r/min，電壓6000 V。運(yùn)行中異常表現(xiàn)為：振動(dòng)超標(biāo)，噪聲大，機(jī)頭溫度持續(xù)升高。

表2 M350 空壓機(jī)基本參數(shù)

2.2.2.1 頻譜數(shù)據(jù)分析

該空壓機(jī)存在兩個(gè)振動(dòng)高點(diǎn)為182 Hz 和364 Hz（圖3），根據(jù)基本信息推斷，182 Hz 為二級陰、陽轉(zhuǎn)子的嚙合頻率，364 Hz 為二次諧波。兩個(gè)振動(dòng)高點(diǎn)附近均有邊帶出現(xiàn)，推斷二級轉(zhuǎn)子存在部件松動(dòng)現(xiàn)象，結(jié)合之前該空壓機(jī)的遺留缺陷（二級轉(zhuǎn)子齒輪鎖緊環(huán)曾因磨損打滑導(dǎo)致軸頸受損），推測二級轉(zhuǎn)子的齒輪鎖緊環(huán)發(fā)生松動(dòng)。陰、陽轉(zhuǎn)子嚙合時(shí)產(chǎn)生碰撞沖擊，沖擊力通過鎖緊環(huán)傳遞給齒輪，在傳遞過程中由于鎖緊環(huán)摩擦力不足而導(dǎo)致齒輪與軸發(fā)生相對位移，每一次相對位移又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)激振力，激振力與碰撞沖擊力二者疊加，從而產(chǎn)生嚙合頻率的二次諧波。

圖3 振動(dòng)頻譜曲線

另外，該空壓機(jī)的一、二級陽轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)端軸承的振動(dòng)加速度已明顯升高，加速度已達(dá)10 Gs 以上（圖4），遠(yuǎn)超滾動(dòng)軸承合格標(biāo)準(zhǔn)（正常軸承加速度小于3 Gs），推斷一、二級陽轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)端軸承已存在明顯缺陷，分析原因?yàn)辇X輪鎖緊環(huán)松動(dòng)產(chǎn)生的高頻激振力對軸承造成疲勞損傷。

圖4 一級陽轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)端水平振動(dòng)頻譜

2.2.2.2 評估小結(jié)

由于軸頸處出現(xiàn)明顯磨損，通過更換鎖緊環(huán)已不能從根本上消除松動(dòng)打滑的隱患，并且目前已出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，鎖緊環(huán)松動(dòng)對軸頸的磨損是日益加劇的，當(dāng)磨損嚴(yán)重到一定程度時(shí)，空壓機(jī)二級轉(zhuǎn)子就會(huì)因失去驅(qū)動(dòng)力而觸發(fā)停機(jī)保護(hù)，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致齒輪打齒，碎屑進(jìn)入機(jī)頭造成機(jī)頭報(bào)廢。并且軸承加速度已出現(xiàn)明顯異常，超出合格標(biāo)準(zhǔn)，如果軸承損壞將造成轉(zhuǎn)子磨損甚至抱死。因此，該空壓機(jī)需立即停機(jī)修理，修復(fù)軸頸磨損并更換軸承，以避免發(fā)生更嚴(yán)重的設(shè)備損壞事故。

3 結(jié)束語

綜合以上案例可以看出，F(xiàn)FT 振動(dòng)頻譜分析技術(shù)對于空壓機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備故障診斷的應(yīng)用已十分成熟，能夠消除以往依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和感覺來判斷故障的不可控因素。通過將故障程度進(jìn)行量化，振動(dòng)頻譜分析技術(shù)不僅便于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的精細(xì)化管理，依據(jù)振動(dòng)劣化趨勢推算設(shè)備剩余壽命，而且在保證安全性的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備利用價(jià)值最大化，助力企業(yè)降本提效。