離心式壓縮機(jī)振動(dòng)值過高的原因分析及對(duì)策

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

0 引言

離心式壓縮機(jī)是一種加工制造精度非常高的動(dòng)力機(jī)械，其特點(diǎn)為高轉(zhuǎn)速、高功率、高效率，常用于動(dòng)力能源、冶金以及石油化工等行業(yè)。離心式壓縮機(jī)振動(dòng)過大是機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)中最常見的故障，當(dāng)機(jī)組振動(dòng)過高時(shí)，不但會(huì)影響壓縮機(jī)使用壽命，降低機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)周期，產(chǎn)生噪聲，而且會(huì)引起機(jī)器零部件損壞，危害人身安全，停產(chǎn)停工，造成財(cái)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)的損失。針對(duì)離心式壓縮機(jī)機(jī)組振動(dòng)值過高的現(xiàn)象，該文從轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對(duì)中以及油膜渦動(dòng)和油膜振蕩3個(gè)方面，根據(jù)實(shí)際情況分析離心式壓縮機(jī)組振動(dòng)過高的原因，探討解決方法，從而減少和避免振動(dòng)故障，減少經(jīng)濟(jì)損失。

1 離心式壓縮機(jī)的工作原理

離心式壓縮機(jī)的工作原理為當(dāng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣體通過進(jìn)氣口進(jìn)入隔板，在葉輪葉片旋轉(zhuǎn)的離心力作用下，氣體加壓后得到動(dòng)能和壓力能的提升。之后，氣體通過隔板流道進(jìn)入下一個(gè)窩室，通過二級(jí)葉輪葉片進(jìn)行再次加壓，如此經(jīng)過多級(jí)葉輪的加壓作用后，氣體由低壓氣變?yōu)楦邏簹猓_(dá)到工藝的要求，再?gòu)某鲲L(fēng)口流出。

2 離心式壓縮機(jī)組振動(dòng)原因分析及特征

2.1 離心式壓縮機(jī)振動(dòng)故障診斷的標(biāo)準(zhǔn)

振動(dòng)位移的大小是檢測(cè)壓縮機(jī)振動(dòng)故障的國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)，在美國(guó)石油學(xué)會(huì)制訂的AP167標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定，離心式壓縮機(jī)在正常工況狀態(tài)下，標(biāo)準(zhǔn)如公式（1）所示[1]。

式中：N為離心式壓縮機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，A為該機(jī)組的振動(dòng)值，單位為 μm。

國(guó)內(nèi)離心式壓縮機(jī)振動(dòng)合格標(biāo)準(zhǔn)為：離心式壓縮機(jī)在工作轉(zhuǎn)速下，振動(dòng)值≤25.4 μm；在超轉(zhuǎn)工況下，振動(dòng)值≤工作轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)值+12.7 μm。

2.2 轉(zhuǎn)子不平衡

轉(zhuǎn)子不平衡是指轉(zhuǎn)子由于受到加工工藝或材料自身材質(zhì)和重量等方面的影響，內(nèi)在質(zhì)量分布不均勻，中心線不能絕對(duì)對(duì)稱，從而在轉(zhuǎn)子質(zhì)量中心與旋轉(zhuǎn)中心線之間存在偏心距。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，形成周期性離心力干擾，并在軸承上產(chǎn)生動(dòng)量載荷，使機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)[2]。在檢測(cè)中，測(cè)振探頭對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子或軸承的1點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)1周，產(chǎn)生1次響應(yīng)，為1個(gè)周期。因此它的振動(dòng)頻率就是轉(zhuǎn)速頻率，振幅總值為測(cè)量頻率范圍內(nèi)振動(dòng)能量的總和。

2.2.1 轉(zhuǎn)子不平衡特征

轉(zhuǎn)子的不平衡是引起離心式壓縮機(jī)機(jī)組振動(dòng)過高的主要原因之一，通過觀測(cè)機(jī)組振動(dòng)頻譜圖，可以有效確認(rèn)轉(zhuǎn)子不平衡現(xiàn)象從而解決問題，轉(zhuǎn)子的不平衡特征包括以下4條：1）在頻譜圖上，轉(zhuǎn)子徑向測(cè)點(diǎn)的工頻有突出峰值。2）在頻譜圖上，工頻的高次諧波幅值越來越低，在時(shí)域上，呈現(xiàn)的波形圖接近正弦模式，軸心軌跡近似橢圓。3）對(duì)于通常在驅(qū)動(dòng)端和推力端支撐的轉(zhuǎn)子，軸向測(cè)量顯示的振動(dòng)值并不明顯。4）振動(dòng)變化情況與運(yùn)行轉(zhuǎn)速有關(guān)聯(lián)。

圖1和圖2為典型離心式壓縮機(jī)由于轉(zhuǎn)子不平衡從而引起振動(dòng)過高的案例，該機(jī)組最大連續(xù)轉(zhuǎn)速為5 354 rpm。圖1為振幅頻譜圖，x軸為當(dāng)前機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，y軸為振幅值；圖2為對(duì)應(yīng)時(shí)刻振動(dòng)頻譜圖，其中黑白線代表離心式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)端2個(gè)測(cè)振探頭的當(dāng)前測(cè)振數(shù)值?？梢姰?dāng)轉(zhuǎn)速小于1倍頻時(shí)，振幅隨轉(zhuǎn)動(dòng)頻率增加而增加，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率到1倍頻時(shí)，有明顯突出峰值。2倍、3倍、4倍頻等高頻成分主要是受系統(tǒng)非線性振動(dòng)的影響，呈現(xiàn)遞減狀，而振動(dòng)值隨轉(zhuǎn)速上升而逐步升高，中間突出峰值為一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)子振動(dòng)值。

2.2.2 轉(zhuǎn)子不平衡原因分析

2.2.2.1 轉(zhuǎn)子飛缺

轉(zhuǎn)子結(jié)疤從而產(chǎn)生大量不均勻脫落是最常見的轉(zhuǎn)子飛缺現(xiàn)象。由此在離心式壓縮機(jī)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)中，轉(zhuǎn)子由于質(zhì)量變化，在高速旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生周期性階躍式不平衡，從而使轉(zhuǎn)子振動(dòng)值過高[3]。該類轉(zhuǎn)子的不平衡解決方法為拆卸離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，進(jìn)行補(bǔ)焊、精加工、修磨，然后做高速動(dòng)平衡。

2.2.2.2 轉(zhuǎn)子的彎曲

轉(zhuǎn)子的彎曲包括2種情況：臨時(shí)性彎曲和永久性彎曲。1）臨時(shí)性彎曲。在壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中，轉(zhuǎn)子與靜子之間有間歇性的局部接觸，由于摩擦作用，使轉(zhuǎn)子受熱不均勻，從而產(chǎn)生臨時(shí)性熱變形。2）永久性彎曲。由于碰撞或放置不當(dāng)，使轉(zhuǎn)子因受外力作用或自身重力影響產(chǎn)生永久性變形。

2.2.3 固有不平衡

圖1 離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡頻譜圖

在離心式壓縮機(jī)組中，聯(lián)接起來的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中出現(xiàn)的不平衡現(xiàn)象叫做固有不平衡。盡管各個(gè)轉(zhuǎn)子在裝配前已經(jīng)完成動(dòng)平衡處理，但是在轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子的聯(lián)接過程中，仍不可避免的會(huì)產(chǎn)生固有不平衡現(xiàn)象，其原因包括以下4點(diǎn)：1）壓縮機(jī)組的多個(gè)轉(zhuǎn)子，由于各自的不平衡，相互累積產(chǎn)生固有不平衡。2）壓縮機(jī)組的多個(gè)轉(zhuǎn)子，由于每個(gè)轉(zhuǎn)子的平衡方法、平衡轉(zhuǎn)速各不相同，同時(shí)，各轉(zhuǎn)子平衡時(shí)與壓縮機(jī)的真實(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)情況有較大差別，從而產(chǎn)生固有不平衡。3）各轉(zhuǎn)子由于熱處理不當(dāng)。在安裝運(yùn)輸過程中，轉(zhuǎn)子遇到碰撞。4） 轉(zhuǎn)子在啟車或者運(yùn)轉(zhuǎn)中，與軸瓦發(fā)生碰磨而產(chǎn)生永久變形等。

2.3 轉(zhuǎn)子的不對(duì)中

轉(zhuǎn)子不對(duì)中分類：當(dāng)轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不對(duì)中的情況，轉(zhuǎn)子由于受到附加的彎矩，使軸承產(chǎn)生附加載荷，引起軸承負(fù)載變化，形成額外激勵(lì)，引起機(jī)組劇烈振動(dòng)。轉(zhuǎn)子不對(duì)中包括：平行不對(duì)中、角度不對(duì)中以及組合不對(duì)中。如圖3～圖5所示。

2.3.1 轉(zhuǎn)子不對(duì)中特征

轉(zhuǎn)子由于不對(duì)中，改變了軸承中油膜的壓力，因此不對(duì)中的表現(xiàn)特征為機(jī)組驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)值過大，并且振動(dòng)值與負(fù)荷呈線性關(guān)系，振動(dòng)值隨轉(zhuǎn)速的增大而增大。同時(shí)，當(dāng)機(jī)組平行不對(duì)中時(shí)，主要表現(xiàn)為徑向振動(dòng)過大；角度不對(duì)中時(shí)，主要表現(xiàn)為軸向振動(dòng)過大。

2.3.2 轉(zhuǎn)子不對(duì)中的原因分析

2.3.2.1 維修安裝

在機(jī)組找正時(shí)，冷態(tài)對(duì)中找正數(shù)據(jù)不符合標(biāo)準(zhǔn)； 檢修時(shí)由于操作不當(dāng)，引起轉(zhuǎn)子熱態(tài)膨脹受阻； 機(jī)殼在裝配時(shí)，密封不達(dá)標(biāo)，引起熱膨脹不均勻。

2.3.2.2 設(shè)計(jì)原因

在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)機(jī)組在工況下的熱膨脹量計(jì)算誤差過大，對(duì)真空度變化、介質(zhì)壓力對(duì)機(jī)殼的影響計(jì)算誤差值過大。

圖2 離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)圖

圖3 平行不對(duì)中

圖4 角度不對(duì)中

圖5 組合不對(duì)中

2.3.2.3 加工、制造原因

在加工制造工程中，由于轉(zhuǎn)子材質(zhì)質(zhì)量等原因，造成轉(zhuǎn)子在加工時(shí)熱膨脹不均勻，或在加工時(shí)產(chǎn)生缺陷與偏差。

2.3.2.4 狀態(tài)劣化

機(jī)組底座或基礎(chǔ)沉降不均勻； 底座墊板銹蝕，固定螺栓由于振動(dòng)產(chǎn)生松動(dòng)，機(jī)殼變形。

2.3.2.5 運(yùn)行操作

機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)；干氣密封注入的介質(zhì)溫度、壓力偏離設(shè)計(jì)值。

2.4 油膜渦動(dòng)與油膜振蕩

油膜的楔形按油的平均流速帶動(dòng)軸繞軸瓦中心運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象稱為油膜渦動(dòng)，又由于油膜渦動(dòng)的速度約為轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)角速度的一半，因此又稱為半速渦動(dòng)[4]。當(dāng)機(jī)組產(chǎn)生油膜渦動(dòng)時(shí)，該狀態(tài)將不會(huì)消失，渦動(dòng)頻率和振動(dòng)值將隨機(jī)組轉(zhuǎn)速的升高而不斷增大。當(dāng)把機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)升到一階臨界轉(zhuǎn)速的2倍時(shí)，油膜渦動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速頻率相同，機(jī)組振動(dòng)值將由于共振而放大，從而表現(xiàn)為劇烈的振動(dòng)，且當(dāng)繼續(xù)提高機(jī)組轉(zhuǎn)速時(shí)，油膜的渦動(dòng)頻率一直不變，始終等于轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速頻率，該種現(xiàn)象為油膜振蕩?？偟膩碚f，油膜渦動(dòng)是影響機(jī)組轉(zhuǎn)子振動(dòng)過高的重要因素，也是油膜振蕩的前沿。

2.4.1 油膜渦動(dòng)的特征

油膜渦動(dòng)為離心式壓縮機(jī)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)中常見的振動(dòng)現(xiàn)象。在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)中，通過頻譜圖可以診斷油膜渦動(dòng)，具體表現(xiàn)為以下5種情況：1）機(jī)組運(yùn)行時(shí)，油膜渦動(dòng)的頻率略小于1/2倍工頻，振幅隨轉(zhuǎn)速的升高而升高，常常伴有1倍頻。2）振動(dòng)值相對(duì)平穩(wěn)，當(dāng)調(diào)高轉(zhuǎn)速時(shí)，次諧波的幅值隨機(jī)組轉(zhuǎn)速的升高而不斷升高。3）相位相對(duì)穩(wěn)定。4）轉(zhuǎn)子軸心軌跡為雙環(huán)橢圓，進(jìn)動(dòng)方向?yàn)檎M(jìn)動(dòng)。5）當(dāng)出現(xiàn)振動(dòng)值過高時(shí)，對(duì)軸承潤(rùn)滑油的溫度和壓力進(jìn)行上下調(diào)節(jié)，可以看到振動(dòng)值變化敏感。

2.4.2 油膜振蕩的特征

當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)油膜振蕩現(xiàn)象時(shí)，將嚴(yán)重影響離心式壓縮機(jī)機(jī)組的振動(dòng)值，甚至出現(xiàn)聯(lián)鎖停車現(xiàn)象。油膜振蕩是油膜渦動(dòng)的更劇烈表現(xiàn)形式，在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)中具體表現(xiàn)出的現(xiàn)象有以下5種：1）轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)劇烈，振幅有突然升高現(xiàn)象，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組伴有異響。2）當(dāng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生油膜振蕩現(xiàn)象時(shí)，振動(dòng)頻譜顯示出的圖像復(fù)雜而無規(guī)律，次諧波非常豐富。同時(shí)，當(dāng)把機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)到接近轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速范圍時(shí)，轉(zhuǎn)子振幅接近或超過一階臨界轉(zhuǎn)速振幅。3）當(dāng)把轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)到高于2倍一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子發(fā)生劇烈振動(dòng)，此時(shí)振蕩頻譜與一階臨界轉(zhuǎn)速頻譜效果相似，并且在調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)，不會(huì)隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，只有在轉(zhuǎn)速調(diào)到低于2倍一階臨界轉(zhuǎn)速后，劇烈振動(dòng)才消失[5]。4）轉(zhuǎn)子軸心軌跡為發(fā)散的不規(guī)則形狀，進(jìn)動(dòng)方向?yàn)檎M(jìn)動(dòng)。5）轉(zhuǎn)子振動(dòng)值對(duì)軸承潤(rùn)滑油油溫非常敏感，降低潤(rùn)滑油溫度，振動(dòng)值會(huì)明顯減小，提高潤(rùn)滑油溫度，振動(dòng)值會(huì)明顯增大。

2.4.3 油膜渦動(dòng)與油膜振蕩的解決措施

2.4.3.1 減少軸瓦頂隙

在現(xiàn)場(chǎng)減少軸瓦頂隙，一般采用修刮瓦中分面法，將轉(zhuǎn)子軸頸減少其直徑的1‰～1.3‰，軸頸大的取值上限，軸頸小的取值下限。該方法可以增加轉(zhuǎn)子上瓦的油膜力，使軸頸上浮高度降低，提高軸瓦的穩(wěn)定性。

2.4.3.2 換用穩(wěn)定性較好的軸瓦

采用抑振性比較好的軸承，例如可傾瓦軸承。該軸承由于軸瓦結(jié)構(gòu)的原理，當(dāng)機(jī)組工作時(shí)，利用瓦塊的可動(dòng)性，使瓦塊在受到不同載荷時(shí)可以進(jìn)行擺動(dòng)，從而讓油膜通過每個(gè)瓦塊作用到軸頸上的壓力總是通過軸頸中心，進(jìn)而消除導(dǎo)致轉(zhuǎn)子油膜渦動(dòng)與油膜振蕩現(xiàn)象的力源，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)保持穩(wěn)定。

2.4.3.3 臨時(shí)措施

在緊急情況下，降低潤(rùn)滑油溫度，可以有效地抑制轉(zhuǎn)子劇烈振動(dòng)，作為應(yīng)急措施可以臨時(shí)啟用。

3 結(jié)語

振動(dòng)是離心式壓縮機(jī)主要故障，且危害極大，在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行與檢修維修過程中需要謹(jǐn)慎對(duì)待，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的故障，對(duì)具體原因進(jìn)行分析，找到引起振動(dòng)的原因，同時(shí)及時(shí)采取相應(yīng)的解決措施，保證機(jī)組安全地運(yùn)行。需要注意的是，離心式壓縮機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的原因很多，不能僅憑單一現(xiàn)象定結(jié)論，要結(jié)合各項(xiàng)參數(shù)以及實(shí)際情況進(jìn)行分析，這樣才能獲得較好的效果。