離心壓縮機(jī)振動故障綜合分析
2022-10-181、轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動
離心壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子由于受到材質(zhì)和加工裝配技術(shù)等各方面的影響，轉(zhuǎn)子上的質(zhì)量分布對軸心線成不均勻分布，或認(rèn)為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量中心與旋轉(zhuǎn)中心之間總是有偏心距存在。因此，轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)將產(chǎn)生周期性的離心力、離心力矩或兩者兼有，這種交變的離心力或離心力矩就會在軸承上產(chǎn)生動載荷，也就會引起壓縮機(jī)的振動。
轉(zhuǎn)子不平衡是引起壓縮機(jī)振動的Z主要、Z常見的原因。
1.1.1 轉(zhuǎn)子不平衡的原因
1.設(shè)計(jì)問題：
（1）旋轉(zhuǎn)體幾何形狀設(shè)計(jì)不對稱，重心不在旋轉(zhuǎn)軸線上。
（2）在轉(zhuǎn)子內(nèi)部或外部有未加工的表面，引起質(zhì)量分布不勻。
（3）零件在轉(zhuǎn)軸上的配合面粗糙或配合公差不合適，產(chǎn)生徑向或軸向擺動。配合過松時(shí)，高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子內(nèi)孔擴(kuò)大造成偏心。
（4）軸上的配合鍵裝于鍵槽，形成局部金屬空缺。
（5）軸上轉(zhuǎn)動部件未對稱安裝，且有配合間隙。
2.材料缺陷：
（1）、鑄件有氣孔，造成材料內(nèi)部組織不均勻，材料厚薄不一致如：焊接結(jié)構(gòu)由于厚度不同而造成質(zhì)量不對稱。
（2）、材料較差，易于磨損、變形造成質(zhì)量分布不勻。
3.加工與裝配誤差：
（1）焊接和澆鑄上的造型缺陷。
（2）切削中的切削誤差。
（3）葉輪在裝配時(shí)配合誤差的累積，引起重心偏移，因此對于高速轉(zhuǎn)子每裝上一個葉輪需要進(jìn)行一次動平衡。
（4）材料熱處理不符合條件要求，或殘余應(yīng)力未消除加工和焊接時(shí)的扭曲變形，使轉(zhuǎn)子永久性變形。
（5）配合零件不一致造成質(zhì)量不對稱。如：螺孔深度或螺釘長度不一致等。
（6）聯(lián)軸器不對中，對于其中一個轉(zhuǎn)子來講，一種平行不對中相當(dāng)于對轉(zhuǎn)子加了一個不平衡負(fù)荷。因此也表現(xiàn)出不平衡的特征。
4.動平衡的方法不對
對于撓性轉(zhuǎn)子，其工作轉(zhuǎn)速下的振型與其一階振型有顯著差別。因此僅在低速下對轉(zhuǎn)子做動平衡，在高速下仍會發(fā)生很大的振動。
1.1.2 轉(zhuǎn)子不平衡的主要振動特征
1.振動的時(shí)域波形為正弦波。
2.頻譜圖中，諧波能量集中于基頻。
3.當(dāng)轉(zhuǎn)動頻率小于固有頻率時(shí)，振幅隨轉(zhuǎn)動頻率的增加而增加；當(dāng)轉(zhuǎn)動頻率大于固有頻率后，轉(zhuǎn)動頻率增加時(shí)振幅趨于一個較小的穩(wěn)定值；當(dāng)轉(zhuǎn)動頻率接近于固有頻率時(shí)，振幅具有Z大峰值。
4.當(dāng)工作轉(zhuǎn)速一定時(shí)，相位穩(wěn)定。
5.轉(zhuǎn)子的軸心軌跡為橢圓。
6.轉(zhuǎn)子的進(jìn)動特征為同步正進(jìn)動。
7.振動的強(qiáng)烈程度對工作轉(zhuǎn)速的變化和敏感。
8.質(zhì)量偏心的矢量域穩(wěn)定于某一允許范圍內(nèi)。
1.1.3 轉(zhuǎn)子不平衡的故障甄別及處理措施
一般而言，工頻譜線或一次諧波表示轉(zhuǎn)子不平衡，但這不是的。
對于剛組裝完成的壓縮機(jī)機(jī)組，要確診是不是由于動平衡引起的振動過大，應(yīng)與下列情況加以區(qū)別：
（1）對剛性轉(zhuǎn)子，要排除是否遇到了轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速問題，這就需要通過瀑布圖或波特圖等來分析，確定轉(zhuǎn)子的固有頻率，看是否與壓縮機(jī)的工作轉(zhuǎn)速相近。
（2）工頻分量過大時(shí)，還應(yīng)注意是否遇到了基礎(chǔ)共振，這就需要進(jìn)行相位分析來進(jìn)一步確診。基礎(chǔ)共振使機(jī)組各點(diǎn)都以同一頻率和相位進(jìn)行，而由不平衡引起的振動，在順著旋轉(zhuǎn)方向上各點(diǎn)的振動存在著相位差。
（3）當(dāng)用渦流傳感器測振動位移時(shí)，工頻成分也有可能是由于測振部位處軸頸加工不同心或有橢圓度、表面剩磁等造成的假振動，需用降低轉(zhuǎn)速的辦法來檢查，如果低速時(shí)振幅與高速時(shí)振幅相近，很可能是一種假振動。因此，要判斷是否轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動，除了根據(jù)轉(zhuǎn)子不平衡振動的主要特征外，還要看其敏感參數(shù)，如表1-1 所示。
表1－1 轉(zhuǎn)子不平衡振動的主要敏感參數(shù)
對于確認(rèn)的轉(zhuǎn)子不平衡振動故障，則應(yīng)該查找不平衡的原因，可從如下幾個方面入手并加以解決：
（1）檢查轉(zhuǎn)子上各零部件是否有松動。
（2）檢查轉(zhuǎn)子上是否有結(jié)構(gòu)不對稱的地方。
（3）重新對轉(zhuǎn)子做動平衡校驗(yàn)。
2、轉(zhuǎn)子不對中引起的振動
壓縮機(jī)組通常都由電機(jī)或汽輪機(jī)、變速機(jī)、壓縮機(jī)組成，機(jī)組各轉(zhuǎn)子之間由聯(lián)軸器連接而構(gòu)成軸系，傳遞運(yùn)動和扭矩。由于機(jī)器的安裝誤差、機(jī)組承載后的變形以及機(jī)組基礎(chǔ)的沉降不均等原因，往往造成機(jī)器工作時(shí)各轉(zhuǎn)子的軸線之間產(chǎn)生軸線平行位移、軸線角度位移或綜合位移等對中變化誤差。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不對中將產(chǎn)生一系列有害于機(jī)組的動態(tài)效應(yīng)，導(dǎo)致壓縮機(jī)發(fā)生異常振動。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不對中的故障發(fā)生的比較多，因此需要認(rèn)識轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不對中故障的機(jī)理和表現(xiàn)出來的現(xiàn)象，能夠準(zhǔn)確診斷這種故障。
1.2.1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不對中的形式
圖2-1 轉(zhuǎn)子不對中的形式
1.2.2 轉(zhuǎn)子不對中故障的診斷及特征
轉(zhuǎn)子不對中的軸系，不僅改變了轉(zhuǎn)子軸頸與軸承的相互位置和軸承的工作狀態(tài)，同時(shí)也降低了軸系的固有頻率。軸系由于轉(zhuǎn)子不對中，使轉(zhuǎn)子受力及支承所受的附加力是轉(zhuǎn)子發(fā)生異常振動和軸承早期損壞的重要原因。
轉(zhuǎn)子不對中的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的主要振動特征為：
1）振動頻率是轉(zhuǎn)子工作頻率的2倍；
2）由不對中故障產(chǎn)生的對轉(zhuǎn)子的激勵力幅，隨轉(zhuǎn)速的升高而加大；
3）激勵力幅與不對中量成正比，隨不對中量的增加，激勵力幅呈線性加大；
2.轉(zhuǎn)子不對中引起的故障及特征
1)改變了軸承的油膜壓力, 負(fù)荷較小的軸承可能引起油膜失穩(wěn), 因此, 出現(xiàn)Z大振動往往是緊靠聯(lián)軸器兩端的軸承。
2)不對中引起的振幅與轉(zhuǎn)子的負(fù)荷有關(guān), 隨負(fù)荷的增大而增大, 位置低的軸承振幅比位置高的軸承大, 因?yàn)榈臀惠S承被架空, 油膜穩(wěn)定性下降。
3)平行不對中主要引起徑向振動, 角不對中主要引起軸向振動。
4)不對中使聯(lián)軸節(jié)兩側(cè)產(chǎn)生相位差。
5)從振動頻率上分析, 不同形式的不對中產(chǎn)生不同的頻率。
2. 2判斷不對中故障的方法
1)觀察軸承油膜壓力隨負(fù)荷的變化量, 油膜壓力增大, 意味著軸頸與軸承下半的內(nèi)表面的間隙減小, 反之間隙增大。
2)測量機(jī)組熱態(tài)時(shí)的對中情況。
3)利用振動信號判斷不對中狀況是目前的常用方法, 即根據(jù)前面介紹的不對中的特征進(jìn)行判斷。往往振動帶有多種因素, 既要測徑向振動和軸動向振動, 也要測相位, 通過多方面的信息, 才能正確判斷。
3.油膜振蕩
油膜振蕩是高速滑動軸承的一種特有故障, 它是由油膜力產(chǎn)生的自激振動。轉(zhuǎn)子發(fā)生油膜振蕩時(shí)輸入的能量很大, 引起轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)零部件的損壞,甚至整個機(jī)組的毀壞, 因此必須深入了解有效防治。
3.1油膜振蕩的機(jī)理
3.1.1半速渦動與油膜振蕩
有些輕載轉(zhuǎn)子, 半速渦動在較低轉(zhuǎn)速就產(chǎn)生了,從而使轉(zhuǎn)子變?yōu)椴环€(wěn)定, 但由于油膜的剛性和阻尼作用, 抑制了渦動幅度, 使轉(zhuǎn)子仍能平衡工作。但隨著轉(zhuǎn)速的升高, 半速渦動幅值逐漸增加, 直到轉(zhuǎn)速升高到臨界轉(zhuǎn)速的兩倍附近時(shí), 渦動頻率與轉(zhuǎn)子一階自振頻率重合。轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)發(fā)生強(qiáng)烈的油膜共振, 這種共振渦動稱為油膜振蕩, 其頻率為轉(zhuǎn)子的一階自振頻率。
3.1.2油膜振蕩的特征
油膜振蕩往往來勢很猛, 瞬時(shí)振幅突然升高, 很快發(fā)生局部油膜破裂。引起軸頸與軸瓦間的磨擦,發(fā)生吼叫聲, 嚴(yán)重?fù)p壞軸承和轉(zhuǎn)子。判別是否發(fā)生油膜振蕩是從振動頻率是否接近轉(zhuǎn)速的1/2, 但必須與動靜磨擦區(qū)分開來, 動靜磨擦也發(fā)生半頻振動。首先, 觀察振動頻率是否發(fā)生在一階振動頻率上; 其次判別是否存在油膜半速渦動, 一般情況下Ω/ω的比值在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)是不變的。頻譜、軸心軌跡及波形特征是:
(1)較大的徑向振動。頻譜中有明顯而穩(wěn)定的渦動頻率分量可能有高次諧波分量;
(2)軸向振動在渦動頻率處的分量較小;
(3)若在一階臨界轉(zhuǎn)速頻率處出現(xiàn)峰值, 則表明已出現(xiàn)油膜振蕩;
(4)軸心軌跡呈現(xiàn)雙橢圓或紊亂不重合, 軸心軌跡呈現(xiàn)內(nèi)“8”字形;
(5)時(shí)域波形中穩(wěn)定的周期信號占優(yōu)勢, 每轉(zhuǎn)一周少于一個峰值,沒有較大的加速度沖擊現(xiàn)象。
3. 2油膜振蕩的防治措施
1)避開油膜共振區(qū): 使壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速避免在一階臨界轉(zhuǎn)速的2倍附近運(yùn)轉(zhuǎn)。
2)增加軸承比壓: 即增加軸瓦工作面上單位面積所承受的載荷。增加比壓就等于增加軸頸的偏心率, 提高油膜的穩(wěn)定性。
3)減少軸承間隙: 軸承間隙減小, 側(cè)可提高發(fā)生油膜振蕩的轉(zhuǎn)速。
4)控制適當(dāng)?shù)妮S瓦預(yù)負(fù)荷: 預(yù)負(fù)荷為正值, 就是軸瓦內(nèi)表面上的曲率半徑大于軸承內(nèi)圓半徑, 等于起到增大偏心距的作用。
5)選用抗振好的軸承: 圓柱軸承抗抗性Z差,其次是橢圓軸承Z好的是三油楔和四油楔軸承。
6)調(diào)整油溫: 升高油溫, 減小油的粘度, 可以增加軸頸在軸承的偏心率, 有利于軸頸穩(wěn)定。
4.轉(zhuǎn)子與氣封間的磨擦
為了提高離心壓縮機(jī)的效率, 往往把密封間隙、葉輪頂間隙做得較小, 以減小氣體的泄漏, 但是小間隙除了會引起流體動力激振外還容易發(fā)生轉(zhuǎn)子與氣封的磨擦。轉(zhuǎn)子與氣封的磨擦有兩種: 一種是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中, 轉(zhuǎn)子與氣封發(fā)生局部碰磨。另一種是轉(zhuǎn)子與氣封發(fā)生大弧度磨擦接觸。
4.1發(fā)生局部碰磨的特征
發(fā)生局部碰磨時(shí), 接觸力和轉(zhuǎn)子運(yùn)動之間為非線性關(guān)系, 使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生次諧波和高次諧波振動。局部碰磨一般是不對稱的非線性振動, 因此多數(shù)情況下產(chǎn)生轉(zhuǎn)速頻率的1/2次諧波振動, 當(dāng)轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)子一階自振頻率的2倍時(shí), 就會產(chǎn)生共振。
4.2發(fā)生大弧度磨擦振動的特征
1)大弧度磨擦甚至整周磨擦, 會產(chǎn)生很大的磨擦力, 使轉(zhuǎn)子由正向渦動變?yōu)榉聪驕u動。轉(zhuǎn)子發(fā)生大面積磨擦?xí)r, 在波形圖?就會發(fā)生單邊波峰“削波”現(xiàn)象。在雙綜示波器上觀察轉(zhuǎn)子的進(jìn)動方向,如果出現(xiàn)由正向進(jìn)動, 變?yōu)榉聪蜻M(jìn)動, 就表示轉(zhuǎn)子發(fā)生了全磨擦。
2)在剛開始發(fā)生磨擦接觸時(shí), 由于轉(zhuǎn)子的不平衡, 轉(zhuǎn)速頻率成分幅值較高, 高次諧波中第二、第三次諧波一般并不高, 第二次諧波幅值必大于第三次諧波。隨著轉(zhuǎn)子接觸弧的增大, 磨擦起到附加的支撐作用, 轉(zhuǎn)速頻率幅值有所下降, 二、三?諧波幅值,由于附加非線性作用而明顯增加。
5.旋轉(zhuǎn)脫離與喘振
5.1旋轉(zhuǎn)脫離機(jī)理
當(dāng)離心式壓縮機(jī)工況發(fā)生變化時(shí)如果流過壓縮機(jī)的量減小到一定程度, 進(jìn)入葉輪或擴(kuò)壓器的氣流方向發(fā)生變化, 氣流向著葉片工作面產(chǎn)生沖擊, 在葉片非工作面上產(chǎn)生很多氣流旋渦, 旋渦逐漸增多, 使流道流通面積減少。假如2 流道中旋渦較多, 多余的氣體就會進(jìn)1和3葉道, 進(jìn)入1 葉道的氣體正好沖擊葉片非工作面, 使旋渦減少, 而進(jìn)入了葉道的氣體沖擊工作面使旋渦增多, 堵塞流道的有效流通面積, 迫使氣流折向其它流道如此發(fā)展下去, 旋渦組成的氣團(tuán)轉(zhuǎn)速反向傳播, 并產(chǎn)生振動。
5.2旋轉(zhuǎn)失速的類型及特征
1)類型: 旋轉(zhuǎn)失速有漸進(jìn)型和突變型兩種。漸進(jìn)型失速是隨氣量的減小, 氣流堵塞區(qū)所占的面積是逐漸擴(kuò)大的; 突變型失速是在氣量減少到一定程度后失速區(qū)迅速擴(kuò)大, 占據(jù)較大面積, 更容易產(chǎn)生較大的氣流脈沖, 會引起強(qiáng)烈的機(jī)器和管道的振動。
2)特征: (1)失速區(qū)內(nèi)氣體減速流動, 依次在各個葉道內(nèi)出現(xiàn)與旋轉(zhuǎn)方向相反做環(huán)向移動, 葉輪內(nèi)壓力是軸不對稱的。(2)旋轉(zhuǎn)失速產(chǎn)生的振動基本頻率, 葉輪失速0. 5~ 0. 8轉(zhuǎn)速頻率擴(kuò)壓器失速在0. 1~ 0. 5轉(zhuǎn)速頻率。(3)壓縮進(jìn)入旋轉(zhuǎn)失速后, 壓力發(fā)生脈動, 但流量基本不變。(4)旋轉(zhuǎn)失速引起的振動,強(qiáng)度比喘振小。
5.3喘振
喘振是突變型失速的進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)氣量進(jìn)一步減小時(shí), 壓縮機(jī)整個流量被氣體旋渦區(qū)所占據(jù), 這時(shí)壓縮機(jī)出口壓力會突然下降。但是有較大容量的管網(wǎng)壓力并不會馬上下降, 出現(xiàn)管網(wǎng)氣體向壓縮機(jī)倒流現(xiàn)象。當(dāng)管網(wǎng)壓力下降到低于壓縮機(jī)出口壓力時(shí), 氣體倒流停止, 壓縮機(jī)又恢復(fù)到原來壓力后, 又會出現(xiàn)整個流道內(nèi)的旋渦區(qū)。這樣周而復(fù)始, 出現(xiàn)了壓力和流量周期性的脈動, 并發(fā)出低頻吼叫, 機(jī)組產(chǎn)生劇烈振動。振動振幅和頻率與管網(wǎng)容積大小密切相關(guān)。管網(wǎng)容量越大, 喘振頻率越低, 振幅越大。多數(shù)大容量機(jī)組的振動頻率< 1Hz。
喘振產(chǎn)生的原因是:
1) 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下降而出口壓力未下降;
2) 管網(wǎng)壓力升高;
3) 壓縮機(jī)流量下降;
4) 壓縮進(jìn)氣溫度高;
5) 分子量減小;
6) 壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力下降或入口管網(wǎng)阻力增大。
（來源：煤化工聯(lián)盟）
