王同慶，鄒繼賢，王方舟，張校瑜

（中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽(yáng) 621000）

0 引言

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子是由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)盤(pán)、軸套、推力盤(pán)、平衡盤(pán)等多個(gè)部件組成的機(jī)械設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)組增壓功能最核心的做功部件。隨著工業(yè)發(fā)展，對(duì)轉(zhuǎn)子設(shè)備的輕量化及性能要求越來(lái)越高，高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速及高負(fù)荷等因素對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)造成的失效與故障問(wèn)題愈發(fā)凸顯；部件松動(dòng)是眾多轉(zhuǎn)子故障中的一種，通常松動(dòng)故障一般是由于安裝質(zhì)量不高及長(zhǎng)期的振動(dòng)引起的。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的松動(dòng)故障從其類(lèi)型上可分為旋轉(zhuǎn)部件的松動(dòng)和非旋轉(zhuǎn)部件的松動(dòng)；從當(dāng)前研究熱點(diǎn)以及工程實(shí)際故障看，多集中在非旋轉(zhuǎn)部件的松動(dòng)故障方面，如基礎(chǔ)松動(dòng)、軸承基座松動(dòng)或軸承與軸承座的配合松動(dòng)等，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)子盤(pán)軸松動(dòng)故障的案例雖然相對(duì)較少，但也偶有發(fā)生[1-2]。由于松動(dòng)故障存在一定程度上的隨機(jī)性及不確定性，通過(guò)平衡或?qū)χ刑幚淼炔o(wú)法解決故障問(wèn)題，因此常導(dǎo)致故障處理反復(fù)且得不到根本處理[3-4]。

給出某離心式壓縮機(jī)振動(dòng)爬升并發(fā)散的不穩(wěn)定振動(dòng)故障，結(jié)合振動(dòng)故障現(xiàn)象、拆檢排查以及振動(dòng)頻譜特征等進(jìn)行定位分析，鎖定導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)不穩(wěn)定的因素源于轉(zhuǎn)子自身缺陷；最終通過(guò)拆檢發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子存在防轉(zhuǎn)頂絲失效導(dǎo)致推力盤(pán)鎖緊螺母松動(dòng)的故障問(wèn)題。

1 故障機(jī)組概況

發(fā)生振動(dòng)故障的機(jī)組為MCL1003 型多級(jí)離心式壓縮機(jī)組；壓縮機(jī)由額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min 的同步電動(dòng)機(jī)經(jīng)增速機(jī)增速后拖動(dòng)運(yùn)行，壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速為5867 r/min；驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)方式為變頻啟動(dòng)，實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)看壓縮臨界轉(zhuǎn)速約為4576 r/min（對(duì)應(yīng)變頻啟動(dòng)系統(tǒng)頻率為39 Hz）。壓縮機(jī)、電機(jī)與增速機(jī)均采用膜片式柔性聯(lián)軸器連接，壓縮機(jī)軸承座為非獨(dú)立式軸承座，與壓縮機(jī)缸體一體，壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)端為支撐軸承（1#），非驅(qū)動(dòng)端為支撐軸承（2#）和止推軸承（3#）。壓縮機(jī)在1#、2#軸承各安裝兩個(gè)成90°夾角的電渦流軸振動(dòng)探頭，用于監(jiān)測(cè)機(jī)組徑向振動(dòng)；其中1#軸承兩個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為VE13A/B，2#軸承兩個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為VE14A/B；在3#推力軸承側(cè)安裝電渦流軸位移探頭用于監(jiān)測(cè)機(jī)組軸向位移，編號(hào)為XE12。壓縮機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 壓縮機(jī)軸系結(jié)構(gòu)

2 振動(dòng)故障現(xiàn)象及排查

2.1 機(jī)組振動(dòng)情況

在某次試驗(yàn)運(yùn)行中，機(jī)組在變頻啟動(dòng)完畢轉(zhuǎn)入工頻運(yùn)行后機(jī)組4 個(gè)徑向軸振動(dòng)最大值不超過(guò)18.9 μm；與前一級(jí)機(jī)組串聯(lián)并轉(zhuǎn)入滿載后，隨著排氣壓力載荷增加，機(jī)組4 點(diǎn)軸振動(dòng)同步以較快速率爬升至最大幅值47.5 μm，并有繼續(xù)爬升趨勢(shì)；為避免機(jī)組振動(dòng)爬升觸發(fā)聯(lián)鎖停機(jī)對(duì)上一級(jí)機(jī)組造成影響，遂將機(jī)組退出單機(jī)節(jié)流運(yùn)轉(zhuǎn)工況；在機(jī)組退出節(jié)流過(guò)程中及退出后機(jī)組振動(dòng)仍未下降或趨穩(wěn)，最終觸發(fā)機(jī)組振動(dòng)聯(lián)鎖防護(hù)值而停機(jī)，最高振動(dòng)值達(dá)90 μm；機(jī)組在停機(jī)惰轉(zhuǎn)過(guò)程中，機(jī)組內(nèi)部有明顯的發(fā)悶、類(lèi)似轉(zhuǎn)子抖動(dòng)的聲音（其他同型機(jī)組停機(jī)過(guò)程中無(wú)該現(xiàn)象）；機(jī)組軸振動(dòng)爬升趨勢(shì)見(jiàn)圖2。

2.2 機(jī)組拆檢及排查情況

為了鎖定導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題的原因，在機(jī)組停機(jī)熱態(tài)狀態(tài)下立即對(duì)機(jī)組進(jìn)行拆檢；同時(shí)對(duì)機(jī)組配套相關(guān)系統(tǒng)以及機(jī)組歷史運(yùn)行機(jī)械及氣動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比排查。具體內(nèi)容及排查情況如下：①對(duì)機(jī)組振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及工藝測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行檢查，系統(tǒng)正常；②對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行拆檢，著重對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子、定子、氣封及軸瓦進(jìn)行針對(duì)性檢查：轉(zhuǎn)子無(wú)靜動(dòng)件碰磨、外觀未見(jiàn)異常、熱態(tài)下轉(zhuǎn)軸撓度滿足設(shè)計(jì)要求；上下定子隔板、回流器、擴(kuò)壓器及進(jìn)排氣室外觀檢查正常、無(wú)異物堵塞；氣封間隙檢查滿足要求；軸瓦配合參數(shù)滿足要求、瓦塊靈活、無(wú)異常碰磨；軸承座殼體外觀檢查無(wú)異常、緊固可靠；聯(lián)軸器連接可靠、膜片組正常；機(jī)組下定子錨爪緊固螺栓及地腳螺栓緊固、未見(jiàn)松動(dòng)；③對(duì)機(jī)組配套周邊設(shè)備進(jìn)行排查：機(jī)組進(jìn)出口管網(wǎng)法蘭緊固良好，管道未見(jiàn)異常變形、干涉等；機(jī)組配套工藝調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)關(guān)機(jī)械閥位與上位機(jī)指示一致，管網(wǎng)內(nèi)部檢查無(wú)異物堵塞；④結(jié)合機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)與發(fā)生故障時(shí)的運(yùn)行氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，機(jī)組在啟動(dòng)、低負(fù)荷及滿負(fù)荷工況下其運(yùn)行氣動(dòng)性能參數(shù)與正常運(yùn)行時(shí)均具有良好的一致性。

機(jī)組振動(dòng)系統(tǒng)檢查正常，4 點(diǎn)振動(dòng)同步爬升，說(shuō)明機(jī)組真實(shí)存在振動(dòng)故障，排除振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)自身故障而導(dǎo)致的誤測(cè)可能；通過(guò)機(jī)組本體拆檢，初步排除機(jī)組存在熱態(tài)彎曲、定轉(zhuǎn)子碰磨或聯(lián)軸器損壞以及軸承安裝不滿足要求等方面的可能性；同時(shí)結(jié)合機(jī)組配套工藝管網(wǎng)、調(diào)節(jié)閥門(mén)、氣動(dòng)參數(shù)對(duì)比等排除機(jī)組流道堵塞導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生喘振的可能。但從拆檢及排查情況仍無(wú)法鎖定導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題的根因。

3 故障定位分析

3.1 機(jī)組振動(dòng)頻譜特征

為支撐排故分析，決定機(jī)組恢復(fù)安裝后進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行并進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試；由于機(jī)組配套測(cè)振系統(tǒng)不具備頻譜分析功能，且由于機(jī)組結(jié)構(gòu)限制不具備外部測(cè)振儀器布置條件；因此決定利用機(jī)組自帶本特利探頭前置器引出信號(hào)接入外部測(cè)量分析系統(tǒng)，達(dá)到監(jiān)測(cè)并獲取轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻譜特性的目的；由于位移標(biāo)定問(wèn)題，該數(shù)據(jù)主要作為特征頻率分析支撐，幅值僅做參考。

圖2 機(jī)組軸振動(dòng)趨勢(shì)

再一次調(diào)試運(yùn)行，機(jī)組回流啟動(dòng)完畢后，軸振動(dòng)幅值在無(wú)工況變化情況下，轉(zhuǎn)子各點(diǎn)振動(dòng)在10 min 內(nèi)爬升至聯(lián)鎖停機(jī)值；爬升過(guò)程中4 個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值爬升趨勢(shì)一致，與拆檢之前故障現(xiàn)象類(lèi)似，具體見(jiàn)圖3。啟動(dòng)過(guò)程中過(guò)臨界頻率約34 Hz（對(duì)應(yīng)變頻啟動(dòng)系統(tǒng)頻率，折算轉(zhuǎn)速約為3989 r/min），最大振動(dòng)響應(yīng)點(diǎn)VE14A 點(diǎn)振動(dòng)43 μm；其臨界轉(zhuǎn)速頻率明顯低于其他同型機(jī)組以及本機(jī)組正常時(shí)的臨界頻率39 Hz，且過(guò)臨界振動(dòng)響應(yīng)幅值高于其他同型機(jī)組（其他同型機(jī)組過(guò)臨界振動(dòng)最大約25 μm）。

圖3 啟動(dòng)至停機(jī)軸振動(dòng)爬升趨勢(shì)

機(jī)組啟動(dòng)升速過(guò)程以及轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行后，轉(zhuǎn)子振動(dòng)主要表現(xiàn)為以壓縮機(jī)基頻（96.8 Hz）成分為主，同時(shí)伴有有一定的高頻分量（2×、3×、4×…）；其中VE14A 和VE14B 測(cè)點(diǎn)（非軸伸端）及軸位移測(cè)點(diǎn)XE12 的高頻分量幅值較軸伸端明顯，并且表現(xiàn)出隨著分頻倍數(shù)的增大、幅值降低的特征；轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻率特征見(jiàn)圖4。

轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻譜瀑布圖見(jiàn)圖5；從中可以看出在運(yùn)行過(guò)程中，僅轉(zhuǎn)子基頻成分幅值有明顯的爬升，其它頻率成分變化不明顯；說(shuō)明導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)爬升的主要因素為基頻成分幅值的增加。轉(zhuǎn)子基頻分量及相位頻趨勢(shì)圖見(jiàn)圖6；從圖中可以看出在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行階段，轉(zhuǎn)子5 個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)基頻分量不斷爬升，但相位總體穩(wěn)定基本保持不變。

圖4 轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻率特征

圖5 轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻譜瀑布圖

圖6 轉(zhuǎn)子基頻分量及相位趨勢(shì)

3.2 故障分析定位

根據(jù)機(jī)組振動(dòng)故障現(xiàn)象、機(jī)組初步拆檢排查及頻譜特征，對(duì)振動(dòng)故障發(fā)生的原因做了進(jìn)一步分析定位。

①機(jī)組在啟動(dòng)升速過(guò)程中，其臨界頻率較正常情況下及其他同型機(jī)組偏低，說(shuō)明轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)或轉(zhuǎn)子自身剛度發(fā)生了變化；同時(shí)機(jī)組過(guò)臨界的不平衡相應(yīng)較其他同型設(shè)備明顯偏大，表明該轉(zhuǎn)子不平衡量比較相對(duì)偏大；②機(jī)組在升速以及運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)子振動(dòng)以基頻為主，并且伴隨明顯的倍頻成分；且在非軸伸端倍頻成分突出，表現(xiàn)為隨著分頻倍數(shù)的增大、幅值降低的典型特征；不排除機(jī)組支撐或轉(zhuǎn)子存在松動(dòng)的可能；③轉(zhuǎn)子振動(dòng)的爬升主要因素為基頻成分幅值的增加，但與常見(jiàn)的由動(dòng)靜摩擦導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子彎曲或轉(zhuǎn)子熱不平衡等不穩(wěn)定的強(qiáng)迫振動(dòng)不同的是，其在振動(dòng)爬升的過(guò)程中相位總體穩(wěn)定；④從拆檢及排查情況看，機(jī)組軸承配合參數(shù)正常、安裝符合要求；由此可以排除軸承安裝缺陷等導(dǎo)致支撐不良，進(jìn)而引發(fā)機(jī)組出現(xiàn)上述異常振動(dòng)的可能性。

綜合上述分析，與同型機(jī)組對(duì)比看該機(jī)組轉(zhuǎn)子不平衡量偏大，但僅是不平衡量超標(biāo)，只能引發(fā)較高幅值的穩(wěn)定強(qiáng)迫振動(dòng)；但在工作轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子基頻分量持續(xù)增大導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)超限，表明轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)不穩(wěn)定，還有其他可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子耦合激勵(lì)的因素在不斷輸入振動(dòng)能量；在排除外部影響因素后，推斷轉(zhuǎn)子其自身可能存在松動(dòng)或不可見(jiàn)缺陷，還需進(jìn)一步排查[5]。

4 故障鎖定及處理

4.1 故障原因鎖定

根據(jù)分析結(jié)論，對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)子進(jìn)行了進(jìn)一步深入全面檢查，內(nèi)容主要包括：轉(zhuǎn)子全面著色檢查、電跳位剩磁檢測(cè)、同軸度及漂擺檢查以及低速平衡效驗(yàn)；經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子推力盤(pán)鎖緊螺母（螺紋連接方式）存在明顯松動(dòng)問(wèn)題，用手即可旋動(dòng)；導(dǎo)致其松動(dòng)的原因?yàn)殒i母防轉(zhuǎn)頂絲失效，可能與原始安裝不到位有關(guān)，具體見(jiàn)圖7；同時(shí)通過(guò)平衡發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子不平衡量超標(biāo)，不滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 轉(zhuǎn)子推力盤(pán)鎖緊螺母松動(dòng)情況

4.2 處理措施及運(yùn)行效果

針對(duì)轉(zhuǎn)子發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，采取了如下處理措施：①將鎖母防轉(zhuǎn)頂絲破拆后對(duì)鎖緊側(cè)施加外力進(jìn)行徑向加固，調(diào)整推力盤(pán)與鎖母接觸面間隙、控制鎖母與位移盤(pán)間隙約（0.10～0.11）mm 間隙且圓周均勻，滿足設(shè)計(jì)要求；加固后防轉(zhuǎn)頂絲擴(kuò)孔套絲并加固沖死以保證緊固可靠；②轉(zhuǎn)子按要求重新進(jìn)行低速平衡；平衡后進(jìn)行高速平衡，支撐側(cè)振動(dòng)速度0.27 mm/s，推力側(cè)振動(dòng)速度0.48 mm/s（設(shè)計(jì)要求≤1.0 mm/s）；為了確定是否還存在其他松動(dòng)可能，又重復(fù)進(jìn)行2 次高速平衡效驗(yàn)，并在工作轉(zhuǎn)速下持續(xù)5 min 運(yùn)轉(zhuǎn)，各次測(cè)量結(jié)果一致，振幅在±0.08 mm/s 上下范圍波動(dòng)，未形成上漲或過(guò)大的波動(dòng)趨勢(shì)，滿足設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過(guò)上述處理、重新恢復(fù)機(jī)組后進(jìn)行了調(diào)試驗(yàn)證，機(jī)組升速過(guò)程中臨界頻率恢復(fù)為39 Hz，過(guò)臨界振動(dòng)響應(yīng)最大12.7 μm，較檢修前大幅降低；機(jī)組在低負(fù)荷及滿負(fù)荷工況下最大振動(dòng)不超過(guò)20 μm，振動(dòng)發(fā)散故障現(xiàn)象消失，振動(dòng)穩(wěn)定、運(yùn)行平穩(wěn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子部件由于長(zhǎng)期振動(dòng)或裝配工藝不當(dāng)?shù)?，存在造成配合失效進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子部件松動(dòng)問(wèn)題出現(xiàn)的可能。從本案例看，轉(zhuǎn)子推力盤(pán)鎖緊螺母松動(dòng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速發(fā)生較為明顯的改變，并在運(yùn)行中導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)耦合激勵(lì)的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)不穩(wěn)定、發(fā)散并惡化轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)情況，使機(jī)組無(wú)法正常運(yùn)行。轉(zhuǎn)子部件松動(dòng)導(dǎo)致的振動(dòng)問(wèn)題其故障特征通常又與轉(zhuǎn)子不平衡、不對(duì)中等故障類(lèi)似，在工程上處理時(shí)容易以轉(zhuǎn)子平衡或?qū)χ胁涣脊收线M(jìn)行處理，導(dǎo)致故障處理的反復(fù)并難以解決；因此在處理振動(dòng)故障時(shí)應(yīng)結(jié)合故障現(xiàn)象、數(shù)據(jù)及特征等進(jìn)行綜合分析以縮小故障范圍定位，提高排故效率。