鐘 鈺 吳 菘 哈玉梅

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)安裝檢修配件有限公司，遼寧 沈陽110000）

1 振動(dòng)特征及故障原因分析

為了尋找離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的故障原因，需要對(duì)該機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)頻譜分析，利用該機(jī)組所安裝的轉(zhuǎn)子振動(dòng)位移測(cè)量渦流傳感器采集振動(dòng)信號(hào)[2]，將頻譜分析儀接入本特利3500 的緩存輸出口，采集原始電壓信號(hào)，對(duì)原始電壓信號(hào)的波形進(jìn)行傅立葉變換，對(duì)構(gòu)成的波形頻譜圖進(jìn)行分析，判斷故障原因。

1.1 振動(dòng)特征

對(duì)啟動(dòng)過程以及運(yùn)行過程中的軸振進(jìn)行分析，得到下列特征：

第一，達(dá)到工作轉(zhuǎn)速之后的轉(zhuǎn)子振動(dòng)特征：在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到工作轉(zhuǎn)速之后的十三分鐘，振動(dòng)的頻譜見圖1，振動(dòng)的成分只包括工頻。而在軸振爬升發(fā)生七分鐘之后，振動(dòng)成分依然只包括工頻。

圖1 達(dá)到工作轉(zhuǎn)速后軸振的頻譜圖

第二，軸振趨勢(shì)特征：電機(jī)的啟動(dòng)速度較快，因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到工作轉(zhuǎn)速的時(shí)間也較少[3]。觀察圖2，能夠發(fā)現(xiàn)在加速的過程中，轉(zhuǎn)子在經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速的時(shí)候，軸振較為明顯，但是在短時(shí)間內(nèi)又恢復(fù)至正常值。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到工作轉(zhuǎn)速的十三分鐘之后，軸振處于正常狀態(tài)；接著軸振爬升，爬升六分鐘之后，離心壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)端的軸振大于100μm，最終機(jī)組振動(dòng)達(dá)到連鎖停機(jī)值，機(jī)組停車。

圖2 轉(zhuǎn)子出氣口軸振趨勢(shì)圖

第三，加速過程的振動(dòng)特征：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速之前軸振的時(shí)域及頻譜見圖3，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速之前，主要的振動(dòng)成為工頻，占通頻的百分之九十五左右，存在少部分的二倍頻。觀察軸振的視域，發(fā)現(xiàn)其存在輕微的削波狀況。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速即將到達(dá)臨界轉(zhuǎn)速的時(shí)候，轉(zhuǎn)子振動(dòng)顯著增大，工頻是主要的振動(dòng)成分，振動(dòng)為簡(jiǎn)單的諧波[4]。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過臨界轉(zhuǎn)速之后，轉(zhuǎn)子振動(dòng)明顯減小，工頻是主要的振動(dòng)成分，存在較為明顯的二倍頻，此時(shí)軸振波峰出現(xiàn)明顯波動(dòng)。

圖3 機(jī)組啟動(dòng)時(shí)軸振時(shí)域及頻譜圖

1.2 故障原因初步分析

在轉(zhuǎn)子達(dá)到工作轉(zhuǎn)速之后，工頻為主要的振動(dòng)成分，說明振動(dòng)極有可能是質(zhì)量平衡性不足而導(dǎo)致的，經(jīng)初步分析，造成質(zhì)量平衡性不足的原因包括:第一，運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱彎曲[5]；第二，原始質(zhì)量平衡性不足；第三，原始軸彎曲。觀察振動(dòng)的趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在一開始的時(shí)候并無太大振動(dòng)，說明原始軸彎曲以及原始質(zhì)量平衡性不足不是軸振的原因，通過對(duì)機(jī)組進(jìn)行檢查，也并未發(fā)現(xiàn)軸彎曲，工作人員也采取了低速動(dòng)平衡措施，但是振動(dòng)故障仍存在，表示原始軸彎曲以及原始質(zhì)量平衡性不足并非振動(dòng)爬升的原因。為了確定軸振與工況的關(guān)系，在制定測(cè)試方案的時(shí)候，選擇將進(jìn)氣閥關(guān)閉[6]，測(cè)試結(jié)果顯示，在啟動(dòng)過程中以及試運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，工況無變化，所以將工況原因排除。最終認(rèn)為轉(zhuǎn)子和密封摩擦所造成的熱彎曲與軸振有密切關(guān)系，因?yàn)闊釓澢皇且粋€(gè)短期過程，因此在機(jī)組停機(jī)之后，轉(zhuǎn)子又會(huì)恢復(fù)至正常狀態(tài)。

1.3 轉(zhuǎn)子密封碰磨故障的認(rèn)定

在產(chǎn)生動(dòng)靜摩擦的過程中，圓周各個(gè)點(diǎn)上所進(jìn)行的摩擦程度也各有差異，摩擦情況較輕的一端的溫度會(huì)比摩擦情況為嚴(yán)重的一端更低，從而造成轉(zhuǎn)子徑向截面之上分布的溫度不夠均勻，繼而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱彎曲。接著熱彎曲會(huì)引發(fā)一個(gè)不平衡力，在此不平衡力作用到轉(zhuǎn)子上的時(shí)候，就會(huì)和原始存在的不平衡共同引發(fā)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)，這即是轉(zhuǎn)子碰磨熱彎曲效應(yīng)。在轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速比臨界轉(zhuǎn)速更小的時(shí)候，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)對(duì)于出現(xiàn)的摩擦現(xiàn)象極為敏感，這時(shí)候，因?yàn)檗D(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速比臨界轉(zhuǎn)速更小，且振動(dòng)的滯后角＜90°，振動(dòng)越高的點(diǎn)就是摩擦越嚴(yán)重的點(diǎn)，致使該處的溫度比對(duì)側(cè)更高，在熱彎曲的作用下，出現(xiàn)了一個(gè)熱不平衡量，原始的機(jī)械不平衡和此熱不平衡之間的夾角＜90°，在此熱不平衡和原始不平衡合成一個(gè)新的不平衡，此新不平衡比原始不平衡更大，從而加劇動(dòng)靜摩擦，隨著轉(zhuǎn)子摩擦愈來愈嚴(yán)重，所產(chǎn)生的熱彎曲也隨之愈來愈大，最終形成惡性循環(huán)。在轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速超過臨界轉(zhuǎn)速的時(shí)候，振動(dòng)滯后角將會(huì)＞90°，此時(shí)，在振動(dòng)的高點(diǎn)，依然會(huì)出現(xiàn)一個(gè)熱不平衡量，在這個(gè)時(shí)候，原始機(jī)械不平衡與熱不平衡之間存在的夾角＞90°，所以，熱不平衡和原始不平衡合成一個(gè)新的不平衡，此新不平衡比原不平衡小，從而造成振動(dòng)幅度愈來愈小的情況，而不是摩擦愈嚴(yán)重振動(dòng)愈嚴(yán)重。在轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘5400轉(zhuǎn)之后，第一階的臨界轉(zhuǎn)速大約為每分鐘2300 轉(zhuǎn)，第二階的臨界轉(zhuǎn)速大約為每分鐘8700 轉(zhuǎn)，該轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速比第二階臨界轉(zhuǎn)速更低，但是比第一階臨界轉(zhuǎn)速更高。觀察該離心壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子與密封，發(fā)現(xiàn)在第二階不平衡區(qū)段比較容易出現(xiàn)密封碰磨。因此，認(rèn)為摩擦能夠激發(fā)第二階的不平衡分量，在轉(zhuǎn)子達(dá)到工作轉(zhuǎn)速時(shí)，第二階的不平衡和其所造成的振動(dòng)之間存在的滯后角＜90°，從而導(dǎo)致隨著轉(zhuǎn)子摩擦程度愈加嚴(yán)重，熱彎曲也會(huì)隨之增大，從而造成轉(zhuǎn)子的振動(dòng)出現(xiàn)持續(xù)性的增加，直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的振動(dòng)達(dá)到停機(jī)標(biāo)準(zhǔn)值，最終造成機(jī)組停機(jī)。

2 故障驗(yàn)證及其處理措施

2.1 故障原因的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過分析在試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸振的頻譜以及時(shí)域，按照相關(guān)轉(zhuǎn)子碰磨理論以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，判斷轉(zhuǎn)子與密封的碰磨是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)振動(dòng)故障的主要因素。為了對(duì)此結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，將各級(jí)輪蓋密封、1、2 級(jí)密封級(jí)間密封、3、4 級(jí)級(jí)間密封以及段間密封去掉，開展試運(yùn)行。試運(yùn)行時(shí)間為100 分鐘，在試運(yùn)行結(jié)束后，觀察機(jī)組在無密封試運(yùn)行時(shí)的軸振趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)在出氣方軸承周圍的軸振均＜25 微米；觀察在加速時(shí)的軸振頻譜，發(fā)現(xiàn)工頻是主要的振動(dòng)成分，且存在較為明顯的三倍頻以及二倍頻。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到工作轉(zhuǎn)速之后的軸振頻譜中，工頻是主要的振動(dòng)成分。在試運(yùn)行期間，轉(zhuǎn)子無振動(dòng)爬升現(xiàn)象。由此確定了轉(zhuǎn)子與密封的碰磨是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)故障的主要因素，在熱效應(yīng)的作用下，激發(fā)了第二階的不平衡分量，從而造成熱彎曲振動(dòng)。出現(xiàn)碰磨是因?yàn)樵诓黄胶獾淖饔弥拢穗x心壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子會(huì)出現(xiàn)一定程度的動(dòng)撓度，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與密封出現(xiàn)摩擦，從而引發(fā)熱不平衡以及轉(zhuǎn)子熱彎曲失去穩(wěn)定性。

2.2 第一種故障處理措施

因?yàn)椴荒芨淖冝D(zhuǎn)子，因此選擇調(diào)整轉(zhuǎn)子的徑向間隙，一級(jí)以及三級(jí)葉輪和輪蓋密封之間的原始動(dòng)靜間隙為0.25 毫米至0.35 毫米，將其調(diào)整為0.35 毫米至0.50 毫米；二級(jí)以及四級(jí)葉輪和輪蓋密封之間的原始動(dòng)靜間隙為0.25 毫米至0.35 毫米，將其調(diào)整為0.4 毫米至0.55 毫米。而一級(jí)、二級(jí)的級(jí)間密封、三級(jí)、四級(jí)的級(jí)間密封以及段間密封的動(dòng)靜密封間隙調(diào)整至0.25 毫米至0.32 毫米。在修復(fù)密封之后，觀察機(jī)組在試運(yùn)行時(shí)的軸振趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)在出氣口軸承周圍的軸承＜20 微米，觀察加速時(shí)的軸承頻譜，發(fā)現(xiàn)工頻為主要的振動(dòng)成分，且存在較為明顯的二倍頻。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到工作轉(zhuǎn)速之后，觀察軸振頻譜，發(fā)現(xiàn)工頻是主要的振動(dòng)成分。在試運(yùn)行之后，轉(zhuǎn)子無振動(dòng)爬升現(xiàn)象，表示振動(dòng)故障判斷正確，且處理效果較為良好。

2.3 第二種故障處理措施

為了對(duì)故障原因判斷哪的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，將機(jī)組低壓缸解體，開展檢查工作，發(fā)現(xiàn)密封和轉(zhuǎn)子之間存在較為較為明顯的摩擦，密封的牙尖位置出現(xiàn)密封碎屑，且磨損程度較為嚴(yán)重，在密封和轉(zhuǎn)子的接觸部位，出現(xiàn)摩擦所致的“亮條”。將密封更換，測(cè)量轉(zhuǎn)子和密封之間的間隙，同時(shí)對(duì)間隙數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，使其符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)就要求。在將機(jī)組重組完畢之后，再次開車，此時(shí)低壓缸的1V1X 振動(dòng)值為22μ,1V2Y 振動(dòng)值為22μ,1Y3X 振動(dòng)值為14μ，1V4Y 為15μ，壓力升高至滿負(fù)荷，四個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)值沒有出現(xiàn)顯著變化，觀察圖4 可發(fā)現(xiàn)，1V4Y 點(diǎn)振動(dòng)的主要是工頻，且振動(dòng)數(shù)值較為穩(wěn)定，無低次諧波。

圖4 機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下的頻譜圖

3 結(jié)論

測(cè)試某工廠的離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障，通過分析在不同時(shí)刻以及不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)頻譜特征、時(shí)域特征以及啟動(dòng)時(shí)以及在工作轉(zhuǎn)速之下的軸振變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子與密封之間的碰磨是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子故障的主要因素。把轉(zhuǎn)子退出隔板密封之后，運(yùn)行無異常，且效果較為靈活，說明轉(zhuǎn)子故障原因判斷正確，因此積極對(duì)密封間隙進(jìn)行了調(diào)整，有效消除轉(zhuǎn)子的振動(dòng)故障，機(jī)組的整體運(yùn)行效果良好且無異常。