楊勇，侯望，唐開(kāi)明，王陳，程凱星

（瀘州老窖股份有限公司，四川 瀘州 646000）

往復(fù)式壓縮機(jī)在石油化工、采礦冶金等工業(yè)氣體壓縮輸送領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，因其具有單級(jí)壓縮比大，特別適應(yīng)低流量高壓縮比工況，在釀酒行業(yè)通常作為沼氣壓縮機(jī)。往復(fù)式壓縮機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)機(jī)有電動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等，如果使用燃?xì)廨啓C(jī)或者汽輪機(jī)作為往復(fù)式壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，則需要有變速機(jī)構(gòu)和阻尼裝置，傳動(dòng)系統(tǒng)由于笨重的設(shè)計(jì)，在現(xiàn)場(chǎng)使用極為不便，因此在石油化工、海上油氣開(kāi)采、釀酒等行業(yè)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)式壓縮機(jī)最為常見(jiàn)。

往復(fù)式壓縮機(jī)通常是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，具有單機(jī)價(jià)值高、維修復(fù)雜的特點(diǎn)，它的運(yùn)行狀態(tài)直接影響企業(yè)的生產(chǎn)效率和維修成本。往復(fù)式壓縮機(jī)軸向竄動(dòng)通常會(huì)導(dǎo)致止推環(huán)磨損咬死、滑動(dòng)軸承巴氏合金熔化、曲軸磨損等嚴(yán)重故障，因此，研究往復(fù)式壓縮機(jī)軸向竄動(dòng)原因并提出有效的控制措施，對(duì)提高機(jī)組的可靠性，提高生產(chǎn)效率和降低維修成本具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 軸向力對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)零部件的影響

1.1 對(duì)止推環(huán)的影響

往復(fù)式壓縮機(jī)是通過(guò)曲軸帶動(dòng)連桿，由連桿將驅(qū)動(dòng)力傳遞到十字頭，十字頭直接通過(guò)活塞桿驅(qū)動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成氣體的吸入-壓縮-排出過(guò)程。從壓縮機(jī)對(duì)氣體做功的過(guò)程看，氣體對(duì)活塞的作用力傳遞至曲軸只有徑向力，沒(méi)有軸向力，因此，往復(fù)式壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)軸承時(shí)往往不會(huì)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)推力軸承，而是采用止推環(huán)或者將曲軸主軸瓦翻邊的方式限制曲軸軸向位移。這種限制曲軸軸向位移的方式，決定了曲軸不能承受較大的軸向力，軸向力一旦超標(biāo)，將使得曲軸與止推環(huán)或者曲軸主軸瓦摩擦生熱，甚至咬合。

1.2 對(duì)曲軸主軸瓦的影響

往復(fù)式壓縮機(jī)曲軸軸承通常稱(chēng)主軸瓦，主軸瓦由上下兩部分組成，瓦背由鋼制成，內(nèi)表面為巴氏合金。油泵將潤(rùn)滑油升壓后經(jīng)冷卻、過(guò)濾后送至主軸瓦用油點(diǎn)，通過(guò)曲軸旋轉(zhuǎn)將潤(rùn)滑油帶到曲軸與主軸瓦的接觸部位形成油膜，油膜具有減小摩擦和冷卻軸瓦的作用。

對(duì)于使用止推環(huán)的往復(fù)式壓縮機(jī)，曲軸主軸瓦通常緊貼止推環(huán)安裝。曲軸與止推環(huán)摩擦產(chǎn)生的高溫會(huì)沿著機(jī)體和曲軸傳遞到曲軸主軸瓦，導(dǎo)致軸瓦溫度升高。往復(fù)式壓縮機(jī)正常運(yùn)行應(yīng)保證軸瓦工作溫度在100℃以下，超出限制溫度可能導(dǎo)致軸瓦表面巴氏合金損壞。對(duì)于通過(guò)曲軸主軸瓦翻邊的方式限制曲軸軸向位移的往復(fù)式壓縮機(jī)，曲軸直接與徑向軸承摩擦，直接導(dǎo)致軸瓦溫度升高，以至于巴氏合金熔化。

1.3 對(duì)連桿大頭瓦的影響

連桿是將曲軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件，連桿與曲軸曲柄銷(xiāo)的配合部位設(shè)置滑動(dòng)軸承，此軸承稱(chēng)為連桿大頭瓦，連桿與十字頭銷(xiāo)的配合軸承稱(chēng)為小頭瓦。曲軸上開(kāi)有油孔連接主軸瓦與連桿大頭瓦，潤(rùn)滑油從主軸承經(jīng)曲軸到達(dá)連桿大頭瓦，對(duì)連桿大頭瓦起潤(rùn)滑冷卻作用。連桿軸向位置是由兩側(cè)曲拐來(lái)限制的，曲拐隨著曲軸的竄動(dòng)而竄動(dòng)。連桿大頭瓦受力是旋轉(zhuǎn)力和十字頭傳遞的水平力的合力，因此受力大。當(dāng)限制曲軸軸向位移的措施失效時(shí)，曲軸會(huì)脫離原有工作位置，帶動(dòng)連桿偏離工作位。曲柄銷(xiāo)和連桿大頭瓦之間的軸向間隙發(fā)生改變，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致連桿與曲軸垂直度超差，大頭瓦與曲柄銷(xiāo)之間的線接觸變成點(diǎn)接觸，造成局部應(yīng)力高，大頭瓦巴氏合金點(diǎn)狀剝落。此外，還可能導(dǎo)致大頭瓦與曲柄銷(xiāo)之間潤(rùn)滑油膜不能有效形成，造成連桿大頭瓦溫度升高，甚至?xí)?dǎo)致巴氏合金熔化脫落。

2 曲軸軸向竄動(dòng)的原因

根據(jù)前文分析，往復(fù)式壓縮機(jī)正常運(yùn)行中曲軸不受軸向力，不會(huì)產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，其軸向竄動(dòng)通常是由外力造成的。

2.1 電動(dòng)機(jī)與曲軸的連接方式

電動(dòng)機(jī)與曲軸通過(guò)聯(lián)軸器連接，聯(lián)軸器分為剛性聯(lián)軸器和柔性聯(lián)軸器。對(duì)于中大型往復(fù)式壓縮機(jī)，運(yùn)行轉(zhuǎn)速低、扭矩很大。柔性聯(lián)軸器可以吸收部分電動(dòng)機(jī)軸向位移，從而降低軸向力，但是，在低轉(zhuǎn)速高扭矩的情況下，柔性聯(lián)軸器是不適用的。在連接方式方面，主要選擇的是剛性連接，電動(dòng)機(jī)的軸向竄動(dòng)和軸向力會(huì)全部傳遞至壓縮機(jī)曲軸。

2.2 電動(dòng)機(jī)軸竄動(dòng)的原因

電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)只輸出扭矩，不輸出軸向力。當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)受到自身的、風(fēng)路的或者電磁的軸向作用力時(shí)，若轉(zhuǎn)子存在較大軸向游移空間，在軸向力的作用下轉(zhuǎn)子便可發(fā)生竄動(dòng)現(xiàn)象。產(chǎn)生軸向力的原因包括轉(zhuǎn)子和定子尺寸誤差、軸向磁拉力和風(fēng)扇推力等，電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子鐵芯的棱形誤差、長(zhǎng)短誤差以及裝配誤差均會(huì)產(chǎn)生不平衡的軸向磁拉力。三相異步電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇通常安裝在電機(jī)軸的一邊，產(chǎn)生軸向的冷卻風(fēng)，如此也會(huì)導(dǎo)致電機(jī)軸產(chǎn)生與冷卻風(fēng)方向相反的軸向力，造成電機(jī)軸竄動(dòng)。

3 軸向竄動(dòng)的控制措施

3.1 安裝控制措施

往復(fù)式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，其零部件構(gòu)成也非常精密，這就導(dǎo)致其在安裝過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)諸多誤差問(wèn)題。這不僅會(huì)對(duì)設(shè)備使用壽命造成影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定造成威脅。聯(lián)軸器安裝步驟為：（1）電機(jī)軸、壓縮機(jī)軸和壓縮機(jī)飛輪的同軸度調(diào)整；（2）聯(lián)軸器對(duì)輪間隙的調(diào)整；（3）聯(lián)軸器螺栓緊固。安裝過(guò)程中聯(lián)軸器對(duì)輪間隙的確定是控制曲軸收到安裝軸向力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)輪間隙過(guò)大或者過(guò)小，都會(huì)造成曲軸受到外部附加軸向力。

3.1.1 滾動(dòng)軸承電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器對(duì)輪間隙控制

滾動(dòng)軸承電動(dòng)機(jī)通常在軸伸端采用深溝球軸承以限制軸向竄動(dòng)，其軸向位移較小。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的軸向竄動(dòng)量為深溝球軸承的軸向游隙加上軸承壓蓋與軸承之間的間隙。電動(dòng)機(jī)在運(yùn)輸過(guò)程中和安裝過(guò)程中，均會(huì)導(dǎo)致磁力中心線在竄動(dòng)量范圍內(nèi)偏移，磁力中心線偏移導(dǎo)致電機(jī)軸產(chǎn)生軸向力。聯(lián)軸器對(duì)輪間隙確定時(shí)，應(yīng)確保運(yùn)行后電機(jī)磁力中心不偏移，壓縮機(jī)曲軸在設(shè)計(jì)位置運(yùn)行。

確定聯(lián)軸器對(duì)輪間隙前，應(yīng)將電動(dòng)機(jī)進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不低于2 小時(shí)，消除運(yùn)輸和安裝過(guò)程導(dǎo)致的磁力中心偏移，停機(jī)前用細(xì)刻刀在電動(dòng)機(jī)軸伸出機(jī)殼的位置劃出細(xì)線，標(biāo)記磁力中心位置。電動(dòng)機(jī)斷電后，在墮轉(zhuǎn)過(guò)程中，風(fēng)扇風(fēng)力減少，電磁力消失，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁力中心偏移。測(cè)量聯(lián)軸器對(duì)輪間隙前，將壓縮機(jī)曲軸調(diào)整至設(shè)計(jì)安裝位置，電動(dòng)機(jī)軸調(diào)整至試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)刻劃的細(xì)線位置，按聯(lián)軸器安裝圖要求調(diào)整好對(duì)輪間隙。安裝后電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)曲軸均運(yùn)行在設(shè)計(jì)位置，避免電動(dòng)機(jī)磁力中心偏移產(chǎn)生軸向力。

3.1.2 滑動(dòng)軸承電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器對(duì)輪間隙控制

大型電動(dòng)機(jī)一般采用滑動(dòng)軸承，滑動(dòng)軸承對(duì)電動(dòng)機(jī)軸軸向移動(dòng)沒(méi)有限制，出廠時(shí)在電機(jī)軸上標(biāo)記磁力中心位置。安裝時(shí)，通過(guò)試運(yùn)轉(zhuǎn)復(fù)核磁力中心位置，對(duì)標(biāo)記錯(cuò)誤的磁力中心位置進(jìn)行校正。聯(lián)軸器安裝時(shí)，將壓縮機(jī)曲軸調(diào)整至設(shè)計(jì)安裝位置，電動(dòng)機(jī)軸調(diào)整至磁力中心位置，按聯(lián)軸器安裝圖調(diào)整好對(duì)輪間隙，即可完成聯(lián)軸器對(duì)輪間隙的調(diào)整。

3.2 電動(dòng)機(jī)軸承選型措施

大型往復(fù)式壓縮機(jī)通常采用同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，配置滑動(dòng)軸承，并采用水冷的方式，在電機(jī)軸的一端取消風(fēng)扇設(shè)置，這就避免了風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的軸向力，對(duì)于這類(lèi)電動(dòng)機(jī)軸向竄動(dòng)干擾小，安裝人員根據(jù)技術(shù)要求復(fù)核和校正磁力中心即可。三相交流異步電動(dòng)機(jī)通常使用開(kāi)放式深溝球軸承，以抵消風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向力。深溝球軸承的徑向游隙是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢查項(xiàng)目，也是用戶(hù)選用軸承的依據(jù)之一，工程上普遍認(rèn)為深溝球軸承是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，因此，深溝球軸承軸向游隙在選用時(shí)，往往不在考慮范圍內(nèi)。軸承游隙分為原始游隙、裝配游隙和工作游隙，軸承在自由狀態(tài)下的游隙稱(chēng)為原始游隙，此時(shí)，軸承未安裝到電機(jī)軸上；軸承裝配到電機(jī)軸和軸承腔狀態(tài)下剩余游隙稱(chēng)為裝配游隙；電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，軸承內(nèi)外圈及鋼球溫度升高，軸承配合間隙發(fā)生變化，此時(shí)，軸承游隙稱(chēng)為工作游隙。軸承裝配過(guò)程中，內(nèi)圈受到擴(kuò)張而外圈受到擠壓，導(dǎo)致軸承裝配游隙小于原始游隙。電機(jī)工作時(shí)，軸承產(chǎn)生的熱量疊加電機(jī)定子傳遞的熱量，使得軸承溫度升高，有時(shí)可達(dá)95℃，導(dǎo)致軸承游隙進(jìn)一步縮小，因此，軸承工作游隙進(jìn)一步小于裝配游隙。

理論上講，軸承工作游隙為零時(shí)是最佳狀態(tài)，此時(shí)，軸承旋轉(zhuǎn)精度最高且使用壽命最長(zhǎng)，然而此狀態(tài)是不可達(dá)到的。軸承原始游隙過(guò)小，在裝配和使用過(guò)程中，軸承裝配游隙和工作游隙進(jìn)一步減小，在安裝后軸承甚至出現(xiàn)負(fù)游隙，不能滿(mǎn)足電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的要求。三相異步電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家在選配電動(dòng)機(jī)軸承時(shí)，往往不對(duì)軸承軸向游隙做要求，而是按照標(biāo)準(zhǔn)選用深溝球軸承。深溝球軸承標(biāo)準(zhǔn)游隙分為五個(gè)組別，徑向游隙由小到大為：2 組、0 組、3 組、4 組和5 組，0 組稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)游隙。為確保軸承工作游隙正常，且能夠吸收部分電機(jī)轉(zhuǎn)子膨脹量，電動(dòng)機(jī)深溝球軸承一般選用3 組游隙，屬于大游隙軸承。

深溝球軸承軸向游隙計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中，Sa為軸承軸向游隙；R1為軸承外圈溝槽曲率半徑；Re為軸承內(nèi)圈溝槽曲率半徑；DW為鋼球直徑；Sr為軸承徑向游隙。

通常來(lái)說(shuō)，不同軸承生產(chǎn)商設(shè)計(jì)的軸承溝槽曲率半徑和鋼球直徑不一致?，F(xiàn)以某國(guó)際知名廠家生產(chǎn)的6244C3 深溝球軸承為例，通過(guò)式（1）計(jì)算得出軸向游隙為0.50 ～0.68mm，軸承裝配到電機(jī)軸和軸承腔后，更換多套軸承實(shí)測(cè)軸向裝配游隙分布在0.46 ～0.62mm。此軸承安裝在電動(dòng)機(jī)上以限制軸向位移，此電※動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的2D25 型往復(fù)壓縮機(jī)曲軸的軸向位移為0.34～0.51mm。電動(dòng)機(jī)軸承軸向游隙大于壓縮機(jī)曲軸軸向位移，當(dāng)電動(dòng)機(jī)受到磁力和風(fēng)力產(chǎn)生的軸向力影響時(shí)，軸承不能起到吸收電動(dòng)機(jī)軸向竄動(dòng)的作用，將電動(dòng)機(jī)軸向竄動(dòng)傳遞至壓縮機(jī)曲軸，可能造成推力環(huán)、主軸瓦和連桿大頭瓦損傷的嚴(yán)重后果，不能滿(mǎn)足壓縮機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

由式（1）可知，影響軸承軸向游隙的因素為內(nèi)外圈溝槽曲率半徑、鋼球直徑和徑向游隙。內(nèi)外圈溝槽曲率半徑和鋼球直徑由各軸承生產(chǎn)商自行設(shè)計(jì)，同品牌同型號(hào)的深溝球軸承在選型時(shí)，選擇徑向游隙小的軸承可減少?gòu)较蛴蜗叮缟衔乃龅?244C3 軸承，由C3 組游隙改成標(biāo)準(zhǔn)游隙，軸向游隙降低至0.29 ～0.53mm，電動(dòng)機(jī)軸承軸向游隙與壓縮機(jī)曲軸軸向位移相匹配，能夠滿(mǎn)足壓縮機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行要求。三相異步電動(dòng)機(jī)軸承由C3 組游隙改成標(biāo)準(zhǔn)游隙后，軸承裝配要求更高，且需重新試驗(yàn)和核算徑向工作游隙。為確保三相異步電動(dòng)機(jī)軸承選型符合往復(fù)式壓縮機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行要求，往復(fù)式壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家作為采購(gòu)方，應(yīng)在技術(shù)條件中明確允許的軸向竄量和軸向力，避免將問(wèn)題傳導(dǎo)至用戶(hù)。三相異步電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家可以要求軸承生產(chǎn)廠家對(duì)深溝球軸承進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足徑向和軸向游隙要求。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)，軸承軸向游隙最大值可比原來(lái)減小了33.0%，最小值可比原來(lái)減小了33.3%。

電動(dòng)機(jī)軸伸端采用一對(duì)角接觸球軸承背對(duì)背組合的形式可有效承載軸向力，降低軸向竄動(dòng)量，但是角接觸球軸承相對(duì)深溝球軸承應(yīng)用得較少。

4 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)機(jī)軸向竄動(dòng)引起的往復(fù)式壓縮機(jī)曲軸竄動(dòng)會(huì)導(dǎo)致止推環(huán)、徑向軸承和連桿大頭瓦燒損等嚴(yán)重故障。機(jī)組在安裝時(shí)，復(fù)核和標(biāo)定電動(dòng)機(jī)磁力中心，可有效減少安裝原因?qū)е碌碾姍C(jī)軸向竄動(dòng)。往復(fù)式壓縮機(jī)在選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，通過(guò)軸承的合理選型，將電動(dòng)機(jī)軸向竄量與壓縮機(jī)曲軸軸向位移相匹配，能夠有效控制電機(jī)軸向竄動(dòng)對(duì)壓縮機(jī)的影響，滿(mǎn)足壓縮機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。