摘 要：羅茨風(fēng)機(jī)屬于容積式回轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)，真空變壓吸附制氧裝置（VPSA-O2）普遍使用羅茨鼓風(fēng)機(jī)和羅茨真空泵作為產(chǎn)氧過程氣體輸送的動(dòng)力設(shè)備。實(shí)際生產(chǎn)中，羅茨風(fēng)機(jī)在壓力頻繁突變的惡劣工況下運(yùn)行，因而頻繁發(fā)生振動(dòng)超標(biāo)的故障，引發(fā)制氧裝置全面停車，對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定造成嚴(yán)重影響。鑒于此，對(duì)制氧裝置羅茨風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障發(fā)生的原因進(jìn)行查找分析，對(duì)維修技術(shù)改進(jìn)進(jìn)行摸索，從而有效減少振動(dòng)故障的發(fā)生，保障生產(chǎn)長期穩(wěn)定進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：制氧裝置；羅茨風(fēng)機(jī)；振動(dòng)故障；維修改進(jìn)

中圖分類號(hào)：TH444" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）05-0069-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.05.018

0" " 引言

羅茨風(fēng)機(jī)因其對(duì)生產(chǎn)工藝適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，成為真空變壓吸附制氧裝置中使用最廣泛的機(jī)械設(shè)備。產(chǎn)氧過程中，羅茨鼓風(fēng)機(jī)和羅茨真空泵分別起到正壓輸送原料空氣和真空解吸抽除廢氣的作用，需在空載壓力到滿載壓力的狀態(tài)下交替循環(huán)運(yùn)行，極不穩(wěn)定的負(fù)荷導(dǎo)致沖擊大，羅茨風(fēng)機(jī)頻繁發(fā)生振動(dòng)超標(biāo)引發(fā)聯(lián)鎖停機(jī)的故障，對(duì)制氧裝置作業(yè)率和下游工序生產(chǎn)組織影響嚴(yán)重。因此，只有查找羅茨風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障根源，實(shí)施有效的措施加以改進(jìn)，從而減少故障的發(fā)生，方能保障制氧裝置的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

1" " 真空變壓吸附制氧裝置（VPSA-O2）工藝原理

VPSA制氧是利用變壓吸附法，以空氣為原料制取氧氣的一種新型常溫氣體分離技術(shù)。該法是基于分子篩對(duì)空氣中的氧、氮組分進(jìn)行選擇性吸附而使空氣分離獲得氧氣，通常稱為真空變壓吸附制氧法。當(dāng)空氣經(jīng)過壓縮、通過裝有分子篩的吸附塔時(shí)，氮?dú)夥肿觾?yōu)先被吸附，氧分子留在氣相中，得到氧氣。吸附達(dá)到平衡時(shí)，利用減壓或抽真空將分子篩表面所吸附的氮分子驅(qū)除，恢復(fù)分子篩的吸附能力[1]。為了連續(xù)提供氧氣，裝置通常設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上的吸附塔，一個(gè)塔吸附產(chǎn)氧，另一個(gè)塔解吸。真空變壓吸附制氧原理如圖1所示。

我司擁有兩套真空變壓吸附制氧裝置，均采用五塔流程，型號(hào)為ZO-7500/80，由國內(nèi)同一公司設(shè)計(jì)建造，為艾薩爐、轉(zhuǎn)爐、陽極爐提供冶煉用氧氣。裝置由羅茨鼓風(fēng)機(jī)、羅茨真空泵、吸附器、儀表控制、電氣控制、切換閥門、儀表空氣等7個(gè)部分和自控系統(tǒng)組成[2]。變壓吸附法產(chǎn)氧過程分為吸附、解吸、順向放壓、逆向放壓、均壓5個(gè)階段，每個(gè)塔不斷循環(huán)交替，吸附階段由羅茨鼓風(fēng)機(jī)完成正壓空氣輸送，解吸階段由羅茨真空泵完成廢氣的負(fù)壓抽送，由于產(chǎn)氧的5個(gè)階段塔內(nèi)所需壓力不同，羅茨鼓風(fēng)機(jī)和羅茨真空泵工作壓力通過16個(gè)氣動(dòng)閥門自動(dòng)切換來控制。羅茨鼓風(fēng)機(jī)壓力在0～49 kPa區(qū)間重復(fù)波動(dòng)，羅茨真空泵壓力在-55～0 kPa區(qū)間重復(fù)波動(dòng)，波動(dòng)周期均為1 min[3]。

2" " 羅茨風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障情況

羅茨風(fēng)機(jī)系屬容積回轉(zhuǎn)式風(fēng)機(jī)，屬于旋轉(zhuǎn)式機(jī)械。我司兩套VPSA制氧變壓吸附裝置分別配置2臺(tái)大型羅茨鼓風(fēng)機(jī)和2臺(tái)大型羅茨真空泵，總數(shù)共計(jì)8臺(tái)，是制氧生產(chǎn)最主要的動(dòng)力設(shè)備。羅茨鼓風(fēng)機(jī)和羅茨真空泵技術(shù)參數(shù)如表1所示。

兩套變壓吸附制氧裝置前后間隔兩年時(shí)間建成，投用后工藝指標(biāo)均能達(dá)到技術(shù)要求。8臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)在交變載荷下運(yùn)行，其振動(dòng)值并不是一個(gè)穩(wěn)定值，一般在4～9.5 mm/s波動(dòng)，只要其最高值和最低值相對(duì)穩(wěn)定即視為正常。但在運(yùn)行7 200 h后，羅茨鼓風(fēng)機(jī)和羅茨真空泵相繼出現(xiàn)振動(dòng)值超標(biāo)的故障，這遠(yuǎn)低于JB/T 8941.1—2014《一般用途羅茨鼓風(fēng)機(jī) 第1部分：技術(shù)條件》[3]中要求的第一次大修前安全運(yùn)行時(shí)間不少于15 000 h的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)以下兩種情況：

第一，風(fēng)機(jī)突發(fā)振動(dòng)聯(lián)鎖跳機(jī)。設(shè)備在運(yùn)行振動(dòng)、溫度、壓力等均較平穩(wěn)的狀態(tài)下，突然毫無征兆瞬間超過20 mm/s的振動(dòng)聯(lián)鎖而跳機(jī)，人工無法盤動(dòng)轉(zhuǎn)子，從進(jìn)氣口檢查兩葉輪在某個(gè)角度咬死并有碰撞的痕跡。

第二，風(fēng)機(jī)振動(dòng)值持續(xù)升高。設(shè)備在運(yùn)行中溫度、壓力等均較平穩(wěn)的狀態(tài)下，振動(dòng)值呈小幅持續(xù)上升態(tài)勢(shì)，直至觸發(fā)報(bào)警值，停機(jī)后能夠正常盤車，從進(jìn)氣口檢查兩葉輪各間隙，除在45°時(shí)間隙偏小外，其他位置間隙均符合技術(shù)要求。

在拆解風(fēng)機(jī)后發(fā)現(xiàn)，第一種故障情況為同步齒輪輪轂發(fā)生松動(dòng)，主、從動(dòng)齒輪發(fā)生錯(cuò)位使兩葉輪相對(duì)嚙合位置改變而導(dǎo)致相撞；第二種情況為襯套與軸頸出現(xiàn)松動(dòng)，襯套內(nèi)孔磨損后晃動(dòng)沖擊不斷加重導(dǎo)致振動(dòng)值持續(xù)升高。按設(shè)備使用說明書中的相關(guān)技術(shù)要求，前述故障需要對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行完全解體，在確認(rèn)軸承沒有損壞的前提下一般通過更換密襯套和調(diào)整主、從動(dòng)齒輪相對(duì)位置并重新鉸孔定位的方法處理。修理后，風(fēng)機(jī)在試機(jī)和初期運(yùn)行均正常，超過6個(gè)月后又會(huì)不定時(shí)發(fā)生相同故障，需要5～8天的維修時(shí)間，以至于設(shè)備處于反復(fù)不停的修理當(dāng)中。故障處理期間只能被迫采取運(yùn)行半套裝置的方式降負(fù)荷生產(chǎn)，對(duì)產(chǎn)氧經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和下游生產(chǎn)組織造成嚴(yán)重影響，同時(shí)在高噪聲環(huán)境下進(jìn)行設(shè)備搶修作業(yè)，對(duì)維修人員身心健康也造成了一定影響。

3" " 羅茨風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障維修改進(jìn)

根據(jù)ARMH型羅茨風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，其裝配順序?yàn)槿~輪穿入機(jī)殼→前后墻板安裝→漲圈及襯套安裝→軸承座安裝→軸承安裝→同步齒輪安裝→兩葉輪間隙調(diào)整→同步齒輪定位→甩油盤及潤滑油管安裝→主、副油箱安裝→潤滑油泵安裝→油冷卻器安裝→聯(lián)軸器安裝。在風(fēng)機(jī)使用技術(shù)說明中，僅對(duì)葉輪與機(jī)殼間隙、葉輪與墻板間隙、兩葉輪“嚙合”間隙作出明確的數(shù)值要求，而其他裝配環(huán)節(jié)只用文字進(jìn)行了一般性說明，沒有具體指標(biāo)[4]。在多次對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障的處理中，分析過程中的現(xiàn)象，以采取措施改進(jìn)裝配質(zhì)量。

3.1" " 漲圈式軸封襯套松動(dòng)

1）軸封襯套內(nèi)孔與軸頸松動(dòng)。襯套安裝于葉輪主軸的最里處，內(nèi)端面與葉輪端面緊密貼合，在其外圓加工有4個(gè)槽用于安裝高彈性的漲圈，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)葉輪主軸帶動(dòng)襯套同步旋轉(zhuǎn)，漲圈則不隨襯套轉(zhuǎn)動(dòng)，在張力作用下緊貼于墻板孔內(nèi)壁，從而達(dá)到防止氣體外泄的作用，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。襯套前端內(nèi)孔銑制有一個(gè)？準(zhǔn)14的徑向槽，在與之配合的葉輪主軸相對(duì)應(yīng)位置鉆孔并安裝一顆？準(zhǔn)8的圓形銷，其作用是使葉輪主軸的旋轉(zhuǎn)力帶動(dòng)密封襯套同步轉(zhuǎn)動(dòng)。在安裝時(shí)需要將漲圈隨密封襯套同時(shí)裝入主軸和墻板內(nèi)，為減小裝配難度，密封襯套內(nèi)孔與軸頸設(shè)計(jì)為間隙配合，兩者之間有0.10～0.12 mm間隙，密封襯套徑向槽與定位銷有6 mm間隙，在此種配合條件下，密封襯套在交變強(qiáng)沖擊載荷下運(yùn)行一段時(shí)間后很容易出現(xiàn)晃動(dòng)，并敲擊定位銷使其松動(dòng)，對(duì)此，需要圍繞減小配合間隙進(jìn)行改進(jìn)。

2）軸封襯套軸向松動(dòng)。襯套在安裝時(shí)內(nèi)端面緊貼葉輪端面，在軸承裝入后靠鎖緊螺帽將壓緊力傳遞到襯套端面，達(dá)到軸向固定的作用。如果在裝配時(shí)襯套與葉輪、軸承端面與襯套貼合不嚴(yán)密，會(huì)造成軸向壓緊力的假象，在長時(shí)間沖擊振動(dòng)力的作用下產(chǎn)生軸向間隙而導(dǎo)致襯套松動(dòng)。因此，在安裝襯套前必須把襯套兩個(gè)端面和與之接觸的葉輪端面的毛刺及高點(diǎn)徹底清除，保證接觸面大于75%；軸承經(jīng)加熱裝入主軸和軸承座過程中，應(yīng)對(duì)稱均勻用力敲擊，通過聲響辨別推入到位后，立即旋入鎖緊螺母并擰緊，使襯套、軸承與葉輪端面有足夠的軸向壓緊力，彌補(bǔ)軸承冷卻后的收縮量。因襯套安裝時(shí)涂抹了密封膠，從襯套安裝到軸承鎖緊，整個(gè)裝配過程應(yīng)在2 h內(nèi)完成，以免時(shí)間過長密封膠固化產(chǎn)生卡阻導(dǎo)致裝配失敗。

3.2" " 兩葉輪撞擊

1）輪轂與軸頸配合接觸差。拆卸同步齒輪輪轂后，軸頸表面有局部黑塊及細(xì)微斑點(diǎn)，與之配合的內(nèi)孔表面對(duì)應(yīng)位置也有相同情況，這說明運(yùn)行中輪轂出現(xiàn)了偏擺與軸頸產(chǎn)生拍擊，引起兩葉輪嚙合位置發(fā)生改變而撞擊，此種情況僅靠調(diào)整兩同步齒輪相對(duì)位置無法徹底解決故障。輪轂與軸頸為1：20的圓錐帶平鍵的設(shè)計(jì)，圓錐配合與圓柱配合相比最大的優(yōu)點(diǎn)是可自動(dòng)定心、配合自鎖性好，裝配體能獲得較高精度的同軸度，但在實(shí)際制造中需要精確的錐度及良好的接觸面積來保證。經(jīng)使用紅丹粉對(duì)合接觸檢查，接觸面由小端向大端逐漸減少，據(jù)此可以得出，輪轂內(nèi)孔錐度大于主軸錐度，輪轂安裝后在大端配合面存在間隙。從輪轂與主軸配合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，兩者錐面配合主要起到保證同步齒輪與葉輪主軸的同軸度作用，同時(shí)分擔(dān)一部分旋轉(zhuǎn)力，主要的旋轉(zhuǎn)力靠平鍵來傳遞，將錐面配合的位置控制在兩端可保定位的牢固，避免輪轂在沖擊下發(fā)生瓢偏擺動(dòng)。通過參考類似結(jié)構(gòu)高速離心鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，對(duì)輪轂的內(nèi)錐孔進(jìn)行改造，在通體內(nèi)錐面長度中間車制一段長度80 mm的槽，將錐面打斷去除中間無效區(qū)域，使兩者接觸面分布在兩端，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)少量的銼配，可以使接觸面達(dá)到75%以上。加工后的輪轂如圖3所示。

2）輪轂與軸圓錐配合過盈不夠。圓錐配合的配合特征是通過相互結(jié)合的內(nèi)、外圓錐規(guī)定的軸向位置來形成間隙或過盈[5-6]。加大兩者裝配過盈量可提高圓錐旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)力，減小平鍵的傳動(dòng)負(fù)荷，從而平衡傳動(dòng)受力。加大裝配過盈量可采用對(duì)輪轂加熱的方式來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也要考慮裝配過緊對(duì)后期維修拆卸難度的影響；輪轂安裝至軸上后靠鎖緊螺帽進(jìn)行軸向緊固，在用手將輪轂推入軸后，其前端面伸出軸臺(tái)階的長度為3.5 mm，進(jìn)行熱裝會(huì)減小端面伸出軸臺(tái)的長度，因此，輪轂增加的推進(jìn)量在3 mm更為合適。

4" " 結(jié)束語

從制氧羅茨風(fēng)機(jī)投用后頻繁發(fā)生振動(dòng)聯(lián)鎖跳機(jī)故障起，經(jīng)歷2年多時(shí)間對(duì)故障點(diǎn)的持續(xù)查找、分析和維修裝配方法的不斷改進(jìn)，最終無故障運(yùn)行時(shí)間達(dá)到45 000 h以上，比JB/T 8941.1—2014《一般用途羅茨鼓風(fēng)機(jī) 第1部分：技術(shù)條件》中要求的第一次大修前安全運(yùn)行時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)提高了2倍，檢修原因轉(zhuǎn)變?yōu)橐詽q圈和軸承部件的使用壽命為主，有利于設(shè)備大修的策劃。從根源上增強(qiáng)了羅茨風(fēng)機(jī)對(duì)變壓吸附制氧裝置特殊工況的適應(yīng)性，有效促進(jìn)了作業(yè)率和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的提升。

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收稿日期：2024-12-03

作者簡(jiǎn)介：夏俊（1977—），男，四川自貢人，助理工程師，研究方向：冶煉機(jī)械設(shè)備運(yùn)行管理。

通信作者：孔維紀(jì)（1995—），男，云南宣威人，工程師，研究方向：設(shè)備管理、機(jī)械工業(yè)。