无油螺杆空气压缩机振动高的原因分析与对策

王 静

（四川大学化工学院，四川成都，610065）

无油螺杆空气压缩机（简称无油螺杆空压机）是某厂压空系统生产气动仪表空气和吹扫、液体压送用的杂用空气流程中的“心脏”设备和重要节能设备，它主要是通过两级压缩，将常温下大气中0.01MPa的空气升压到0.8MPa，实现全厂仪表空气、杂用空气系统的平稳供应。近年来，某厂先后有5台无油螺杆空压机投入运行，使用初期取得了满意的效果，但经过长周期高负荷运行后，这些空压机相继出现主机内部异响声大，转子、轴承、轴封、密封件等部件磨损严重，特别是一、二级主机振动幅值偏高，最大范围可达60μm～110μm（正常值≯50μm），引起装置非计划停机次数增多，造成了较大的经济损失。其中的5台LGW型两级无油螺杆空压机是引进无锡压缩机公司的固定水冷全罩型二级干螺杆压缩机，其主要性能参数见表1。

表1 无油螺杆空压机主要性能参数［1］

1 无油螺杆空压机主机结构［1］

无油螺杆空压机的机组主要由电动机、联轴器、增速齿轮、压缩机、润滑油系统、消声器、旁通调节系统，以及冷却水、自动调节和保护系统等组成。其核心部件是压缩机主机（又称机头），是由阴阳转子、机体及排气侧端盖、前机体、后盖、同步齿轮、轴承、轴承座、轴封等零部件组成，其机体及排气侧端盖采用双层壁水套夹层，以均衡主机壳体温度而不发生变形。它借助同步齿轮的作用，使空气的压缩在机体的∞字形气缸内，由一对平行布置相互啮合的带有4个齿（阳转子）和带有6个齿的螺旋形转子（阴转子）之间保持极小的间隙实现无接触啮合作反方向旋转，使处于转子齿槽之间的容积不断产生周期性的变化来完成空气的吸入、压缩和排出，实现整个空气被压缩到所需要压力的全过程。无油螺杆空压机的主机结构如图1所示。

2 机组振动高原因分析

2.1 故障现象

2013年8月10日13：25，13＃空压机组电机后端盖发出异响声并出现裂纹，且机组一、二级机头旁烟气排孔处的烟气流量增大。同时，机组电机端的振动值（径向）从开机时的16μm上升到60μm，一级、二级机头的振动值（径向）也由原来的20μm分别飙升到55μm和110μm，机组不得不被迫停运。

2.2 原因分析

2.2.1 对机组振动高前各项运行参数分析［1］

图1 无油螺杆空压机的主机结构图

据检测，机房室内温度为50℃，13＃空压机组的吸入压力为0.17MPa（联锁值≥0.15MPa），出口排气压力为0.78MPa（联锁值≤0.8MPa），一级、二级排气温度为197℃（联锁值≤200℃），润滑油温度为50℃（标准值≤60℃），油压显示值为0.16MPa（联锁值≥0.15MPa）电流值为28A，机组二级机头的振动值（径向）为48μm（正常值≯50μm）。从这些运行参数看，该机组处于满负荷运转状态，主要运行参数在正常控制范围内，排除了人为误操作的可能性。

2.2.2 对机组振动高后进口过滤器堵塞情况分析

无油螺杆空压机正常运行的外部条件是机房内运行环境应在20℃～40℃之间，周围大气环境清洁且机房内通风良好。但据检测，当时机房外环境温度基本保持在40℃～50℃之间，而机房内环境温度也达到35℃～45℃。同时，机组周围环境干燥，大气中粉尘含量是平时含量的两倍多。因此，对该机组空气进气过滤器部件拆开检查，发现机组过滤器箱体内壁堆积了厚厚的粉尘层，空气吸入口滤芯的小孔大面积被灰尘、小昆虫及固体颗粒等杂质覆盖，且空气滤芯的部分滤纸被冲出缺口，一部分灰尘、粉尘颗粒已随着进气室被逐渐带入机组一级、二级机头中。一旦粉尘颗粒堆积到一定程度，必将加剧一级、二级机头中各部件的磨损，必然造成主机机头振动值的增高。

2.2.3 对机组对中情况检查分析

对电机轴和增速齿轮箱主轴对中情况打表检测。拆掉电机与增速齿轮箱主轴之间的联轴器，用百分表对电机轴与增速齿轮箱主轴对中检查，结果为：轴向跳动值上端为15μm，下端为－4μm；径向跳动值上端为20μm，下端为－43μm，显示电机端低。因为电机尾部采用带有减震器的支撑板和地脚螺栓连接，电机轴与齿轮箱主动轴间用金属叠片式挠性联轴器连接。一旦减震器有松动，联轴器将发生偏重，这势必会破坏电机轴和联轴器之间静平衡，也必将影响到整台机组的正常工作性能。

2.2.4 对机组关键部件解体后情况分析

解体后增速齿轮、主机一级、二级机头内部件损伤情况：①靠近电机端增速大齿轮端，轴承内圈磨损严重，轴向间隙增大。②机组一二级同步小齿轮的间隙值超标，其轴承座孔变大，轴承端面间隙过大。其中二级同步小齿轮有一轮齿折断了约1/3，其临近的三个轮齿出现了裂纹。③机组一、二级机头的阴阳转子表面有灰垢、坑蚀和冲刷磨损，二级阴转子密封线已被磨损1/3，一、二级气缸内壁积聚了一层厚厚的焦油物。④机组一、二级机头盘车阻力大，滚动轴承和推力轴承内圈保持架磨损变形。一级、二级机头的轴封、通气环磨损严重，在转子间、转子与机壳间密封间隙值增大，主机内部存在多条泄漏通道。13＃空压机振动超高后各级间转子、齿轮、密封件、轴承间的间隙值见表2。

表2 无油螺杆空压机发生事故后各级间转子、齿轮、轴承间的间隙值［1］

通过对该机组关键部件解体情况的跟踪、分析相关的设计资料，我们认为引起13＃机组振动增高的主要原因有以下几个方面：

（1）电机与机组增速齿轮主动轴对中不好

因机组电机的自重有1.2吨，再随着机组供气压力管网的波动，无形中对电机尾部减震器活塞卡环等部件也会造成一定的冲击。事实上，在13＃空压机振动增高时，电机下减震器的活塞卡环比机组正常时下降的多。从上述对电机轴和联轴器对中打表检测情况来看，13＃机组电机与增速齿轮箱的刚性连接已经严重失衡，再因电机端地脚螺栓的安装误差、机组工作状态下的热膨胀等，必将造成机组工作时各转子轴线之间产生不对中，最终导致轴振动幅值增高。

（2）转子结垢

随着机组入口空气过滤器滤芯滤纸不断地被大量的粉尘颗粒等杂质冲刷，粉尘颗粒不可避免的在主机一、二级机头的阴阳转子表面上大量的堆积－结垢－脱落，引起一、二级机头转子表面出现坑蚀、磨损等，一定程度上影响了转子的动平衡。同时，主机机头中阴阳转子的径向轻摩擦也是通过粉尘结垢物接触的，连续的摩擦也是造成机组二级阴转子1/3密封线被磨损及主机机头振动增高的重要原因。

（3）机组轴封失效

因机组转子轴封采用浮环密封结构，有三道浮动碳环封气，一道带波形弹簧的浮动碳环封油，保证气、油的不相互渗漏。但主机机头中阴阳转子的径向轻摩擦是通过粉尘结垢物接触的，最容易使转子轴封段浮动碳环密封间隙堆积的粉尘垢物与转子主轴轴承部位发生刮擦，进而造成轴承轴瓦与轴颈不能均匀接触及轴瓦间隙过大和紧力过小，这样转子在运转中，使转子两端垂直方向的受力不均匀，必然导致转子振动的增大。

3 机组振动高处理措施

3.1 改进空气吸入口过滤器结构配置

在主机振动增高之前，机组采用的是带进气室的烧结式过滤器（一级过滤，滤芯为圆筒状，一次装机1件，材质：外壳碳钢，内部装过滤精度为2um滤纸），其滤芯的过滤精度在大气中粉尘量少的情况下，能够使用。但遇到夏季干燥恶劣环境，随着大气中的粉尘颗粒等杂质的增多，这种过滤器结构只能通过频繁的更换过滤器滤芯，才能维持机组正常运行，造成了大量的人力、物力、财力的浪费。

为此，我们将原来带进气室的圆筒状烧结式的一级过滤器整体更改为过滤精度为1um，过滤效率为98.5%～100%的蜗旋自洁式空气过滤器。即：采用两级过滤，第一级：蜗旋式分离器，第二级：同蜗旋式分离器配套的空气滤芯。它将空气管道中的大气先引入蜗旋式分离器中，经过涡流片旋转后引入扑尘罩中，空气中的灰尘经过吸附后再进入空气过滤器和集气箱中过滤，再进入压缩机的第一级进行压缩。其中，在此蜗旋自洁试过滤器上还装有4个带控制器的脉冲式电磁阀，分别按人为设定的时间自动启闭，来实现反冲气流进入滤芯中，将表面的空气灰尘进行反冲，经过静电扑尘罩的吸附，再流经吸气口进入压缩机的第一级进行压缩。自安装之日起，其过滤效率达到99.9%（现场仪器检测数据），连续使用了60多天，彻底刷新了原来最长25天更换一次滤芯的记录，而且使吸入口空气的含尘量得到有效的控制，进而减轻了空压机组阴阳转子在运转中的灰尘结垢现象，大大延长了13＃空压机组的安全运行周期。

3.2 解体无油螺杆空压机的一、二级机头，对各部件重新装配

（1）增加各级机头轴承中挡圈厚度和调整垫片厚度。

通过对机组一二级机头中阴阳转子的解体检查，发现各轴承压盖和轴承挡圈均有不同程度的撞击磨损痕迹，使其压盖与外圈端面间隙过大，造成转子运转过程中不平衡力的产生，最终通过机组主机振动增高表现出来。而无油螺杆空压机的主机轴承压盖和轴承端面间隙是靠挡圈来调整的，所以根据主机的磨损程度，要分别在原来挡圈厚度的基础上再增加0.06mm～0.08mm不等的调整垫片，使转子与排气端支座间隙减小，以保证轴承压盖与轴承外圈之间的端面间隙、保证转子与排气端支座贴和面之间的间隙控制在0.12mm内。这里要特别说明的是：起轴向定位作用的推力轴承的轴向间隙，在选择增加挡圈厚度和调整垫片厚度时一定要慎重，务必保证其轴向间隙应小于主机排气端间隙0.05～0.06mm的轴向游隙，才能确保压缩机主机在起动的瞬间不出现轴承卡死。

（2）优化同步齿轮啮合、转子与机壳排气端面和阴阳转子啮合间隙的装配精度。

①同步齿轮间啮合间隙的调整

经过长期的摸索、试验，我们发现：将同步齿轮的间隙值调整的略大些比较好。而通常标准值范围为0.01mm～0.04mm，检修后控制在0.06mm 以内都可以使用。如果间隙值调整的偏小，则容易引起缸体发热，温度升高甚至转子抱死等现象。

②转子与机壳排气端面间隙的调整

一般标准的端面间隙值是：一级机头为0.10 mm～0.15mm，二级机头为0.08mm～0.12mm。由于在装配过程中，各部件的装配误差及锁紧螺母的受力大小不均等原因，常常导致转子与缸体的端面间隙值调整的不是过大就是偏小。因此，就要考虑加垫几微米的不锈钢或铜垫片。如果间隙过大，其加垫的厚度为查出的最大端面间隙值减去最大的标准值之差数；如果间隙过小，就要磨去间隙调整块的厚度，其磨削的量为标准值减去所测得的最小间隙值。

③阴阳转子间啮合间隙的调整

阴阳转子间啮合间隙的调整，一般是由同步齿轮副齿圈来调整，如果在运转中或装配中副齿圈没有变动，只要把端面间隙调好、同步齿轮间隙调好，就可以保证阴阳转子的啮合间隙控制在最佳范围。

3.3 改进电机尾部的支撑结构，调整电机轴与增速齿轮箱主动轴的对中

从上述对机组电机轴和增速齿轮轴的对中检测情况来看，电机尾部采用带减震器的支撑机构支撑，在结构设计上存在一定的缺陷。为此，我们进行了相应的改进措施：

（1）对电机尾部的支撑结构进行改进。即：增大电机尾部地脚螺栓孔板，将原来由4个地脚螺栓连接的孔板更改为由8个地脚螺栓连接的孔板，以加大地脚螺栓孔板与地面的紧密贴合；同时，将原来靠螺栓连接的电机尾端竖直连接板与地面地脚螺栓底板的结构改进为用一个带弧形（与电机外壳筒体相结合）的T型竖直连接板支撑结构，以加固电机尾部竖直支撑板的连接强度，确保电机尾端的刚性支撑。

（2）调整电机轴与增速齿轮箱主动轴的对中。因该机组电机和增速齿轮采用卧式水平安装，联轴器找正对中精度的高低将直接影响到机组在运转中的振动、噪音、零部件的磨损及密封、轴承等使用寿命，而联轴器找正对中连接质量好坏与检测数据的取得有着密切的关系。所以，我们在采用双百分表法进行对中找正时，读取数据应该在12－6点、3－9点位置找到最高测点、最低测点及水平两个测点，并保持百分表与联轴器接触点保持不变。同时，根据机组一、二级转子转速在5000－9000r/min，联轴器对中的轴向、径向允许误差精度应严格控制在0.01mm。只有同时满足以上条件，才能确保电机轴与增速齿轮箱主动轴对中数据的准确性。

4 结论

在实际生产运行中，有许多故障是无油螺杆空压机自身造成的，也有的是因机组电气、仪表等调节系统的不稳定引起，但大部分故障现象却是通过空压机一、二级主机机头振动增高反映出来。通过以上措施的实施后，不仅使LGW型无油螺杆空压机组振动波动的跃升幅度明显减小，单点幅值也控制在≯50μm内，单点波动周期明显延长，整个主机的振动值变化趋势缓和，而且还消除了由于此类空压机振动增高给整个压空系统带来的设备缺陷和安全隐患。目前，我们已将13＃空压机的改进措施和机组解体检修技术推广应用到其他4台机组上。现在，这5台无油螺杆空压机组运行周期达到了安稳长满优8000H不停车的实际效果，使濒于报废的昂贵设备得以重新运行，避免了因此而造成的全厂非计划停车，具有十分重要的经济价值。

［1］无锡压缩机公司·LGW型干螺杆空气压缩机使用说明书，2002.