基于振动信号螺杆压缩机故障诊断仿真分析

李改军（新疆圣雄氯碱有限公司，新疆 吐鲁番 838100）

基于振动信号螺杆压缩机故障诊断仿真分析

李改军（新疆圣雄氯碱有限公司，新疆 吐鲁番 838100）

螺杆压缩机是目前能源化工行业较为常用的机械设备之一，该设备的正常运转是整个生产工艺流程安全、稳定运行的重要因素。为了进一步深入分析行螺杆压缩机的故障情况，开展故障诊断分析研究，可以实时的对机械设备的运行情况进行监控，有效的分析和预测故障出现的部位和故障的严重情况，及时的提出解决措施和方案，并对维护和该井提供指导，减少故障发生的概率和设备故障产生的经济损失，提高设备运行的效率。

振动信号；螺杆压缩机；故障分析；仿真模拟

压缩机设备在能源化工、发电等行业连续生产运行系统中有着重要的作用，当设备发生故障时，将极大的影响正常生产，甚至在一些突发事故中，不仅造成巨大的经济损失，还会产生人员伤亡等严重安全事故。例如1999年，阜新电厂200MW汽轮机转子断轴事故，直接造成经济损失达三千多万元[1]。其余例如裂解气压缩机、循环气压缩机、催化裂化装置等设备，由于设备原因产生非故障停机停产，也将造成较大的经济损失。

机械设备故障诊断是基于设备运行过程各类参数的动态监测，分析设备运行过程机械运转的各项动态特征，了解设备运行过程的功率等指标情况，并对设备运行的故障进行及时的分析和预测，做到尽早发现问题并解决设备故障，防止事故的发生，维护设备正常运转的稳定[2]。随着传感技术、信号采集处理技术以及各类智能化的发展，更为精确的机械设备故障诊断分析方法得到良好的发展[3]。本文以笔者在实践工作中的螺杆压缩机的振动型号的模拟分析，来进行深入研究，进而前面的了解和掌握共振点和躲避共振点，从而对设备机组的良好运行提供参考，并进行针对性的优化和改进。

螺杆压缩机的研究方面，早在1986年时，A.Fujiwara等人利用傅里叶变换进行频谱分析，开展相关的研究，主要分析了阴阳转子的旋转频率和阴阳转子的啮合频率[4]。以及近年来，Tae⁃hee Kin等人利用神经网络研发了故障诊断和状态评定系统，能有效的对压缩机的故障进行诊断和判定[5]。本文主要是基于螺杆压缩机的振动机理，对有限元转子动力学模型进行仿真研究，分析振动信号与不平衡故障响应的关系。

1 螺杆压缩机

螺杆压缩机是一种按容积变化原理而工作的双轴回转式压缩机。设备工作时，润滑油喷入主机压缩腔，使得单级压比例可达到12以上，润滑油良好的吸收了压缩过程产生的热量，同时也有效的起到了密封的作用。工作过程周期频率为阴阳转子的啮合频率。

2 振动机理建模

以175型喷油螺杆压缩机为设计基础，进行优选也模型建立和仿真分析研究，研究过程利用UG软件，建立三维的转子模型，并利用ANSYS软件进行分析。对材料属性的输入和定义上，见表1。

表1 转子和壳体的材料属性表

3 振动故障仿真

3.1 阴阳转子啮合仿真

齿形误差、气流脉动、喷液过多等原因都会导致导致阴阳转子啮合不良。载荷系统响应公式见式1，式中f为旋转频率，Hz。

为分析研究转子啮合的响应与频率的关系，分别取旋转频率：45Hz、90Hz、180Hz进行模拟，仿真结果反应出：（1）位移响应幅值随着输入频率的增大而降低，当出现低频响应时，低频信号杂乱，无法正常的反应出转子的荷载；（2）加速度响应幅值随着输入频率的增大而降低，频率峰值为激励频率的2倍；（3）速度响应幅值与加速度响应幅值有着类似的关系，随着输入频率的增大而降低。

3.2 转子不平衡仿真

转子不平衡的产生主要由设计不合理导致结构不均匀，以及转子材质质量平衡不均匀导致。利用式2模拟转子赚大过程荷载，分析响应特征。

式中：m为转子质量，kg；

e为偏心距离，m；

me不平衡量，kg·m。

分别选取f为30Hz、60Hz、90Hz进行模拟，仿真结果表明：

（1）支反力幅值随频率的增大而增大；（2）位移响应幅值基本不随输入频率的变化而变化；（3）速度响应幅值基本不随输入频率的变化而变化；（4）加速度响应幅值随输入频率的增大而增大。

通过模拟分析表明，随着转子转速的提高，整个系统的各项值响应都会有所提升，因此当转子提速时后，系统的不平衡引起的振动将更为增大。

4 结语

对螺杆压缩机的仿真诊断分析研究表明，建立的仿真模型能较为有效的反应真实的转子啮合和不平衡特征响应，分析的结果与实际情况也较为一致。

在建立的仿真模型中，由于目前的模拟技术限制，无法良好的对转动轴承的相关情况进行深入的分析考虑。而转子啮合是一个较为复杂的故障情况，因此今后在相关的技术分析过程，还应当更为深入的开展相关的进一步研究。

[1]李英男.螺杆压缩机常见故障原因分析及处理[J].辽宁化工,2012,(03):250-251+253.

[2]岳平.ANSYS模态分析在螺杆压缩机转子临界转速计算上的应用[J].石油化工设备技术,2011,(03):56-58+7+6.

[3]范春艳.试论螺杆压缩机发展现状及应用[J].化学工程与装备,2010,(09):186-187.

[4]张铁新.螺杆压缩机振动故障的分析与处理[J].石油化工设备,2010,(S1):91-93.

[5]陈长征,赵慧,高一博,刘金.螺杆压缩机振动噪声的控制[J].沈阳工业大学学报,2009,(02):191-194+211.

[6]穆安乐,郗向儒,马建辉,张西宁.螺杆压缩机整机优化设计[J].压缩机技术,2003,(03):20-23.

李改军（1983-），男，汉族，助理工程师，从事化工机械工作。