多轴齿轮式压缩机振动分析及处理

张虎　柴育鹏　温义斌　胥经辉　赵强

【摘 要】文章以内蒙古伊泰煤制油公司空分车间空压机组跳车事故为依托，结合增压機检修状况，寻找引起增压机振动波动的主要原因。增压机检修回装后，开车过程正常，各项指标均在控制范围内，运行稳定。为同类设备的维护提供参考。

【关键词】增压机；振动；分析；处理

【中图分类号】TH452 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）04-0182-02

内蒙古伊泰煤制油公司52 000 Nm3/h空分装置空压机组由德国MAN TURBO制造的DK080/170R型汽轮机驱动，高低压端分别驱动增压机、空压机压缩空气做功。机组自2009年开车以来总体运行平稳，性能良好，能满足设计和使用要求。2017年10月，未见其他征兆，增压机二级轴振动值突然增大到联锁值跳车。下面结合增压机在检修时发现的问题对故障原因进行探讨。

1 事故经过

2017年10月17日，增压机二级叶轮轴承振动由18 μm缓慢升高，中控人员随即缓慢关小其入口导叶，但振动依然持续升高，直至联锁值46 μm跳车。对此，采纳MAN透平工程师及业内专家建议，拆卸检查增压机二级叶轮。检查叶轮安装数据良好，着色检查叶轮无明显裂纹及机械损伤，系统管道支撑刚性正常。

2017年10月19日机组检查完毕回装后开车，暖机升速过程正常，但在机组冲转过临界后，调速器下限达4 547 rpm运行1 min后二级振幅发生缓慢升高，3分钟后振幅升至联锁值46 μm跳车。基于此，决定对增压机二级叶轮、气封、轴承，齿轮箱及换热器等关联部件进行全面检查。发现二级气封碳环保持架和油封均有不同程度摩擦，轴瓦紧固件存在局部紧力不足现象，轴承进油孔处有白色颗粒物，一级级间换热器进气喷嘴处翅片有大量冲刷跌落情况。对上述部件进行清理修复后回装并进行机组油洗，24 h后油洗合格。

2017年10月23日机组开车，暖机升速过程均正常，达到额定转速后运行正常。结合陕鼓状态监测数据，机组运行指标良好。

2 故障分析

增压机二级振动升高至46 μm达到联锁保护值跳车。在机组降速过程中，转速达到3 800 rpm时开始出现振动异常升高，3 200 rpm时振动升高至249 μm，远大于设计值63 μm。结合机组装配数据，判断其振动值已接近轴瓦间隙圆，动静部位发生摩擦导致振动异常升高。拆解后发现以下故障：？譹？訛叶轮背面轴颈与碳环密封一级保持架处摩擦严重，摩擦接近1/4圆周，且碳环密封定位销断裂2处。？譺？訛迷宫密封有摩擦痕迹，但因其材质为铝质，磨损相对较轻。？譻？訛轴瓦拆卸时，一侧轴瓦固定销松动，可轻易拔出，且轴瓦紧固螺栓存在掉力矩情况，瓦枕紧固螺栓卡涩较严重。？譼？訛与轴瓦配合轴颈处有严重划痕，轴瓦进油孔处有白色硬质颗粒物，初步怀疑为结晶。？譽？訛一级换热器翅片损伤较多，堆积于换热器壳程内。换热器列管破损1根。换热器翅片破损如图1所示。

结合拆解后情况判断，增压机二级振动升高的原因为轴承紧固力矩掉导致转子/轴承系统刚度下降。转子系统转速临界区域ωcr下移至1/2 Ω范围内，转子转速对临界转速发生了2x激励。转子系统刚度对临界转速的影响如图2所示。

由于二级叶轮转子运行在临界转速以上，运行转速Ω=14 787 rpm，ωcr=8000～12 000 rpm。从拆解情况看，轴承紧固力矩较安装时降低，即轴承系统刚度降低。由转子临界转速公式ωcr可知，当转子系统刚度下降时，刚度值K每下降1%，转子临界转速ωcr下降10%。转子临界转速区域ωcr很容易下降至1/2 Ω左右。转子系统临界区域进入1/2 Ω范围内被转速2x激励，进而发生强烈的振动。增压机二级叶轮原始临界转速BODE图如图3所示。

此外，轴承刚度降低为缓慢发展现象，且刚度降低后，系统临界转速区域重新固定在某一区域。增压机二级轴振趋势如图4所示，为二级振动前20 d变化情况，10月6日前，二级振动维持在16～18 μm，10月6日空分停车时，增压机降速过临界区域，该过程加剧恶化了增压机松动。10月6日开车后，二级轴振维持在22～24 μm，较之前增加了6 μm。持续松动导致刚度值持续下降。在某节点上，增压机轴承中分面出现了滑移，振动升高至46 μm连锁跳车。由于轴承出现滑移，导致降速时轴承对转子的约束力下降，故出现转子振动异常升高至249 μm。这也解释了在第二次开车阶段，暖机1 500 rpm转子运行正常，升速至4 547 rpm时，才发生振动升高的情况。

同时，从另一方面来看。

（1）增压机一级换热器存在内漏且翅片脱落的情况，但从拆解情况分析，翅片脱落是在较长时间内形成的。如果脱落的翅片对叶轮冲击造成振动升高，那么应该早就发生了，且不应在短时间内发生2次。而从换热器结构角度来看，脱落翅片为空气入口侧，碎片至少需要穿越2道密封或2层厚度为800 mm间隙为1 mm的翅片才能到达出口侧，因此穿越后的翅片尺寸应该极小，较难对增压机叶轮造成冲击。冲击对转子系统的影响为瞬间作用，若翅片对叶轮造成有影响力的冲击，振动应在短时间内超过振动限值，而不是在3 min内逐渐升高和具有重复性。

经过讨论，决定在气流进入换热器位置加装厚度孔径均为5 mm的筛板，并在孔板上方正对入口汽轮处焊接厚度为5 mm的冲刷挡板，解决了上述问题。焊接防冲挡板前/后对比如图5所示。

（2）拆解过程中，发现轴承处轴颈有划痕，轴承进油孔处有白色颗粒物。轴颈磨损虽然会对油膜形成一定影响，但基本可以排除油膜不良对转子系统扰动值跳车值的影响。白色颗粒物待分析后方可判断其影响性，但从历次润滑油样分析来看，油质指标均在正常范围内，油品问题造成振动跳车的可能性较小。

（3）在叶轮表面发现有小点状痕迹，应为上次检修遗留问题。换热器翅片为铝基合金，材质较软，即使对翅片叶轮造成冲击也不应出现凹坑。

结合理论判断及排除法，认为增压机二级振动高跳车的原因为轴承松动引起刚度变化导致转子系统的临界区域发生下移，下移的临界区域与转子的1/2转速发生重叠引起激励造成振动升高跳车。

3 检修后运行情况

增压机检修回装后，开车过程正常，正常运行后各项指标均在控制范围内，运行稳定。

参 考 文 献

[1]王四林.多平行齿轮转子系统的振动特性分析[J].机械传动，2012（8）：93-95.

[2]崔津，王维民，高金吉，等.多平行轴系离心压缩机振动耦合传递特性研究[J].流体机械，2013（12）：10-15.

[3]罗忠，时海丽，陈晓兵，等.多轴段转子系统的畸变试验模型动力学相似设计[J].东北大学学报：自然科学版，2015（4）：542-545，556.

[责任编辑：陈泽琦]