壓縮機轉(zhuǎn)子動力特性及常見振動原因解析

官文超

（沈陽鼓風機集團股份有限公司研究院，遼寧 沈陽 110869）

壓縮機轉(zhuǎn)子與振動情況是影響設備運行性能與效率的重要關(guān)鍵因素，本文將通過對壓縮機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點和基本原理分析，對其運動特性進行詳細的解析，同時對壓縮機上常見的振動問題及原因進行系統(tǒng)的剖析分解。

1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)特性

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是一種連接軸承與支座組成的旋轉(zhuǎn)部件系統(tǒng)，是旋轉(zhuǎn)機械中的主要工作部件。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運動特性是一個復雜的系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)常伴有相關(guān)系列振動，給設備帶來噪聲，甚至嚴重的元件損壞和轉(zhuǎn)子失穩(wěn)等害處，極大地影響了設備的工作效率和使用壽命。見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)子簡圖

2 轉(zhuǎn)子動力特性解析

2.1 軸承動態(tài)運動特性

本文以徑向軸承為依據(jù)，其理想模型狀態(tài)工作狀況為：軸承的中心為一條靜態(tài)穩(wěn)定線上浮，在油膜產(chǎn)生的合力作用下達到載荷穩(wěn)定時，軸頸的中心便達到靜態(tài)穩(wěn)定線的某一點和穩(wěn)定。而當軸承的工作角度因為工作關(guān)系工作角度不斷地增大，軸承的表面與軸頸之間形成的收斂卷吸作用不斷地加大，導致轉(zhuǎn)子不斷地被抬起。在常規(guī)的工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)不斷受到外界的擾動影響，軸承不僅受油膜的靜態(tài)油膜托起力，還會因外界的移動和速度等因素擾動產(chǎn)生附加的動態(tài)油膜力，所以轉(zhuǎn)子是在靜態(tài)油膜力與動態(tài)油膜力共同作用下工作的非定工作狀態(tài)。軸承的非定動態(tài)方程為公式（1）。

式中：r為軸承軸頸的半徑，mm；φ為油膜的厚度，mm；p為油膜壓力值，MPa；u為油的動力黏度值，Ns/mm2；ω為轉(zhuǎn)子角速度。

2.2 軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定特性

軸承的穩(wěn)定特性，即壓縮機處于靜態(tài)的一種穩(wěn)定或者動態(tài)的一種穩(wěn)定，靜態(tài)穩(wěn)定即轉(zhuǎn)子的外徑與長度的比值大于或者等于5時，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)此時無論是工作轉(zhuǎn)動速度快還是慢，系統(tǒng)只須靜態(tài)穩(wěn)定。動態(tài)穩(wěn)定是指轉(zhuǎn)子的長度大于半徑時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)動速度大于1000時，此時進行動態(tài)穩(wěn)定。當軸承系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，就可以避免一系列的設備振動現(xiàn)象。當系統(tǒng)出現(xiàn)非穩(wěn)定性振動的時候，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸之間的力學便出現(xiàn)破壞，設備便會出現(xiàn)一些破壞性的振動現(xiàn)象。

2.3 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運動平衡特性

轉(zhuǎn)子的振動一般對設備是有害的，但是卻無法杜絕這一現(xiàn)象，怎樣平衡轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)振動，使其系統(tǒng)達到一個平衡的高性能狀態(tài)。其實只要將轉(zhuǎn)子的振動設定在一定范圍內(nèi)，達到一定的轉(zhuǎn)動與振動平衡狀態(tài)，就可消除危害性的振動現(xiàn)象。所謂的轉(zhuǎn)子振動平衡即是將轉(zhuǎn)子振動頻率限制在轉(zhuǎn)速的1/10，即可達到轉(zhuǎn)子振動平衡狀態(tài)。而主要的處理手段是將轉(zhuǎn)子的外徑與長度比值降低來達到轉(zhuǎn)子振動平衡狀態(tài)。

2.4 齒輪傳動系統(tǒng)特性

研究表明，齒輪系統(tǒng)的耦合傳動振動特性模型與設備的固定頻率、穩(wěn)定性能與彎曲、扭轉(zhuǎn)振動模型有著很大的區(qū)別。建立相關(guān)斜齒傳動模型的分析模型，分析得出斜齒傳動系統(tǒng)振動不僅存在扭曲振動、軸向振動、彎曲振動常規(guī)的振動，還存在動態(tài)合力產(chǎn)生的扭擺動。齒輪空間存在6個自由度，整個系統(tǒng)存在12個自由度，輪齒的重合度為整數(shù)，整個嚙合過程中呈現(xiàn)出一個周期性的變化，且同時有部分的輪齒出現(xiàn)變形現(xiàn)象。斜齒系統(tǒng)的嚙合開始于輪齒的一端，然后慢慢擴展到整個齒面，最后從輪齒一端退出嚙合的過程，此時的輪齒整體性剛度有局部變化，但是較直齒剛度階躍性的變動，斜齒只是一小部分的微小波動，如圖2為斜齒輪與振動穩(wěn)定關(guān)系圖。綜上述分析可知，輪齒的剛度影響有輪齒的齒形（齒高和齒厚等）、輪齒材料、輪齒的重合度、旋轉(zhuǎn)角度、輪齒嚙合誤差等因素。

3 轉(zhuǎn)子振動原因及分析

3.1 壓縮機轉(zhuǎn)子振動原理

壓縮機主要通過轉(zhuǎn)子的高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生離心力使其具備壓縮功能，出現(xiàn)振動的主要機理是轉(zhuǎn)子振動頻率與設備自身振動頻率相接近，導致共振現(xiàn)象，繼而出現(xiàn)振動現(xiàn)象。如轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸的契合不嚴密時，還可能引起其他的振動效應。

3.2 壓縮機機組穩(wěn)定性引起的振動

圖2 斜齒輪與振動穩(wěn)定關(guān)系圖

機組如出現(xiàn)失穩(wěn)即可出現(xiàn)轉(zhuǎn)子的不平衡振動，引起的主要原因是壓縮機內(nèi)部的零件契合度不達標，如轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸的契合度不夠造成的機組失穩(wěn)，以及離心機基座之間的連接緊密情況不好，都可能造成機組的失穩(wěn)。而造成機組的失穩(wěn)還有設備的固有振動，引起該失穩(wěn)的主要原因是，在設備轉(zhuǎn)子生產(chǎn)時雖然已經(jīng)進行了動態(tài)平衡處理，但是在組裝后的系統(tǒng)運行中不可避免地出現(xiàn)固有的一些不平衡，影響他的直接因素有操作溫度、壓力、載荷以及設計流量等因素，但是這種不平衡不會隨著時間而進行改變。

3.3 轉(zhuǎn)子運動離心力不均衡引起的振動

轉(zhuǎn)子加工和使用過程會導致轉(zhuǎn)子運動的離心力不均衡。轉(zhuǎn)子加工導致的離心力不均衡主要是由加工材料及生產(chǎn)工藝引起，因為材料特性或者工藝生產(chǎn)的限制導致轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)密度的不均勻性，導致轉(zhuǎn)子后期運行的離心力不均勻性。使用過程造成的離心力不均衡體現(xiàn)在設備長期使用后，因為外界的腐蝕和磨損，最后導致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)銹蝕或者部分殘缺，導致轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)平衡性破壞，如圖3為偏心離心力矢量圖。因為旋轉(zhuǎn)矢量的不平衡導致轉(zhuǎn)子離心力的大小、方向出現(xiàn)偏差，從而導致出現(xiàn)不規(guī)則的振動，這是一種極具有破壞效果的振動。

圖3 偏心離心力矢量圖

3.4 轉(zhuǎn)子變形引起的振動

轉(zhuǎn)子變形主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)子出現(xiàn)彎曲，一種為臨時的轉(zhuǎn)子彎曲，一種為永久性的轉(zhuǎn)子彎曲。見表1。

表1

3.5 突變型失速引起的振動

突變型失速振動主要體現(xiàn)在壓縮機內(nèi)部，主要由氣流與壓力引起。內(nèi)部氣流流量減弱時，壓縮機內(nèi)部的流量被氣體漩渦替換，導致出口壓力急劇減弱，當壓縮機具有大的容量時，管網(wǎng)的壓力不會立即下降，但會出現(xiàn)氣體倒流向壓縮機內(nèi)部，當官網(wǎng)壓力減弱到與壓縮機出口的壓力值一樣時，氣體停止倒流，壓縮機又繼續(xù)恢復到原來的壓力，周而復始，掉壓后恢復壓力，出現(xiàn)流量與壓力的沖突，致使機組產(chǎn)生振動。其主要原因是氣體流量減小，壓縮機進口氣體溫度較高、管網(wǎng)的壓力過大，壓縮機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低，導致壓縮機進氣壓力較弱等現(xiàn)象。

4 一般解決方案對策

當設備出現(xiàn)上述振動現(xiàn)象時，及時、正確、科學的處理措施不但是保證工業(yè)生產(chǎn)周期的及時性，還直接關(guān)系到設備的使用壽命問題。

固定保養(yǎng)維護。壓縮機一般用于工業(yè)原料的處理加工，所處的環(huán)境與工況較為復雜惡劣，外界惡劣的介質(zhì)通過時會直接破壞設備的動、靜元件，特別是壓縮機的核心元件轉(zhuǎn)子，一旦轉(zhuǎn)子被腐蝕破壞將直接導致設備出現(xiàn)故障性振動，導致壓縮機使用壽命的下降。定期對設備的動、靜元件進行防腐處理、清理污垢，及時為各個運動部件潤滑，可以保證設備的正常運行，還可以提高設備的使用壽命。

提高設備零部件加工工藝。壓縮機核心零部件的加工直接影響設備的使用性能與壽命。在加工壓縮機的核心零部件時，如壓縮機的轉(zhuǎn)子零件，應當在材料的選擇上做好把關(guān)，材料不得有氣孔等缺陷，同時選擇質(zhì)量較高的材料，如材料厚薄一致、不易磨損、質(zhì)量分布均勻等。

及時更換部件。壓縮機是一種長期處在高強度載荷工況下的運行設備，各個零部件的磨損速度較快，特別是轉(zhuǎn)子的核心零件，轉(zhuǎn)子因為長期處在高速旋轉(zhuǎn)運行環(huán)境下，長期與空氣摩擦等極容易出現(xiàn)銹蝕、結(jié)痂以及變形彎曲等磨損，不及時進行更換會導致機組失穩(wěn)。所以，及時更換磨損的零件可以減小設備故障性振動，減小設備的故障發(fā)生概率，從而保證設備的正常運行。

5 結(jié)語

本文從壓縮機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特征以及運動動力特性進行了詳細的分析，并對常見的振動原因和特性進行了系統(tǒng)闡述。壓縮機的轉(zhuǎn)子動力特性與其振動涉及的因素較多，涉及的是一個整體式的耦合體系，各個環(huán)節(jié)相互關(guān)聯(lián)影響，并非獨立分割，所以該系列的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學設計應當進行充分整合，同時對轉(zhuǎn)子的動力特性和振動現(xiàn)象研究分析還應該不斷加大投入，才能杜絕出現(xiàn)異常的振動故障，從而影響生產(chǎn)，造成不必要的經(jīng)濟損失。