往復(fù)式壓縮機(jī)軸系扭振分析與現(xiàn)場測試

隋國亮 于淼 臧志賓

摘要：本文對一臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)機(jī)組進(jìn)行軸系扭振分析，并根據(jù)分析結(jié)果對軸系施加了頻率干預(yù)措施。為了驗(yàn)證扭振分析結(jié)果與現(xiàn)場壓縮機(jī)運(yùn)行情況的吻合性，專門邀請了國內(nèi)專業(yè)的扭振分析測試團(tuán)隊(duì)，對本文分析的壓縮機(jī)機(jī)組進(jìn)行了現(xiàn)場扭振頻率驗(yàn)收測試試驗(yàn)?，F(xiàn)場測試的結(jié)果顯示，分析計(jì)算得到的機(jī)組扭振共振轉(zhuǎn)速未偏離機(jī)組的實(shí)際扭振共振轉(zhuǎn)速（即扭振共振轉(zhuǎn)速測試值），說明理論分析的計(jì)算結(jié)果具體現(xiàn)場指導(dǎo)意義，可以盡早消除扭振潛在風(fēng)險(xiǎn)，為壓縮機(jī)長期安全運(yùn)行提供了保證。

關(guān)鍵詞：往復(fù)壓縮機(jī)，共振轉(zhuǎn)速，扭振分析

1概述

在現(xiàn)有的往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行使用過程中，盡管有更成熟的設(shè)計(jì)和分析工具，但是扭振相關(guān)的問題仍然是往復(fù)式壓縮機(jī)安裝與使用過程中一個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的難題。大多數(shù)問題發(fā)生在由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)機(jī)組上，常見問題包括曲軸故障、聯(lián)軸器故障、電機(jī)軸故障、電機(jī)轉(zhuǎn)子的焊接筋板故障、曲軸輔助驅(qū)動(dòng)端故障和冷卻器風(fēng)扇軸故障等。為解決這些問題，常用的措施是增加阻尼器，更改飛輪，改變壓縮機(jī)運(yùn)行速度范圍，或提高零部件承受扭矩和應(yīng)力的能力。

為某煉化公司生產(chǎn)制造的一臺(tái)氫氣壓縮機(jī)，為避免軸系存在扭振的風(fēng)險(xiǎn)，我公司在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)階段，就對整個(gè)機(jī)組的軸系進(jìn)行了扭振分析。根據(jù)軸系中各部位的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、剛度、阻尼以及相位等參數(shù)建立軸系扭振分析的等效模型。機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)列于表1。

2扭振計(jì)算模型的建立與分析

在實(shí)際的往復(fù)式壓縮機(jī)的軸系中，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的形態(tài)往往很復(fù)雜，尤其是那些質(zhì)量比較集中的地方，往往又伴有扭轉(zhuǎn)變形，而作為連接軸的部分，本身又往往有相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)動(dòng)慣量，也就是說軸系中每一小質(zhì)量都是既有慣量又有彈性的振動(dòng)體。這樣的數(shù)學(xué)模型，顯然是無法進(jìn)行分析計(jì)算的。

本文按照振動(dòng)特性不變的原則，將實(shí)際的軸系簡化成能進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算的當(dāng)量系統(tǒng)模型。借助專業(yè)的扭振分析軟件，建立了氫氣壓縮機(jī)機(jī)組的軸系當(dāng)量軸系模型，如圖1。

從圖1可以看出，此當(dāng)量軸系模型由21個(gè)具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的圓盤（每個(gè)圓盤代表一個(gè)集中質(zhì)量塊）和20個(gè)具有彈性的扭轉(zhuǎn)彈簧所組成。

經(jīng)過模態(tài)分析計(jì)算，得出軸系的前三階固有扭轉(zhuǎn)頻率值，見表2;軸系前三階扭轉(zhuǎn)固有頻率對應(yīng)的振型圖，見圖2所示。根據(jù)軸系前三階固有頻率繪制了軸系的Campbell圖，見圖3所示，其中壓縮機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速帶用豎線表示。

根據(jù)API 618第五版6.7.2條要求，考慮整個(gè)壓縮機(jī)系統(tǒng)10倍頻及以下的共振情況。由圖3可以看出，在壓縮機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速356.25 rpm～393.75 rpm（5%的運(yùn)行轉(zhuǎn)速）范圍內(nèi)，有1個(gè)共振點(diǎn)，對應(yīng)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速為385.7 rpm。

為了防止機(jī)組在運(yùn)行過程中因?yàn)楣舱駟栴}產(chǎn)生疲勞破壞，決定對軸系的固有扭轉(zhuǎn)頻率進(jìn)行干預(yù)，通過在壓縮機(jī)曲軸的中間連接段增加慣量盤來降低軸系的固有扭轉(zhuǎn)頻率。調(diào)整后軸系的固有扭轉(zhuǎn)頻率與原軸系對比如下，見表3。

根據(jù)調(diào)整后的軸系前三階固有頻率繪制了軸系新的Campbell圖，見圖4所示，其中壓縮機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速帶用豎線表示。

由圖4可以看出，在壓縮機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速356.25 rpm～393.75 rpm（5%的運(yùn)行轉(zhuǎn)速）范圍內(nèi)，軸系避開了壓縮機(jī)所有階次的激振頻率。認(rèn)為此機(jī)組的軸系可以安全可靠的運(yùn)行。

3扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的現(xiàn)場測試

上述的扭振模型的建立和分析結(jié)果的生成，均是基于材料的理論參數(shù)得到，與現(xiàn)場運(yùn)行機(jī)組零部件材料的實(shí)際參數(shù)可能存在偏差，我公司為了保證機(jī)組安全可靠的穩(wěn)定運(yùn)行，專門邀請了國內(nèi)專業(yè)的扭振分析測試團(tuán)隊(duì)，對本文分析的壓縮機(jī)組進(jìn)行了現(xiàn)場扭振頻率驗(yàn)收測試試驗(yàn)。

本次測試為壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)扭矩測試，通過動(dòng)態(tài)扭矩信息來反映軸系局部扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，從而綜合判斷整個(gè)軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)情況。測試采用惠斯登電橋全橋測試方法，測試電路原理示意圖，如圖5所示。

測試專家人員根據(jù)機(jī)組的實(shí)際情況，選擇在壓縮機(jī)曲軸電機(jī)端位置安裝應(yīng)變片進(jìn)行測試，如圖6所示。

采用上述測試方法，測試人員在壓縮機(jī)啟機(jī)過程中選取相關(guān)信號(hào)對其進(jìn)行計(jì)算分析，得到此壓縮機(jī)組的實(shí)際一階固有扭振頻率為40Hz，由此也可知壓縮機(jī)組沒有發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)共振問題。

4結(jié)論

軸系扭振分析得出的理論扭轉(zhuǎn)固有頻率，和現(xiàn)場機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的頻率值得到高度的吻合，說明軸系扭振分析的計(jì)算結(jié)果具體現(xiàn)場指導(dǎo)意義，可以盡早消除扭振潛在風(fēng)險(xiǎn)，為壓縮機(jī)長期安全運(yùn)行提供了保證。

參考文獻(xiàn)

[1] API STANDARD 618 FIFTH EDITION， DECEMBER 2007. Reciprocating Compressors for Petroleum， Chemical， and Gas Industry Services.

[2] 郁永章. 容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3] 王祺. 內(nèi)燃機(jī)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)[M]. 大連理工大學(xué)出版社，1991.

[4] 顧煜炯. 汽輪發(fā)電機(jī)組扭振安全性分析與應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2013.