基于振動信號螺桿壓縮機故障診斷仿真分析

李改軍（新疆圣雄氯堿有限公司，新疆 吐魯番 838100）

基于振動信號螺桿壓縮機故障診斷仿真分析

李改軍（新疆圣雄氯堿有限公司，新疆 吐魯番 838100）

螺桿壓縮機是目前能源化工行業較為常用的機械設備之一，該設備的正常運轉是整個生產工藝流程安全、穩定運行的重要因素。為了進一步深入分析行螺桿壓縮機的故障情況，開展故障診斷分析研究，可以實時的對機械設備的運行情況進行監控，有效的分析和預測故障出現的部位和故障的嚴重情況，及時的提出解決措施和方案，并對維護和該井提供指導，減少故障發生的概率和設備故障產生的經濟損失，提高設備運行的效率。

振動信號；螺桿壓縮機；故障分析；仿真模擬

壓縮機設備在能源化工、發電等行業連續生產運行系統中有著重要的作用，當設備發生故障時，將極大的影響正常生產，甚至在一些突發事故中，不僅造成巨大的經濟損失，還會產生人員傷亡等嚴重安全事故。例如1999年，阜新電廠200MW汽輪機轉子斷軸事故，直接造成經濟損失達三千多萬元[1]。其余例如裂解氣壓縮機、循環氣壓縮機、催化裂化裝置等設備，由于設備原因產生非故障停機停產，也將造成較大的經濟損失。

機械設備故障診斷是基于設備運行過程各類參數的動態監測，分析設備運行過程機械運轉的各項動態特征，了解設備運行過程的功率等指標情況，并對設備運行的故障進行及時的分析和預測，做到盡早發現問題并解決設備故障，防止事故的發生，維護設備正常運轉的穩定[2]。隨著傳感技術、信號采集處理技術以及各類智能化的發展，更為精確的機械設備故障診斷分析方法得到良好的發展[3]。本文以筆者在實踐工作中的螺桿壓縮機的振動型號的模擬分析，來進行深入研究，進而前面的了解和掌握共振點和躲避共振點，從而對設備機組的良好運行提供參考，并進行針對性的優化和改進。

螺桿壓縮機的研究方面，早在1986年時，A.Fujiwara等人利用傅里葉變換進行頻譜分析，開展相關的研究，主要分析了陰陽轉子的旋轉頻率和陰陽轉子的嚙合頻率[4]。以及近年來，Tae?hee Kin等人利用神經網絡研發了故障診斷和狀態評定系統，能有效的對壓縮機的故障進行診斷和判定[5]。本文主要是基于螺桿壓縮機的振動機理，對有限元轉子動力學模型進行仿真研究，分析振動信號與不平衡故障響應的關系。

1 螺桿壓縮機

螺桿壓縮機是一種按容積變化原理而工作的雙軸回轉式壓縮機。設備工作時，潤滑油噴入主機壓縮腔，使得單級壓比例可達到12以上，潤滑油良好的吸收了壓縮過程產生的熱量，同時也有效的起到了密封的作用。工作過程周期頻率為陰陽轉子的嚙合頻率。

2 振動機理建模

以175型噴油螺桿壓縮機為設計基礎，進行優選也模型建立和仿真分析研究，研究過程利用UG軟件，建立三維的轉子模型，并利用ANSYS軟件進行分析。對材料屬性的輸入和定義上，見表1。

表1 轉子和殼體的材料屬性表

3 振動故障仿真

3.1 陰陽轉子嚙合仿真

齒形誤差、氣流脈動、噴液過多等原因都會導致導致陰陽轉子嚙合不良。載荷系統響應公式見式1，式中f為旋轉頻率，Hz。

為分析研究轉子嚙合的響應與頻率的關系，分別取旋轉頻率：45Hz、90Hz、180Hz進行模擬，仿真結果反應出：（1）位移響應幅值隨著輸入頻率的增大而降低，當出現低頻響應時，低頻信號雜亂，無法正常的反應出轉子的荷載；（2）加速度響應幅值隨著輸入頻率的增大而降低，頻率峰值為激勵頻率的2倍；（3）速度響應幅值與加速度響應幅值有著類似的關系，隨著輸入頻率的增大而降低。

3.2 轉子不平衡仿真

轉子不平衡的產生主要由設計不合理導致結構不均勻，以及轉子材質質量平衡不均勻導致。利用式2模擬轉子賺大過程荷載，分析響應特征。

式中：m為轉子質量，kg；

e為偏心距離，m；

me不平衡量，kg·m。

分別選取f為30Hz、60Hz、90Hz進行模擬，仿真結果表明：

（1）支反力幅值隨頻率的增大而增大；（2）位移響應幅值基本不隨輸入頻率的變化而變化；（3）速度響應幅值基本不隨輸入頻率的變化而變化；（4）加速度響應幅值隨輸入頻率的增大而增大。

通過模擬分析表明，隨著轉子轉速的提高，整個系統的各項值響應都會有所提升，因此當轉子提速時后，系統的不平衡引起的振動將更為增大。

4 結語

對螺桿壓縮機的仿真診斷分析研究表明，建立的仿真模型能較為有效的反應真實的轉子嚙合和不平衡特征響應，分析的結果與實際情況也較為一致。

在建立的仿真模型中，由于目前的模擬技術限制，無法良好的對轉動軸承的相關情況進行深入的分析考慮。而轉子嚙合是一個較為復雜的故障情況，因此今后在相關的技術分析過程，還應當更為深入的開展相關的進一步研究。

[1]李英男.螺桿壓縮機常見故障原因分析及處理[J].遼寧化工,2012,(03):250-251+253.

[2]岳平.ANSYS模態分析在螺桿壓縮機轉子臨界轉速計算上的應用[J].石油化工設備技術,2011,(03):56-58+7+6.

[3]范春艷.試論螺桿壓縮機發展現狀及應用[J].化學工程與裝備,2010,(09):186-187.

[4]張鐵新.螺桿壓縮機振動故障的分析與處理[J].石油化工設備,2010,(S1):91-93.

[5]陳長征,趙慧,高一博,劉金.螺桿壓縮機振動噪聲的控制[J].沈陽工業大學學報,2009,(02):191-194+211.

[6]穆安樂,郗向儒,馬建輝,張西寧.螺桿壓縮機整機優化設計[J].壓縮機技術,2003,(03):20-23.

李改軍（1983-），男，漢族，助理工程師，從事化工機械工作。