壓縮機轉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）

壓縮機轉子與振動情況是影響設備運行性能與效率的重要關鍵因素，本文將通過對壓縮機轉子的結構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的剖析分解。

1 轉子系統特性

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

圖1 轉子簡圖

2 轉子動力特性解析

2.1 軸承動態運動特性

本文以徑向軸承為依據，其理想模型狀態工作狀況為：軸承的中心為一條靜態穩定線上浮，在油膜產生的合力作用下達到載荷穩定時，軸頸的中心便達到靜態穩定線的某一點和穩定。而當軸承的工作角度因為工作關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，導致轉子不斷地被抬起。在常規的工作狀態下，轉子的工作狀態不斷受到外界的擾動影響，軸承不僅受油膜的靜態油膜托起力，還會因外界的移動和速度等因素擾動產生附加的動態油膜力，所以轉子是在靜態油膜力與動態油膜力共同作用下工作的非定工作狀態。軸承的非定動態方程為公式（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為轉子角速度。

2.2 軸承系統的穩定特性

軸承的穩定特性，即壓縮機處于靜態的一種穩定或者動態的一種穩定，靜態穩定即轉子的外徑與長度的比值大于或者等于5時，轉子系統此時無論是工作轉動速度快還是慢，系統只須靜態穩定。動態穩定是指轉子的長度大于半徑時，系統轉子工作轉動速度大于1000時，此時進行動態穩定。當軸承系統處于穩定狀態時，就可以避免一系列的設備振動現象。當系統出現非穩定性振動的時候，轉子與轉軸之間的力學便出現破壞，設備便會出現一些破壞性的振動現象。

2.3 轉子系統運動平衡特性

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

2.4 齒輪傳動系統特性

研究表明，齒輪系統的耦合傳動振動特性模型與設備的固定頻率、穩定性能與彎曲、扭轉振動模型有著很大的區別。建立相關斜齒傳動模型的分析模型，分析得出斜齒傳動系統振動不僅存在扭曲振動、軸向振動、彎曲振動常規的振動，還存在動態合力產生的扭擺動。齒輪空間存在6個自由度，整個系統存在12個自由度，輪齒的重合度為整數，整個嚙合過程中呈現出一個周期性的變化，且同時有部分的輪齒出現變形現象。斜齒系統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為斜齒輪與振動穩定關系圖。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、旋轉角度、輪齒嚙合誤差等因素。

3 轉子振動原因及分析

3.1 壓縮機轉子振動原理

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

3.2 壓縮機機組穩定性引起的振動

圖2 斜齒輪與振動穩定關系圖

機組如出現失穩即可出現轉子的不平衡振動，引起的主要原因是壓縮機內部的零件契合度不達標，如轉子與轉軸的契合度不夠造成的機組失穩，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。而造成機組的失穩還有設備的固有振動，引起該失穩的主要原因是，在設備轉子生產時雖然已經進行了動態平衡處理，但是在組裝后的系統運行中不可避免地出現固有的一些不平衡，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 轉子運動離心力不均衡引起的振動

轉子加工和使用過程會導致轉子運動的離心力不均衡。轉子加工導致的離心力不均衡主要是由加工材料及生產工藝引起，因為材料特性或者工藝生產的限制導致轉子結構密度的不均勻性，導致轉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在設備長期使用后，因為外界的腐蝕和磨損，最后導致轉子出現銹蝕或者部分殘缺，導致轉子結構平衡性破壞，如圖3為偏心離心力矢量圖。因為旋轉矢量的不平衡導致轉子離心力的大小、方向出現偏差，從而導致出現不規則的振動，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 轉子變形引起的振動

轉子變形主要體現在轉子出現彎曲，一種為臨時的轉子彎曲，一種為永久性的轉子彎曲。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在壓縮機內部，主要由氣流與壓力引起。內部氣流流量減弱時，壓縮機內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，管網的壓力不會立即下降，但會出現氣體倒流向壓縮機內部，當官網壓力減弱到與壓縮機出口的壓力值一樣時，氣體停止倒流，壓縮機又繼續恢復到原來的壓力，周而復始，掉壓后恢復壓力，出現流量與壓力的沖突，致使機組產生振動。其主要原因是氣體流量減小，壓縮機進口氣體溫度較高、管網的壓力過大，壓縮機轉子轉速降低，導致壓縮機進氣壓力較弱等現象。

4 一般解決方案對策

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

固定保養維護。壓縮機一般用于工業原料的處理加工，所處的環境與工況較為復雜惡劣，外界惡劣的介質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子，一旦轉子被腐蝕破壞將直接導致設備出現故障性振動，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，如壓縮機的轉子零件，應當在材料的選擇上做好把關，材料不得有氣孔等缺陷，同時選擇質量較高的材料，如材料厚薄一致、不易磨損、質量分布均勻等。

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，特別是轉子的核心零件，轉子因為長期處在高速旋轉運行環境下，長期與空氣摩擦等極容易出現銹蝕、結痂以及變形彎曲等磨損，不及時進行更換會導致機組失穩。所以，及時更換磨損的零件可以減小設備故障性振動，減小設備的故障發生概率，從而保證設備的正常運行。

5 結語

本文從壓縮機轉子的結構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闡述。壓縮機的轉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，各個環節相互關聯影響，并非獨立分割，所以該系列的轉子系統動力學設計應當進行充分整合，同時對轉子的動力特性和振動現象研究分析還應該不斷加大投入，才能杜絕出現異常的振動故障，從而影響生產，造成不必要的經濟損失。