壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性及常見振動(dòng)原因解析

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（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子與振動(dòng)情況是影響設(shè)備運(yùn)行性能與效率的重要關(guān)鍵因素，本文將通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和基本原理分析，對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行詳細(xì)的解析，同時(shí)對(duì)壓縮機(jī)上常見的振動(dòng)問(wèn)題及原因進(jìn)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(jī)械中的主要工作部件。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)常伴有相關(guān)系列振動(dòng)，給設(shè)備帶來(lái)噪聲，甚至嚴(yán)重的元件損壞和轉(zhuǎn)子失穩(wěn)等害處，極大地影響了設(shè)備的工作效率和使用壽命。見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)圖

2 轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性解析

2.1 軸承動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)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(dá)到載荷穩(wěn)定時(shí)，軸頸的中心便達(dá)到靜態(tài)穩(wěn)定線的某一點(diǎn)和穩(wěn)定。而當(dāng)軸承的工作角度因?yàn)楣ぷ麝P(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(dǎo)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(dòng)影響，軸承不僅受油膜的靜態(tài)油膜托起力，還會(huì)因外界的移動(dòng)和速度等因素?cái)_動(dòng)產(chǎn)生附加的動(dòng)態(tài)油膜力，所以轉(zhuǎn)子是在靜態(tài)油膜力與動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jī)處于靜態(tài)的一種穩(wěn)定或者動(dòng)態(tài)的一種穩(wěn)定，靜態(tài)穩(wěn)定即轉(zhuǎn)子的外徑與長(zhǎng)度的比值大于或者等于5時(shí)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)此時(shí)無(wú)論是工作轉(zhuǎn)動(dòng)速度快還是慢，系統(tǒng)只須靜態(tài)穩(wěn)定。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定是指轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度大于半徑時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)動(dòng)速度大于1000時(shí)，此時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。當(dāng)軸承系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，就可以避免一系列的設(shè)備振動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)非穩(wěn)定性振動(dòng)的時(shí)候，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸之間的力學(xué)便出現(xiàn)破壞，設(shè)備便會(huì)出現(xiàn)一些破壞性的振動(dòng)現(xiàn)象。

2.3 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)平衡特性

轉(zhuǎn)子的振動(dòng)一般對(duì)設(shè)備是有害的，但是卻無(wú)法杜絕這一現(xiàn)象，怎樣平衡轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)，使其系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)平衡的高性能狀態(tài)。其實(shí)只要將轉(zhuǎn)子的振動(dòng)設(shè)定在一定范圍內(nèi)，達(dá)到一定的轉(zhuǎn)動(dòng)與振動(dòng)平衡狀態(tài)，就可消除危害性的振動(dòng)現(xiàn)象。所謂的轉(zhuǎn)子振動(dòng)平衡即是將轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻率限制在轉(zhuǎn)速的1/10，即可達(dá)到轉(zhuǎn)子振動(dòng)平衡狀態(tài)。而主要的處理手段是將轉(zhuǎn)子的外徑與長(zhǎng)度比值降低來(lái)達(dá)到轉(zhuǎn)子振動(dòng)平衡狀態(tài)。

2.4 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)特性

研究表明，齒輪系統(tǒng)的耦合傳動(dòng)振動(dòng)特性模型與設(shè)備的固定頻率、穩(wěn)定性能與彎曲、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型有著很大的區(qū)別。建立相關(guān)斜齒傳動(dòng)模型的分析模型，分析得出斜齒傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)不僅存在扭曲振動(dòng)、軸向振動(dòng)、彎曲振動(dòng)常規(guī)的振動(dòng)，還存在動(dòng)態(tài)合力產(chǎn)生的扭擺動(dòng)。齒輪空間存在6個(gè)自由度，整個(gè)系統(tǒng)存在12個(gè)自由度，輪齒的重合度為整數(shù)，整個(gè)嚙合過(guò)程中呈現(xiàn)出一個(gè)周期性的變化，且同時(shí)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(kuò)展到整個(gè)齒面，最后從輪齒一端退出嚙合的過(guò)程，此時(shí)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(dòng)，斜齒只是一小部分的微小波動(dòng)，如圖2為斜齒輪與振動(dòng)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(dòng)原因及分析

3.1 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)原理

壓縮機(jī)主要通過(guò)轉(zhuǎn)子的高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生離心力使其具備壓縮功能，出現(xiàn)振動(dòng)的主要機(jī)理是轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻率與設(shè)備自身振動(dòng)頻率相接近，導(dǎo)致共振現(xiàn)象，繼而出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。如轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸的契合不嚴(yán)密時(shí)，還可能引起其他的振動(dòng)效應(yīng)。

3.2 壓縮機(jī)機(jī)組穩(wěn)定性引起的振動(dòng)

圖2 斜齒輪與振動(dòng)穩(wěn)定關(guān)系圖

機(jī)組如出現(xiàn)失穩(wěn)即可出現(xiàn)轉(zhuǎn)子的不平衡振動(dòng)，引起的主要原因是壓縮機(jī)內(nèi)部的零件契合度不達(dá)標(biāo)，如轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸的契合度不夠造成的機(jī)組失穩(wěn)，以及離心機(jī)基座之間的連接緊密情況不好，都可能造成機(jī)組的失穩(wěn)。而造成機(jī)組的失穩(wěn)還有設(shè)備的固有振動(dòng)，引起該失穩(wěn)的主要原因是，在設(shè)備轉(zhuǎn)子生產(chǎn)時(shí)雖然已經(jīng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)平衡處理，但是在組裝后的系統(tǒng)運(yùn)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(shè)計(jì)流量等因素，但是這種不平衡不會(huì)隨著時(shí)間而進(jìn)行改變。

3.3 轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)離心力不均衡引起的振動(dòng)

轉(zhuǎn)子加工和使用過(guò)程會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的離心力不均衡。轉(zhuǎn)子加工導(dǎo)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?yàn)椴牧咸匦曰蛘吖に嚿a(chǎn)的限制導(dǎo)致轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)密度的不均勻性，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子后期運(yùn)行的離心力不均勻性。使用過(guò)程造成的離心力不均衡體現(xiàn)在設(shè)備長(zhǎng)期使用后，因?yàn)橥饨绲母g和磨損，最后導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)銹蝕或者部分殘缺，導(dǎo)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?yàn)樾D(zhuǎn)矢量的不平衡導(dǎo)致轉(zhuǎn)子離心力的大小、方向出現(xiàn)偏差，從而導(dǎo)致出現(xiàn)不規(guī)則的振動(dòng)，這是一種極具有破壞效果的振動(dòng)。

圖3 偏心離心力矢量圖

3.4 轉(zhuǎn)子變形引起的振動(dòng)

轉(zhuǎn)子變形主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)子出現(xiàn)彎曲，一種為臨時(shí)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(dòng)

突變型失速振動(dòng)主要體現(xiàn)在壓縮機(jī)內(nèi)部，主要由氣流與壓力引起。內(nèi)部氣流流量減弱時(shí)，壓縮機(jī)內(nèi)部的流量被氣體漩渦替換，導(dǎo)致出口壓力急劇減弱，當(dāng)壓縮機(jī)具有大的容量時(shí)，管網(wǎng)的壓力不會(huì)立即下降，但會(huì)出現(xiàn)氣體倒流向壓縮機(jī)內(nèi)部，當(dāng)官網(wǎng)壓力減弱到與壓縮機(jī)出口的壓力值一樣時(shí)，氣體停止倒流，壓縮機(jī)又繼續(xù)恢復(fù)到原來(lái)的壓力，周而復(fù)始，掉壓后恢復(fù)壓力，出現(xiàn)流量與壓力的沖突，致使機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)。其主要原因是氣體流量減小，壓縮機(jī)進(jìn)口氣體溫度較高、管網(wǎng)的壓力過(guò)大，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低，導(dǎo)致壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力較弱等現(xiàn)象。

4 一般解決方案對(duì)策

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)上述振動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，及時(shí)、正確、科學(xué)的處理措施不但是保證工業(yè)生產(chǎn)周期的及時(shí)性，還直接關(guān)系到設(shè)備的使用壽命問(wèn)題。

固定保養(yǎng)維護(hù)。壓縮機(jī)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(fù)雜惡劣，外界惡劣的介質(zhì)通過(guò)時(shí)會(huì)直接破壞設(shè)備的動(dòng)、靜元件，特別是壓縮機(jī)的核心元件轉(zhuǎn)子，一旦轉(zhuǎn)子被腐蝕破壞將直接導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障性振動(dòng)，導(dǎo)致壓縮機(jī)使用壽命的下降。定期對(duì)設(shè)備的動(dòng)、靜元件進(jìn)行防腐處理、清理污垢，及時(shí)為各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件潤(rùn)滑，可以保證設(shè)備的正常運(yùn)行，還可以提高設(shè)備的使用壽命。

提高設(shè)備零部件加工工藝。壓縮機(jī)核心零部件的加工直接影響設(shè)備的使用性能與壽命。在加工壓縮機(jī)的核心零部件時(shí)，如壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子零件，應(yīng)當(dāng)在材料的選擇上做好把關(guān)，材料不得有氣孔等缺陷，同時(shí)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(shí)更換部件。壓縮機(jī)是一種長(zhǎng)期處在高強(qiáng)度載荷工況下的運(yùn)行設(shè)備，各個(gè)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?yàn)殚L(zhǎng)期處在高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)行環(huán)境下，長(zhǎng)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(shí)進(jìn)行更換會(huì)導(dǎo)致機(jī)組失穩(wěn)。所以，及時(shí)更換磨損的零件可以減小設(shè)備故障性振動(dòng)，減小設(shè)備的故障發(fā)生概率，從而保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特征以及運(yùn)動(dòng)動(dòng)力特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并對(duì)常見的振動(dòng)原因和特性進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性與其振動(dòng)涉及的因素較多，涉及的是一個(gè)整體式的耦合體系，各個(gè)環(huán)節(jié)相互關(guān)聯(lián)影響，并非獨(dú)立分割，所以該系列的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行充分整合，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力特性和振動(dòng)現(xiàn)象研究分析還應(yīng)該不斷加大投入，才能杜絕出現(xiàn)異常的振動(dòng)故障，從而影響生產(chǎn)，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。