無油潤滑空氣壓縮機故障分析及處理

劉 鵑，何 忠

（1.廣西科技大學鹿山學院，廣西 柳州 545000；2.柳州市城中區(qū)工商業(yè)聯(lián)合會 廣西 柳州545001）

0 引言

某公司生產(chǎn)的LW-42/8型無油潤滑空氣壓縮機具有運轉(zhuǎn)可靠、節(jié)能的特點。為了達到節(jié)能的目的，這一系列壓縮機采用部分頂開吸氣閥來調(diào)節(jié)氣量，負荷控制邏輯次序是先同時頂開一二級軸側(cè)吸氣閥，再頂開一二級蓋側(cè)吸氣閥，實現(xiàn)0%、50%、100%的氣量調(diào)節(jié)[1]。但在氣量調(diào)節(jié)時主電機電流會產(chǎn)生波動，特別是在50%負荷時，主電機超電流跳閘。為使機組正常運行，不得不放棄了50%氣量調(diào)節(jié)。本文從機組結(jié)構(gòu)以及動力計算等方面進行分析，確定故障原因，尋求解決方案。

1 原因分析

1.1 結(jié)構(gòu)

LW-40/8型無油潤滑空氣壓縮機型式為L型、二級壓縮、往復活塞式、氣缸無油潤滑，電機為14極異步電機，額定功率250 kW，轉(zhuǎn)速422 r/min，電壓380 V，主機與電機剛性直聯(lián)，壓縮機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 壓縮機結(jié)構(gòu)示意圖

氣體簡易流程為：空氣→進氣消聲器→一級氣缸→中間冷卻器→二級氣缸→后冷卻器→儲氣罐→管網(wǎng)，如圖2所示。

圖2 氣體簡易流程圖

氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖如圖3所示，氣量調(diào)節(jié)過程如下：當系統(tǒng)壓力大于1.05倍排氣壓力時，軸側(cè)電磁閥通電打開，一二級軸側(cè)吸氣閥停止進氣，此時為50%氣量調(diào)節(jié)；假如系統(tǒng)壓力繼續(xù)上升，大于1.1倍排氣壓力時，蓋側(cè)電磁閥通電打開，頂開一二級蓋側(cè)吸氣閥，停止進氣，此時為100%氣量調(diào)節(jié)；同樣地，當系統(tǒng)壓力小于0.95倍排氣壓力時，軸側(cè)電磁閥通電關(guān)閉，一二級軸側(cè)吸氣閥打開，持續(xù)進氣，此時為50%氣量調(diào)節(jié)；假如系統(tǒng)壓力繼續(xù)下降，小于0.9倍排氣壓力時，蓋側(cè)電磁閥通電關(guān)閉，一二級蓋側(cè)吸氣閥打開，持續(xù)進氣，此時為100%氣量調(diào)節(jié)。系統(tǒng)就是在0.9～1.1倍排氣壓力的狀態(tài)下循環(huán)，保持節(jié)能運行。

圖3 氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖

1.2 動力計算及確定飛輪矩

飛輪是在旋轉(zhuǎn)運動中用于儲存旋轉(zhuǎn)動能的一種機械裝置，是一個沿著固定軸旋轉(zhuǎn)的輪子或圓盤，飛輪矩就是所儲存的旋轉(zhuǎn)動能。飛輪傾向于抵抗轉(zhuǎn)速的改變，當動力源對旋轉(zhuǎn)軸作用有一個變動的力矩時，或是應用在間歇性負載時，飛輪可以減小轉(zhuǎn)速的波動，使旋轉(zhuǎn)運動更加平順。

經(jīng)動力計算[1]，機組要求飛輪矩GD2≥ 440 kg·m2（旋轉(zhuǎn)不均勻度δ約為1/100），壓縮機機組的飛輪矩由電機飛輪矩與主機飛輪矩兩部分組成，電機廠提供的配套電機的轉(zhuǎn)動慣量為J≈50 kg·m2，則主電機飛輪矩GD2=4J≈200 kg·m2，由于聯(lián)軸器的直徑較小（直徑約為φ300），因此壓縮機飛輪矩可忽略不計，實際飛輪矩只有200 kg·m2，比機組要求的440 kg·m2少了 240 kg·m2。

1.3 故障原因

壓縮機若以電動機驅(qū)動，壓縮機的切向力圖即表示作用在電動機軸上的旋轉(zhuǎn)阻力矩的變化，氣量調(diào)節(jié)時壓縮機會產(chǎn)生振動，由于氣量突然變化，電機由勻速運行突然提速或降速，破壞了平穩(wěn)運行的狀態(tài)，速度變化使電流產(chǎn)生波動甚至超負荷（如速度變化太大），在50%氣量調(diào)節(jié)時，轉(zhuǎn)速瞬時變化最大，因此50%氣量調(diào)節(jié)時電流最大。而飛輪作為一個儲能的裝置，在速度變化時釋放能量，起到了緩沖速度變化、保持機組平穩(wěn)的作用。機組的飛輪矩不夠，則旋轉(zhuǎn)阻力矩變化過大，會引起電動機中的電流波動和供電網(wǎng)中的電壓波動[1]，從而破壞了電網(wǎng)和電動機的正常運行。

經(jīng)分析認為，造成壓縮機氣量調(diào)節(jié)時主電機電流產(chǎn)生波動甚至超負荷跳閘故障的主要原因是機組的飛輪矩不夠。壓縮機機組的飛輪矩由電機飛輪矩與主機飛輪矩兩部分組成，本機中主電機的飛輪矩僅為200 kg·m2，而壓縮機的飛輪矩又很小，整個機組的實際飛輪矩遠達不到預期要求的440 kg·m2。

往復壓縮機飛輪矩與轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)不均勻度的關(guān)系為

一方面，飛輪矩與轉(zhuǎn)速n的平方成反比，由于壓縮機轉(zhuǎn)速較低(422 r/min)，轉(zhuǎn)速低，對飛輪矩要求就大。另一方面，飛輪矩與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不均勻度δ成反比，傳動方式為剛性聯(lián)軸器或懸臂電機時允許的旋轉(zhuǎn)不均勻度δ≤1/100。飛輪矩不夠造成機器的旋轉(zhuǎn)不均勻度δ增大(經(jīng)計算旋轉(zhuǎn)不均勻度δ約為1/45)，在運動部件上產(chǎn)生的附加動載荷，引起電機電流脈動。

而半負荷工況（50%氣量調(diào)節(jié)）時轉(zhuǎn)速瞬時變化最大，需要的能量最大，對壓縮機機組的飛輪矩要求最高，因此在半負荷調(diào)節(jié)時會出現(xiàn)主電機超電流跳閘。

2 解決辦法

根據(jù)以上分析計算，機組飛輪矩不夠，是造成壓縮機氣量調(diào)節(jié)時主電機電流產(chǎn)生波動故障的主要原因。解決故障最簡單的辦法是通過修改負荷控制邏輯將一、二級頂開吸氣閥的次序改為一、二級同時頂開一個軸側(cè)和一個蓋側(cè)，經(jīng)過試驗，速度變化較同時頂開一、二級軸側(cè)吸氣閥小，飛輪矩較原設(shè)計減少，50%氣量調(diào)節(jié)時電機不超負荷，但電機電流波動還是很大[2]。因此，要從根本上解決壓縮機氣量調(diào)節(jié)時主電機電流產(chǎn)生波動的問題，必須增加壓縮機的飛輪矩。下面結(jié)合工程實際提供三種處理方案。

（1）方案一：設(shè)計新飛輪

本機為剛性直聯(lián)，原聯(lián)軸器的飛輪矩很小，可忽略不計，而機組現(xiàn)缺少的飛輪矩為240 kg·m2，為滿足機組所需飛輪矩，現(xiàn)設(shè)計大飛輪作為新聯(lián)軸器（外圓直徑約為φ900），使新聯(lián)軸器的飛輪矩滿足機組所缺少的飛輪矩240 kg·m2。如圖4所示。此方案可作為出廠機型的改造方案。

圖4 設(shè)計大飛輪作為聯(lián)軸器

工程上應用如圖5所示。

圖5 設(shè)計大飛輪作為聯(lián)軸器的機型

（2）方案二：使用同步電機

如圖6所示，該公司該系列壓縮機的另一機型，采用14極同步電機驅(qū)動LW-42/8型無油潤滑空氣壓縮機，連接方式為轉(zhuǎn)子懸掛。同樣也進行氣量調(diào)節(jié)，但沒有出現(xiàn)此問題，按電機廠提供的數(shù)據(jù)，所用同步電機飛輪矩為400 kg·m2，基本滿足機組所需飛輪矩。此方案的缺點是相對異步電機來說，同步電機價格較高。目前已較少采用。

圖6 同步電機驅(qū)動壓縮機示意圖

（3）方案三：更換電機，采用皮帶傳動

如圖7所示，改用6極異步電機，額定功率250 kW，轉(zhuǎn)速985 r/min，電壓380 V，主機與電機通過皮帶傳動聯(lián)接。皮帶傳動時允許的旋轉(zhuǎn)不均勻度δ為1/30 ～ 1/40，則機組要求飛輪矩 GD2≥ 200 kg·m2。

首先是按所需的飛輪矩（GD2≥ 200 kg·m2）進行大皮帶輪的初步設(shè)計，大皮帶輪兼做飛輪，選取盡可能大的皮帶輪直徑（外圓直徑約為φ900），保證飛輪矩滿足機組要求即可。然后通過設(shè)計合適的帶輪副使主機轉(zhuǎn)速降到422 r/min。此方案較前述方案一、二更優(yōu)化，電機價格最低，從而降低整機成本。在工程上得到推廣。

圖7 大皮帶輪兼做飛輪

工程上應用如圖8所示。

圖8 大皮帶輪兼做飛輪的機型

3 結(jié)束語

上述三個方案都在工程上實踐過，機組所需飛輪矩都能滿足，都可以從根本上解決氣量調(diào)節(jié)時主電機電流會產(chǎn)生波動的問題，機器性能得到保證，達到預期效果，成功實現(xiàn)0%、50%、100%的氣量調(diào)節(jié)，機器運行情況良好，用戶十分滿意，證實以上故障分析是正確的，處理方法是行之有效的。

綜合比較三個方案，單從現(xiàn)有機型的改造來說，方案一改造成本最低，用戶只需更換新設(shè)計的聯(lián)軸器，壓縮機就可以實現(xiàn)可靠的氣量調(diào)節(jié)。如果是新設(shè)計的機器，則方案三成本最低，更值得推廣，該公司在新生產(chǎn)的類似機型中，均采用方案三來設(shè)計傳動方式，在保證機組可靠性的基礎(chǔ)上，降低了成本，提高了產(chǎn)品的競爭力。