螺桿壓縮機故障維修中動力學特性分析

閔 濤

（遼陽石化分公司聚酯廠，遼寧遼陽 111000）

0 引言

螺桿壓縮機是一種通過陰陽轉子嚙合來完成氣體壓縮的設備，通過陰陽轉子在裝置內部按照一定的傳動比例進行兩個相反方向的轉動，達到減小工作容積的效果，并進一步實現對氣體的壓縮。憑借其結構簡單和工作運行穩定的優勢，在聚酯生產以及機械設備加工等眾多領域中有著廣泛應用[1]。在螺桿壓縮機實際運行中，如何實現對其工作運行效果影響因素的分析，是當前相關領域研究人員重點關注的問題[2]。當前，螺桿壓縮機常見的故障有軸承結構故障、電機轉子條結構故障、齒輪結構故障等，這些問題會在很大程度上影響設備的運行效果。因此，從動力學特性角度進行分析和研究，以期為故障維修提出更符合需要的方案和理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗對象

為了對故障維修過程中動力學特性進行分析，選擇某聚酯企業在用螺桿壓縮機作為實驗研究對象。正常情況下該設備的運行功率為200 kW，排氣量3168 m3/h，出口壓力0.24 MPa。在運行過程中，螺桿壓縮機可以合理分配壓力，并降低每次壓縮的壓縮比，從而避免內部泄漏問題，進而提升壓縮機容積效率，同時也能降低壓縮機軸承的負荷[3]。當前螺桿壓縮機的運行性能得到明顯提升，使用壽命已經超過10 000 h，其人性化的結構設計使得操作更加簡單，并且更易于故障維修。為實現對其故障維修過程中的動力學特性分析，本文分別從螺桿壓縮機齒輪故障角度和螺桿故障角度對其動力學特性進行分析[4]。

1.2 實驗材料與設備

為實現對螺桿壓縮機故障維修的動力學特性分析，選擇對兩種故障情況下的故障頻譜進行記錄，并結合其數值的變化情況進行具體分析。在這一過程中，需要利用振動傳感器實現對測量數據的獲取和轉換[5]。

（1）選擇MMA7660FCR1 型號振動傳感器作為實驗設備，其傳輸類型為I2C，運行溫度-45～75 ℃，電壓為2.4～3.6 V，靈敏度為21.33。其安裝在螺桿壓縮機上，實驗過程中采集振動數據。

（2）需要引入CL-YD302 型號電壓式力傳感器，提取螺桿壓縮機運行力學參數。該傳感器的靈敏度為4 pC/N，測量范圍為100～500 N（線性度和重復度均不大于1%），絕緣電阻為1×103Ω，諧振頻率為45 kHz，工作溫度-155～200 °C。

1.3 實驗方法

在螺桿壓縮機上安裝齒輪的主要目的是，實現動力傳輸并合理設置螺桿之間的間隙。壓縮機運行過程中，齒輪的振動特性與傳動特性有著直接關聯。對這兩種動力學特性進行分析時，相關數據會受到加工工藝、配合、材料等因素的影響，因此在運行過程中壓縮機的齒輪會出現磨損等故障。為此，將壓縮機齒輪的嚙合頻率f 作為重要參考指標。

其中，f、n 和z 分別為齒輪的嚙合頻率、轉動速度、齒數。在故障狀態下齒輪的f 會發生改變，通過計算和記錄其在壓縮機運行過程中的數據及變化情況，可以對壓縮機螺桿故障維修過程中的動力學特性進行分析。

通常情況下一臺螺桿壓縮機中有兩種類型的螺桿，一種為陽轉子、另一種為陰轉子，在兩種轉子相互配合下驅動壓縮機的運行。在實際運行中，壓縮機的軸承游隙常常會影響螺桿的狀態，導致陽轉子與陰轉子發生不良嚙合現象。這不僅會導致壓縮機在運行時出現嚴重故障，影響其正常使用，還會影響設備使用壽命。因此，在對其動力學特性進行分析時，需要結合數據的變化情況，分析螺桿故障維修過程中的動力學特性。

2 實驗結果分析

根據上述實驗方法，分別針對螺桿壓縮機存在齒輪故障和螺桿故障的情況下嚙合不良頻譜進行記錄。圖1 為螺桿壓縮機齒輪故障維修狀態下的頻譜圖。

從圖1 可以看出，在齒輪故障狀態下，螺桿壓縮機運行過程中出現了3 個峰值超過2.0 mm/s的波峰，分別在156.23 Hz、725.58 Hz和1862.34 Hz。結合螺桿壓縮機運行頻率記錄，并從頻譜當中獲取到相關數據信息，將其繪制成表1。

圖1 齒輪故障狀態下的頻譜圖

從表1 可以看出，螺桿發生故障時，壓縮機陰陽轉子剛性體嚙合力和陰陽轉子柔性體嚙合力的變化均符合一定規律，且剛性體嚙合力變化幅度更大、柔性體嚙合力變化幅度更小。

3 實驗結果討論

完成上述實驗后，得出在齒輪故障維修狀態下和螺桿故障維修狀態下螺桿壓縮機動力學參數，結合圖1 和表1 的數據，對螺桿壓縮機的故障維修中動力學特性進行分析。從圖1 可知，出現齒輪故障時相應頻譜出現了不良情況。已知運行過程中螺桿壓縮機的電機轉速為2950 r/min，齒輪的齒數為25，則結合公式能夠計算得出齒輪嚙合的頻率。將計算結果與圖1 中各個峰值出現時的頻率進行對比，可以發現各個嚙合頻率幅值稍高，且有明顯的諧波現象。

表1 螺桿故障維修中螺桿壓縮機動力學參數記錄

此外，還對螺桿故障維修狀態下的壓縮機動力學特性進行了分析。表1 中，陰陽轉子剛性體嚙合力最低值為2453.21 N，最高值為11 253.26 N，而陰陽轉子柔性體嚙合力的最低值為3165.25 N，最高值為7583.23 N。結合數據變化可以發現，發生螺桿故障時壓縮機陽轉子的質心位置出現了偏移，且偏移量呈現出先增加后減小的特點，但陰轉子質心始終在固定范圍內隨機波動。螺桿壓縮機在實際運行過程中，獲取螺桿轉速是實現對其嚙合頻率計算的關鍵。由于當前螺桿壓縮機類型眾多，不同類型壓縮機的陽轉子驅動方式也不同，有的由電機直接驅動，有的依靠增速齒輪帶動。因此，為確保故障診斷結果，在確定故障原因時還應結合壓縮機的結構對其嚙合頻率進行分析。

4 結束語

通過對故障維修狀態下螺桿壓縮機的動力學特征進行分析，得出各種故障的頻率特征，綜合對比后發現，齒輪出現故障時，會出現齒輪嚙合頻率及諧波異常問題，并且主要體現在高頻區域中；螺桿出現故障時，螺桿嚙合頻率及諧波也會出現異常現象，并且異常數值通常為螺桿工頻的整數倍。上述實驗結論不僅能為螺桿壓縮機故障維修提供更有利參考，還能結合動力學頻譜特征的變化情況，準確判斷故障的位置及類型。

另外，螺桿壓縮機的常見故障還有軸承故障、轉子條故障等，由于篇幅有限，未對這兩種故障的動力學特性進行研究。在后續研究中，應針對這兩種故障類型下螺桿壓縮機的動力學特性進行深入探究，以促進螺桿壓縮機適應性的提升。