干式螺桿壓縮機故障判斷與振動分析

高元濤，楊嘉宇，顏成建，管柯鳴，陳鮮莉

（浙江鼎盛石化工程有限公司，浙江舟山 316000）

0 引言

由于齒輪傳動的特點，干式螺桿壓縮機的陰、陽螺桿在運行過程中是連續不接觸的，因此其對介質空氣要求不高且能很好地滿足氣源恒定壓力的需求，同時具有螺桿磨損量小、設備運行周期長的特點。目前在造粒裝置中，干式螺桿式壓縮機被廣泛應用于空氣壓縮，以提供粒料顆粒輸送動力。

Aerzen VML-95 型干式螺桿壓縮機是某石化聚烯烴裝置中常見的一種設備，通過大量比對其在維護過程中狀態監測得到的頻譜波形特征，結合設備檢修經驗，分析不同頻譜波形特征下對應設備的故障原因，預先做好設備維護提高設備管理。

1 Aerzen VML-95 型干式螺桿壓縮機結構特點

Aerzen VML-95 型干式螺桿壓縮機屬于雙螺桿壓縮機，整體上有3 根轉子（圖1）。它由電機驅動，電機轉子通過彈性柱銷聯軸器與設備輸入軸連接傳動，輸入軸上帶有增速齒輪，與陽螺桿上的增速齒配合形成一組增速齒輪組（該增速齒輪組實現傳動）。除了一組增速齒輪組外，陽螺桿上還另帶有一個同步齒輪，該同步齒輪與陰螺桿上的同步齒輪形成同步齒輪組，實現陰、陽螺桿的同步轉動嚙合（圖2）。

圖1 轉子螺桿

圖2 增速齒輪組及同步齒輪組

轉子部件方面，輸入軸上有4 個滾動軸承、1 個增速齒輪、1 個半聯軸器和1 個12葉片風扇，陽轉子上有5 個滾動軸承、1 個增速齒輪和1 個同步齒輪，陰轉子上有4 個滾動軸承和1 個同步齒輪（圖3）。在設備正常運轉過程中，上述各部件各自承載著屬于自己的任務和特性，不同零部件的故障將增大設備運轉時產生的振動。

圖3 12 葉片風扇

2 壓縮機常見故障

在現場長周期的運行過程中，除使用專用的頻譜檢測儀器進行振動檢測外，Aerzen VML-95 型螺桿壓縮機本體其他參數異常從而判斷設備故障的情況也時有發生，常見故障主要有以下5 類。

2.1 設備工藝參數異常

空氣壓縮機的作用就是提供連續的壓縮空氣，壓縮空氣的流量與壓力則由設備本身設計工況決定，是機械設備的輸出參數。當壓縮機所提供介質的流量與壓力發生異常時，這種故障很容易判斷出來。對于此類故障，首先是檢查其入口過濾器、出入口管線，排查工藝介質空氣是否能正常進入設備并能被順利排出；其次對轉子進行盤車診斷，確保轉子轉動無誤，螺桿正常嚙合；最后則是檢查螺桿的端面間隙，端面間隙影響的是吸氣端面和排氣端面泄漏通道，會在一定程度上影響設備的工藝參數。

2.2 機械局部過熱或存在異響

轉動設備在正常運行過程中，由于各部件之間的承載、摩擦，都存在一定程度的溫升現象，發出連續正常摩擦的聲音，設備在設計時也會考慮到此類部件，相對應的設計潤滑降溫措施，已確保此類部件能長周期運行。但是由于該類部件不正常的運行或因外界因素造成損傷時，其部件運行時的溫升和發出的聲音也將發生異常，同時轉子由于外界因素干擾轉動部分發生摩擦現象時，摩擦部位也會發出異響。

此類故障發生頻次不高，一般發生在部件損傷較為嚴重的時候。針對此類故障，一般采用設備解體檢修的解決手段，在針對性地處理損傷部件的同時，預防性檢查設備其他部件，以確保設備檢修后正常運行。

2.3 機械潤滑油變質、缺失導致磨損增加

對于設備的傳動機構和承載機構，針對于Aerzen VML-95型螺桿壓縮機也就是其增速齒輪組、同步齒輪組及各轉子的軸承，為確保上述部件的正常運行，設備采用潤滑油進行潤滑，保證其磨損量及運行溫度在設計要求范圍內，確保部件長周期運行。當潤滑油自身屬性發生變化、無法滿足潤滑要求時，軸承與齒輪的磨損量將增大，其使用壽命也大大縮短，所以潤滑油是否變質及其是否滿足潤滑條件是軸承齒輪正常運行的重要參數之一。潤滑油是否變質及其是否滿足潤滑條件，一直作為設備日常維護的重點之一，但此類故障發生時需要根據當前磨損量來判斷是否需要對軸承和齒輪進行檢修，最后也需要重新補充合格的設計量的潤滑油。

2.4 機械部件的裂紋損傷

部件的老化、磨損、變形、斷裂會隨著時間而發生，從而部件產生裂紋損傷，這種損傷一般在早期并不影響設備的正常運行，也無法在設備運行過程中發現、但是隨著損傷的加劇，該類故障也會隨著其他故障特征出現從而影響設備的正常運行。針對此類故障，在設備解體檢修時可使用超聲波、著色等手段進行檢測，在其未影響到設備正常運行之前檢測出來并加以解決。

2.5 機械設備振動異常

振動狀態參數是設備日常維護中非常重要的數據，能直接反應設備的運行狀態。一般來說設備正常運行時都會產生振動，在規定范圍內的振動參數是正常的，且振動參數往往隨著周邊環境的變化、工藝工況的變化而發生波動。但當設備某部位某方向的振動數值發生異常增大時，往往說明設備部件的運行規律發生變化，早期故障開始出現，隨著時間的推移該類現場將不斷加劇，最后故障特征逐步明顯。因此，分析機械振動自身屬性的特征變化，能夠在故障早期發現故障原因，針對性的進行診斷和檢修可以大大提高設備的檢修效率，降低檢修成本。

3 振動頻譜特征對應故障原因

設備通頻振動是各個頻譜振動分量相互迭加后的總振動，經過傅里葉級數變換分解分解后，將分解為多組離散的頻率成分，而每種特定的典型故障都對應著不同頻率成分的典型變換，針對每種特定頻率進行分析，找到設備具體故障原因。

3.1 轉子不平衡

不平衡是轉子系統最為簡單的振動起因，也是最常見最主要的故障表現。因轉子不平衡所產生的離心力在轉子每旋轉一圈都會作用一次，因此轉子不平衡所對應的頻譜與設備轉速有關，一般認定為轉子的轉動工頻、1 倍頻（圖4）。

圖4 轉子不平衡故障頻譜特征圖

3.2 轉子不對中

驅動機和轉動設備的連接依靠聯軸器進行，兩個轉子之間的相對位置調整成為轉子找正，轉子狀態共有4 種情況——完全對中、平行偏移不對中、角度偏移不對中和綜合不對中。轉子平行偏移不對中時，轉子旋轉一圈徑向力的方向會發生4 次改變，從而產生兩次振動，產生較大的2×工頻；轉子角度偏移不對中時，因彎曲力矩的改變旋轉一圈會發生一次振動，產生1×工頻；另外，轉子之間相對距離的過近過遠也會產生轉子發生振動，常見的故障頻率為3×工頻。

所以對于轉子的對中狀態，一般情況為綜合不對中，轉子之間的距離也可能存在問題，所以針對轉子不對中所形成的故障特征，一般以2×頻為主，常伴有1×頻和3×頻（圖5）。

圖5 轉子不對中故障頻譜特征圖

3.3 轉子松動、摩擦

設備轉子作為組合部件，各個部件都需要進行連接和配合，一旦連接和配合發生松動，都會造成劇烈振動，且轉子的松動常常會導致轉子與定子之間發生相對摩擦，從而加劇轉子振動。

松動和摩擦所造成的振動往往會破壞轉子轉動所產生的簡諧波形，因此時域波形會存在削波，整倍的離散頻率無法完成表示設備的通頻振動，所以該類故障特征常伴有半倍分頻，高次頻表現更為明顯（圖6）。

圖6 轉子松動、摩擦故障頻譜特征圖

3.4 軸承故障

軸承作為轉子的支撐部件，其自身的狀態與設備整體性能息息相關。作為滾動軸承，其基本組成分為軸承外圈、軸承內圈、滾動體及保持架，不同的部件承載著不同的作用，每個部件的損壞都有著自身特有的故障特征。

滾動軸承的故障頻率常出現在以下4 個頻率及倍頻出：BPFI（內圈缺陷頻率）、BPFO（外圈缺陷頻率）、BSF（滾珠缺陷頻率）、FTF（保持架缺陷頻率）。其中BPFO 約為0.4 倍轉速頻率與滾動體數量的乘積，BPFI 約為0.6 倍轉速頻率與滾動體數量的乘積，BSF 約為0.18 倍到0.23 倍轉速頻率與滾動體數量的乘積，FTF 約為0.4 倍轉速頻率。不同軸承型號對應的軸承故障頻譜是不同的，所以針對軸承故障分析需結合該設備的軸承型號（圖7）。

圖7 軸承故障頻譜特征

3.5 齒輪故障

齒輪組作為轉子與轉子之間傳動的部件，其本身具有一定的載荷作用和定位作用，在轉子旋轉過程中齒輪不斷嚙合，因嚙合不良而引起振動也是非常常見的。

齒輪故障產生的齒輪嚙合頻率和齒輪齒數及設備轉速有關，齒輪嚙合頻率數值為齒輪齒數與轉速頻率的乘積，通常嚙合頻率兩邊帶有邊頻，且隨著故障的加劇，邊頻的數量也會增多（圖8）。

圖8 齒輪故障頻譜特征

4 Aerzen VML-95 型干式螺桿壓縮機振動頻譜特征分析

Aerzen VML-95 型干式螺桿壓縮機運行振動參數的上升，對應不用部件的損傷其頻譜波形特征應是不相同的，現就各振動頻譜特征進行專項分析。

4.1 以50 Hz 為工頻的頻譜特征

設備本體由電機進行驅動，電機轉速為2980 r/min，設備輸入軸與電機轉子通過彈性注銷聯軸器進行連接，意味著設備輸入軸轉速為2980 r/min，輸入軸轉子工頻為50 Hz。

對出現以50 Hz 為工頻的振動頻譜特征，可針對性地對輸入軸的各個轉動部件進行分析，如輸入軸轉子動不平衡、輸入軸轉子不對中及聯軸器損壞等故障特征（圖9）。

圖9 以50 Hz 為工頻的頻譜特征圖

4.2 以130 Hz、97.5 Hz 為工頻的頻譜特征

輸入軸與陽螺桿通過增速齒輪組進行傳動，其增速傳動比為2.6:1，則陽螺桿的工頻為130 Hz，陰螺桿的工頻為97.5 Hz，但因陰陽螺桿為中心對稱結構，陽轉子螺桿為3 組螺旋，陰轉子螺桿為4 組螺旋，所以390 Hz 為轉子嚙合頻率。

對于出現以130 Hz、97.5 Hz 為工頻的振動頻譜特征，可針對性地對陰陽螺桿的各個轉動部件進行分析，如陰陽螺桿動不平衡、同步齒輪故障、陰陽螺桿嚙合間隙端面間隙出現變化等（圖10）。

圖10 螺桿工頻及轉子嚙合頻率的頻譜特征圖

4.3 軸承故障頻率特征

圖11、表1 為壓縮機轉子各部位的軸承型號及其在轉子上的相應位置。

表1 各部位的軸承型號明細

圖11 各部位的軸承分布情況

對上述軸承的軸承故障頻率進行匯總，可針對性地對轉子故障軸承進行故障原因分析和更換作業（表2）。表2 中軸承故障頻率皆為SKF 軸承，其中n 為轉速（單位為r/min）。

表2 轉子各部位軸承故障頻率

4.4 其他頻譜特征

除上述以外的頻譜波形出現頻次不高，一般多為高振動的雜亂波形，且伴隨著半倍轉子工頻及邊頻等，出現在陰陽螺桿摩擦咬合故障，所以對于除上述頻譜波形以外的特征，懷疑為內部轉子出現松動摩擦現象。

5 結論

本文根據Aerzen VML-95 型干式螺桿壓縮機結構特點、故障原因分析及振動故障特征頻譜分析，建立了振動分析與故障判斷典型案例，以此為參考用于干式螺桿壓縮機日常維護過程中的在線監測與故障判斷。每一臺設備的現場在線監測和故障判斷必須與設備本身結構特點相結合，有針對性的分析能夠大大提高設備故障判斷的準確性，也能在故障發生前提前發現隱患、消除隱患。