淺談電動機軸向竄動對往復式壓縮機影響及控制措施

楊勇，侯望，唐開明，王陳，程凱星

（瀘州老窖股份有限公司，四川 瀘州 646000）

往復式壓縮機在石油化工、采礦冶金等工業氣體壓縮輸送領域已經得到了廣泛應用，因其具有單級壓縮比大，特別適應低流量高壓縮比工況，在釀酒行業通常作為沼氣壓縮機。往復式壓縮機常用的驅動機有電動機、汽輪機、燃氣輪機等，如果使用燃氣輪機或者汽輪機作為往復式壓縮機的驅動裝置，則需要有變速機構和阻尼裝置，傳動系統由于笨重的設計，在現場使用極為不便，因此在石油化工、海上油氣開采、釀酒等行業，電動機驅動往復式壓縮機最為常見。

往復式壓縮機通常是工業生產過程中的關鍵設備，具有單機價值高、維修復雜的特點，它的運行狀態直接影響企業的生產效率和維修成本。往復式壓縮機軸向竄動通常會導致止推環磨損咬死、滑動軸承巴氏合金熔化、曲軸磨損等嚴重故障，因此，研究往復式壓縮機軸向竄動原因并提出有效的控制措施，對提高機組的可靠性，提高生產效率和降低維修成本具有現實意義。

1 軸向力對往復式壓縮機零部件的影響

1.1 對止推環的影響

往復式壓縮機是通過曲軸帶動連桿，由連桿將驅動力傳遞到十字頭，十字頭直接通過活塞桿驅動活塞做往復運動，完成氣體的吸入-壓縮-排出過程。從壓縮機對氣體做功的過程看，氣體對活塞的作用力傳遞至曲軸只有徑向力，沒有軸向力，因此，往復式壓縮機在設計軸承時往往不會專門設計推力軸承，而是采用止推環或者將曲軸主軸瓦翻邊的方式限制曲軸軸向位移。這種限制曲軸軸向位移的方式，決定了曲軸不能承受較大的軸向力，軸向力一旦超標，將使得曲軸與止推環或者曲軸主軸瓦摩擦生熱，甚至咬合。

1.2 對曲軸主軸瓦的影響

往復式壓縮機曲軸軸承通常稱主軸瓦，主軸瓦由上下兩部分組成，瓦背由鋼制成，內表面為巴氏合金。油泵將潤滑油升壓后經冷卻、過濾后送至主軸瓦用油點，通過曲軸旋轉將潤滑油帶到曲軸與主軸瓦的接觸部位形成油膜，油膜具有減小摩擦和冷卻軸瓦的作用。

對于使用止推環的往復式壓縮機，曲軸主軸瓦通常緊貼止推環安裝。曲軸與止推環摩擦產生的高溫會沿著機體和曲軸傳遞到曲軸主軸瓦，導致軸瓦溫度升高。往復式壓縮機正常運行應保證軸瓦工作溫度在100℃以下，超出限制溫度可能導致軸瓦表面巴氏合金損壞。對于通過曲軸主軸瓦翻邊的方式限制曲軸軸向位移的往復式壓縮機，曲軸直接與徑向軸承摩擦，直接導致軸瓦溫度升高，以至于巴氏合金熔化。

1.3 對連桿大頭瓦的影響

連桿是將曲軸的回轉運動轉換成直線運動的關鍵部件，連桿與曲軸曲柄銷的配合部位設置滑動軸承，此軸承稱為連桿大頭瓦，連桿與十字頭銷的配合軸承稱為小頭瓦。曲軸上開有油孔連接主軸瓦與連桿大頭瓦，潤滑油從主軸承經曲軸到達連桿大頭瓦，對連桿大頭瓦起潤滑冷卻作用。連桿軸向位置是由兩側曲拐來限制的，曲拐隨著曲軸的竄動而竄動。連桿大頭瓦受力是旋轉力和十字頭傳遞的水平力的合力，因此受力大。當限制曲軸軸向位移的措施失效時，曲軸會脫離原有工作位置，帶動連桿偏離工作位。曲柄銷和連桿大頭瓦之間的軸向間隙發生改變，嚴重時導致連桿與曲軸垂直度超差，大頭瓦與曲柄銷之間的線接觸變成點接觸，造成局部應力高，大頭瓦巴氏合金點狀剝落。此外，還可能導致大頭瓦與曲柄銷之間潤滑油膜不能有效形成，造成連桿大頭瓦溫度升高，甚至會導致巴氏合金熔化脫落。

2 曲軸軸向竄動的原因

根據前文分析，往復式壓縮機正常運行中曲軸不受軸向力，不會產生軸向竄動，其軸向竄動通常是由外力造成的。

2.1 電動機與曲軸的連接方式

電動機與曲軸通過聯軸器連接，聯軸器分為剛性聯軸器和柔性聯軸器。對于中大型往復式壓縮機，運行轉速低、扭矩很大。柔性聯軸器可以吸收部分電動機軸向位移，從而降低軸向力，但是，在低轉速高扭矩的情況下，柔性聯軸器是不適用的。在連接方式方面，主要選擇的是剛性連接，電動機的軸向竄動和軸向力會全部傳遞至壓縮機曲軸。

2.2 電動機軸竄動的原因

電動機在正常運行時只輸出扭矩，不輸出軸向力。當三相異步電動機受到自身的、風路的或者電磁的軸向作用力時，若轉子存在較大軸向游移空間，在軸向力的作用下轉子便可發生竄動現象。產生軸向力的原因包括轉子和定子尺寸誤差、軸向磁拉力和風扇推力等，電機定子和轉子鐵芯的棱形誤差、長短誤差以及裝配誤差均會產生不平衡的軸向磁拉力。三相異步電動機風扇通常安裝在電機軸的一邊，產生軸向的冷卻風，如此也會導致電機軸產生與冷卻風方向相反的軸向力，造成電機軸竄動。

3 軸向竄動的控制措施

3.1 安裝控制措施

往復式壓縮機結構非常復雜，其零部件構成也非常精密，這就導致其在安裝過程中會出現諸多誤差問題。這不僅會對設備使用壽命造成影響，同時也會對運行穩定造成威脅。聯軸器安裝步驟為：（1）電機軸、壓縮機軸和壓縮機飛輪的同軸度調整；（2）聯軸器對輪間隙的調整；（3）聯軸器螺栓緊固。安裝過程中聯軸器對輪間隙的確定是控制曲軸收到安裝軸向力的關鍵環節，對輪間隙過大或者過小，都會造成曲軸受到外部附加軸向力。

3.1.1 滾動軸承電動機聯軸器對輪間隙控制

滾動軸承電動機通常在軸伸端采用深溝球軸承以限制軸向竄動，其軸向位移較小。此時，電動機的軸向竄動量為深溝球軸承的軸向游隙加上軸承壓蓋與軸承之間的間隙。電動機在運輸過程中和安裝過程中，均會導致磁力中心線在竄動量范圍內偏移，磁力中心線偏移導致電機軸產生軸向力。聯軸器對輪間隙確定時，應確保運行后電機磁力中心不偏移，壓縮機曲軸在設計位置運行。

確定聯軸器對輪間隙前，應將電動機進行試運轉，運轉時間不低于2 小時，消除運輸和安裝過程導致的磁力中心偏移，停機前用細刻刀在電動機軸伸出機殼的位置劃出細線，標記磁力中心位置。電動機斷電后，在墮轉過程中，風扇風力減少，電磁力消失，導致轉子磁力中心偏移。測量聯軸器對輪間隙前，將壓縮機曲軸調整至設計安裝位置，電動機軸調整至試運轉時刻劃的細線位置，按聯軸器安裝圖要求調整好對輪間隙。安裝后電動機和壓縮機曲軸均運行在設計位置，避免電動機磁力中心偏移產生軸向力。

3.1.2 滑動軸承電動機聯軸器對輪間隙控制

大型電動機一般采用滑動軸承，滑動軸承對電動機軸軸向移動沒有限制，出廠時在電機軸上標記磁力中心位置。安裝時，通過試運轉復核磁力中心位置，對標記錯誤的磁力中心位置進行校正。聯軸器安裝時，將壓縮機曲軸調整至設計安裝位置，電動機軸調整至磁力中心位置，按聯軸器安裝圖調整好對輪間隙，即可完成聯軸器對輪間隙的調整。

3.2 電動機軸承選型措施

大型往復式壓縮機通常采用同步電動機驅動，配置滑動軸承，并采用水冷的方式，在電機軸的一端取消風扇設置，這就避免了風扇轉動產生的軸向力，對于這類電動機軸向竄動干擾小，安裝人員根據技術要求復核和校正磁力中心即可。三相交流異步電動機通常使用開放式深溝球軸承，以抵消風扇旋轉產生的軸向力。深溝球軸承的徑向游隙是標準規定的檢查項目，也是用戶選用軸承的依據之一，工程上普遍認為深溝球軸承是標準產品，因此，深溝球軸承軸向游隙在選用時，往往不在考慮范圍內。軸承游隙分為原始游隙、裝配游隙和工作游隙，軸承在自由狀態下的游隙稱為原始游隙，此時，軸承未安裝到電機軸上；軸承裝配到電機軸和軸承腔狀態下剩余游隙稱為裝配游隙；電動機運轉過程中，軸承內外圈及鋼球溫度升高，軸承配合間隙發生變化，此時，軸承游隙稱為工作游隙。軸承裝配過程中，內圈受到擴張而外圈受到擠壓，導致軸承裝配游隙小于原始游隙。電機工作時，軸承產生的熱量疊加電機定子傳遞的熱量，使得軸承溫度升高，有時可達95℃，導致軸承游隙進一步縮小，因此，軸承工作游隙進一步小于裝配游隙。

理論上講，軸承工作游隙為零時是最佳狀態，此時，軸承旋轉精度最高且使用壽命最長，然而此狀態是不可達到的。軸承原始游隙過小，在裝配和使用過程中，軸承裝配游隙和工作游隙進一步減小，在安裝后軸承甚至出現負游隙，不能滿足電動機長期穩定運行的要求。三相異步電動機生產廠家在選配電動機軸承時，往往不對軸承軸向游隙做要求，而是按照標準選用深溝球軸承。深溝球軸承標準游隙分為五個組別，徑向游隙由小到大為：2 組、0 組、3 組、4 組和5 組，0 組稱為標準游隙。為確保軸承工作游隙正常，且能夠吸收部分電機轉子膨脹量，電動機深溝球軸承一般選用3 組游隙，屬于大游隙軸承。

深溝球軸承軸向游隙計算經驗公式為：

式中，Sa為軸承軸向游隙；R1為軸承外圈溝槽曲率半徑；Re為軸承內圈溝槽曲率半徑；DW為鋼球直徑；Sr為軸承徑向游隙。

通常來說，不同軸承生產商設計的軸承溝槽曲率半徑和鋼球直徑不一致?，F以某國際知名廠家生產的6244C3 深溝球軸承為例，通過式（1）計算得出軸向游隙為0.50 ～0.68mm，軸承裝配到電機軸和軸承腔后，更換多套軸承實測軸向裝配游隙分布在0.46 ～0.62mm。此軸承安裝在電動機上以限制軸向位移，此電※動機驅動的2D25 型往復壓縮機曲軸的軸向位移為0.34～0.51mm。電動機軸承軸向游隙大于壓縮機曲軸軸向位移，當電動機受到磁力和風力產生的軸向力影響時，軸承不能起到吸收電動機軸向竄動的作用，將電動機軸向竄動傳遞至壓縮機曲軸，可能造成推力環、主軸瓦和連桿大頭瓦損傷的嚴重后果，不能滿足壓縮機長期穩定運行的要求。

由式（1）可知，影響軸承軸向游隙的因素為內外圈溝槽曲率半徑、鋼球直徑和徑向游隙。內外圈溝槽曲率半徑和鋼球直徑由各軸承生產商自行設計，同品牌同型號的深溝球軸承在選型時，選擇徑向游隙小的軸承可減少徑向游隙，如上文所述的6244C3 軸承，由C3 組游隙改成標準游隙，軸向游隙降低至0.29 ～0.53mm，電動機軸承軸向游隙與壓縮機曲軸軸向位移相匹配，能夠滿足壓縮機長期穩定運行要求。三相異步電動機軸承由C3 組游隙改成標準游隙后，軸承裝配要求更高，且需重新試驗和核算徑向工作游隙。為確保三相異步電動機軸承選型符合往復式壓縮機安全穩定運行要求，往復式壓縮機生產廠家作為采購方，應在技術條件中明確允許的軸向竄量和軸向力，避免將問題傳導至用戶。三相異步電動機生產廠家可以要求軸承生產廠家對深溝球軸承進行優化設計，滿足徑向和軸向游隙要求。通過優化設計改進，軸承軸向游隙最大值可比原來減小了33.0%，最小值可比原來減小了33.3%。

電動機軸伸端采用一對角接觸球軸承背對背組合的形式可有效承載軸向力，降低軸向竄動量，但是角接觸球軸承相對深溝球軸承應用得較少。

4 結語

電動機軸向竄動引起的往復式壓縮機曲軸竄動會導致止推環、徑向軸承和連桿大頭瓦燒損等嚴重故障。機組在安裝時，復核和標定電動機磁力中心，可有效減少安裝原因導致的電機軸向竄動。往復式壓縮機在選擇驅動電動機時，通過軸承的合理選型，將電動機軸向竄量與壓縮機曲軸軸向位移相匹配，能夠有效控制電機軸向竄動對壓縮機的影響，滿足壓縮機長期穩定運行。