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转子动平衡对压缩机振动特性的影响

近些年来,工艺螺杆压缩机在石化行业应用中展现了很多优点:结构简单、机组无故障运行时间长、能保证装置长周期安全稳定运行、适应介质气夹带杂质、带液工况、不需要备机等特点。
螺杆压缩机是靠阴、阳转子的啮合运动形成密封腔室对气体实现压缩进行工作的,阴、阳转子均做定轴转动。如果它的转子处于理论上的动平衡状态,并且压缩机的安装过程中不存在误差,则螺杆压缩机几乎不存在振动的可能。但是,安装与加工方面的误差总是难以避免的,因此,在实际的工作过程中螺杆压缩机的振动总是存在的。但是,如果安装、加工的过程符合要求,螺杆压缩机的振动是比较容易控制的。
1.工艺螺杆压缩机在化工行业的应用
与活塞压缩机相比较,螺杆压缩机不需要维修频繁堵塞的气阀(往复机需要经常停车以更换气阀内件),机组维护的工作量很小;与离心机相比,无需进行喘振调节。由于这些优点,螺杆压缩机在越来越多的石油、化工、煤化工领域得到了应用。目前主要的应用行业如表1所示。
2.引起螺杆压缩机振动的原因
螺杆压缩机优点有很多,同时也有需要不断改进的地方,机体振动控制即是一方面。引起螺杆压缩机振动的原因主要来源于两个方面,一个是安装误差,一个是转子的加工误差。可能的安装误差主要是电动机输出轴与压缩机输入轴的不对中。这种不对中又可以分为平行不对中、角度不对中以及平行、角度均不对中。不对中既会引起压缩机轴的径向振动,也会引起压缩机轴的轴向振动。不对中对压缩机的振动影响是比较大的,并且对机器的危害也比较大,但是,正确的安装方法可以将电机输出轴与压缩机输入轴的不对中降低到小甚至消除。压缩机的加工误差主要是指转子的质量分布不均匀,使得压缩机在运转过程中转子产生一个不平衡力或者力偶。当转子的动平衡做得不够好的时候,这种不平衡力或者力偶就会引起压缩机较大的径向振动,也就是在水平平面内或者竖直平面内的振动。此外,螺杆压缩机采用斜齿同步齿轮也会引起压缩机转子轴线方向的振动。
3.螺杆压缩机振动强度与机型的关系
通过大量的螺杆压缩机振动测试试验数据可以看出,像510、630等比较大型的压缩机组在水平、竖直以及轴向三个平面内的振动强度一般在2~3mm/s以内,振动强度偏大的情况比较少。而255、321等小型机组的振动强度与之相比要大的多,振动强度可以达到4~6mm/s的机组所占的比例比较大。而且,有的机头振动测试试验过后返回车间进行检修,经过更换轴承、轴承座等之后重新测试,振动强度依然偏大,与检修之前相比几乎没有什么变化。这种情况下,可以排除安装误差对振动的影响,因此,造成压缩机振动强度偏大的原因很可能是转子动平衡做得不够引起的。特别是那些运行几年后因为现场振动偏大返厂检修的机器,有可能在工作过程中因为磨损、锈蚀等原因造成转子的动平衡状况发生变化,导致压缩机的振动偏大。
4.结论与展望
根据前面的分析以及大量的压缩机振动试验数据可知:
(1)压缩机的振幅与转子的不平衡量 成正比,所以,严格控制压缩机的不平衡量,是控制压缩机水平和竖直平面内振动的根本方法之一;
(2)电动机输出轴与压缩机输入轴良好的对中性是消除安装误差造成压缩机振动的根源;
(3)动不平衡引起的螺杆压缩机振幅可以近似地用m1e/m来表示,由此可知,转子的不平衡量m1e越小,压缩机组的总质量越大,压缩机的振幅越小。这也解释了在大量的振动测试试验中较小的压缩机组振动容易偏大而较大机组的振动相对较小的原因,由此可知,对于总质量较小的压缩机组,应该更注意控制转子的动平衡情况;
(4)对于由于振动强度偏大而返厂检修的压缩机组,在经过检修、更换易损件排除安装误差造成的压缩机振动以后,就考虑是否是压缩机转子在长期工作过程中动平衡品质发生了变化而引起其振动强度偏大。
石化行业中,压缩机的振动值大小一方面关系机组噪声等级高低,另一方面关系压缩机转子、轴封及轴承的寿命。因此准确地分析振动产生的原因及提出减小振动的合理措施,对降低噪声、改善现场作业环境及提高压缩机及辅助设备寿命有很大的意义。
压缩机是石化装置的动力单元,地位较高,若能从振动方面入手提高压缩机的无故障运行时间,便也能提高整个石化装置的生产时间,提高经济效益。此文在压缩机出厂试验数据及振动微分方程理论的基础上对压缩机的振动以及动平衡对其振动的影响作了概述,并使用了常规的力学模型进行了定性的分析。同时,压缩机振动强度与机型大小的具体关系还需要更充分以更多的试验数据的支持。
其次,压缩机振动是一门非常复杂的学问,精确的理论分析以及动平衡对压缩机振动影响的定量计算尚需进一步的深入研究。另外,在工作过程中压缩机是靠相互啮合的阴、阳两根转子的定轴转动形成密封腔室来完成对气体的压缩的,其实际的振动模型要比单自由度的质量、弹簧、阻尼系统复杂得多,精确的理论分析还需要建立更为准确的数学模型。


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