基于振動信號螺桿壓縮機(jī)故障診斷仿真分析

李改軍（新疆圣雄氯堿有限公司，新疆 吐魯番 838100）

基于振動信號螺桿壓縮機(jī)故障診斷仿真分析

李改軍（新疆圣雄氯堿有限公司，新疆 吐魯番 838100）

螺桿壓縮機(jī)是目前能源化工行業(yè)較為常用的機(jī)械設(shè)備之一，該設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)是整個(gè)生產(chǎn)工藝流程安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。為了進(jìn)一步深入分析行螺桿壓縮機(jī)的故障情況，開展故障診斷分析研究，可以實(shí)時(shí)的對機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，有效的分析和預(yù)測故障出現(xiàn)的部位和故障的嚴(yán)重情況，及時(shí)的提出解決措施和方案，并對維護(hù)和該井提供指導(dǎo)，減少故障發(fā)生的概率和設(shè)備故障產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失，提高設(shè)備運(yùn)行的效率。

振動信號；螺桿壓縮機(jī)；故障分析；仿真模擬

壓縮機(jī)設(shè)備在能源化工、發(fā)電等行業(yè)連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)中有著重要的作用，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，將極大的影響正常生產(chǎn)，甚至在一些突發(fā)事故中，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會產(chǎn)生人員傷亡等嚴(yán)重安全事故。例如1999年，阜新電廠200MW汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子斷軸事故，直接造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)三千多萬元[1]。其余例如裂解氣壓縮機(jī)、循環(huán)氣壓縮機(jī)、催化裂化裝置等設(shè)備，由于設(shè)備原因產(chǎn)生非故障停機(jī)停產(chǎn)，也將造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

機(jī)械設(shè)備故障診斷是基于設(shè)備運(yùn)行過程各類參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測，分析設(shè)備運(yùn)行過程機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的各項(xiàng)動態(tài)特征，了解設(shè)備運(yùn)行過程的功率等指標(biāo)情況，并對設(shè)備運(yùn)行的故障進(jìn)行及時(shí)的分析和預(yù)測，做到盡早發(fā)現(xiàn)問題并解決設(shè)備故障，防止事故的發(fā)生，維護(hù)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定[2]。隨著傳感技術(shù)、信號采集處理技術(shù)以及各類智能化的發(fā)展，更為精確的機(jī)械設(shè)備故障診斷分析方法得到良好的發(fā)展[3]。本文以筆者在實(shí)踐工作中的螺桿壓縮機(jī)的振動型號的模擬分析，來進(jìn)行深入研究，進(jìn)而前面的了解和掌握共振點(diǎn)和躲避共振點(diǎn)，從而對設(shè)備機(jī)組的良好運(yùn)行提供參考，并進(jìn)行針對性的優(yōu)化和改進(jìn)。

螺桿壓縮機(jī)的研究方面，早在1986年時(shí)，A.Fujiwara等人利用傅里葉變換進(jìn)行頻譜分析，開展相關(guān)的研究，主要分析了陰陽轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率和陰陽轉(zhuǎn)子的嚙合頻率[4]。以及近年來，Tae?hee Kin等人利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研發(fā)了故障診斷和狀態(tài)評定系統(tǒng)，能有效的對壓縮機(jī)的故障進(jìn)行診斷和判定[5]。本文主要是基于螺桿壓縮機(jī)的振動機(jī)理，對有限元轉(zhuǎn)子動力學(xué)模型進(jìn)行仿真研究，分析振動信號與不平衡故障響應(yīng)的關(guān)系。

1 螺桿壓縮機(jī)

螺桿壓縮機(jī)是一種按容積變化原理而工作的雙軸回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)。設(shè)備工作時(shí)，潤滑油噴入主機(jī)壓縮腔，使得單級壓比例可達(dá)到12以上，潤滑油良好的吸收了壓縮過程產(chǎn)生的熱量，同時(shí)也有效的起到了密封的作用。工作過程周期頻率為陰陽轉(zhuǎn)子的嚙合頻率。

2 振動機(jī)理建模

以175型噴油螺桿壓縮機(jī)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，進(jìn)行優(yōu)選也模型建立和仿真分析研究，研究過程利用UG軟件，建立三維的轉(zhuǎn)子模型，并利用ANSYS軟件進(jìn)行分析。對材料屬性的輸入和定義上，見表1。

表1 轉(zhuǎn)子和殼體的材料屬性表

3 振動故障仿真

3.1 陰陽轉(zhuǎn)子嚙合仿真

齒形誤差、氣流脈動、噴液過多等原因都會導(dǎo)致導(dǎo)致陰陽轉(zhuǎn)子嚙合不良。載荷系統(tǒng)響應(yīng)公式見式1，式中f為旋轉(zhuǎn)頻率，Hz。

為分析研究轉(zhuǎn)子嚙合的響應(yīng)與頻率的關(guān)系，分別取旋轉(zhuǎn)頻率：45Hz、90Hz、180Hz進(jìn)行模擬，仿真結(jié)果反應(yīng)出：（1）位移響應(yīng)幅值隨著輸入頻率的增大而降低，當(dāng)出現(xiàn)低頻響應(yīng)時(shí)，低頻信號雜亂，無法正常的反應(yīng)出轉(zhuǎn)子的荷載；（2）加速度響應(yīng)幅值隨著輸入頻率的增大而降低，頻率峰值為激勵(lì)頻率的2倍；（3）速度響應(yīng)幅值與加速度響應(yīng)幅值有著類似的關(guān)系，隨著輸入頻率的增大而降低。

3.2 轉(zhuǎn)子不平衡仿真

轉(zhuǎn)子不平衡的產(chǎn)生主要由設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不均勻，以及轉(zhuǎn)子材質(zhì)質(zhì)量平衡不均勻?qū)е隆＠檬?模擬轉(zhuǎn)子賺大過程荷載，分析響應(yīng)特征。

式中：m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，kg；

e為偏心距離，m；

me不平衡量，kg·m。

分別選取f為30Hz、60Hz、90Hz進(jìn)行模擬，仿真結(jié)果表明：

（1）支反力幅值隨頻率的增大而增大；（2）位移響應(yīng)幅值基本不隨輸入頻率的變化而變化；（3）速度響應(yīng)幅值基本不隨輸入頻率的變化而變化；（4）加速度響應(yīng)幅值隨輸入頻率的增大而增大。

通過模擬分析表明，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高，整個(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)值響應(yīng)都會有所提升，因此當(dāng)轉(zhuǎn)子提速時(shí)后，系統(tǒng)的不平衡引起的振動將更為增大。

4 結(jié)語

對螺桿壓縮機(jī)的仿真診斷分析研究表明，建立的仿真模型能較為有效的反應(yīng)真實(shí)的轉(zhuǎn)子嚙合和不平衡特征響應(yīng)，分析的結(jié)果與實(shí)際情況也較為一致。

在建立的仿真模型中，由于目前的模擬技術(shù)限制，無法良好的對轉(zhuǎn)動軸承的相關(guān)情況進(jìn)行深入的分析考慮。而轉(zhuǎn)子嚙合是一個(gè)較為復(fù)雜的故障情況，因此今后在相關(guān)的技術(shù)分析過程，還應(yīng)當(dāng)更為深入的開展相關(guān)的進(jìn)一步研究。

[1]李英男.螺桿壓縮機(jī)常見故障原因分析及處理[J].遼寧化工,2012,(03):250-251+253.

[2]岳平.ANSYS模態(tài)分析在螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算上的應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備技術(shù),2011,(03):56-58+7+6.

[3]范春艷.試論螺桿壓縮機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備,2010,(09):186-187.

[4]張鐵新.螺桿壓縮機(jī)振動故障的分析與處理[J].石油化工設(shè)備,2010,(S1):91-93.

[5]陳長征,趙慧,高一博,劉金.螺桿壓縮機(jī)振動噪聲的控制[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,(02):191-194+211.

[6]穆安樂,郗向儒,馬建輝,張西寧.螺桿壓縮機(jī)整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].壓縮機(jī)技術(shù),2003,(03):20-23.

李改軍（1983-），男，漢族，助理工程師，從事化工機(jī)械工作。