往復式壓縮機軸系扭振分析與現場測試

隋國亮 于淼 臧志賓

摘要：本文對一臺往復式壓縮機機組進行軸系扭振分析，并根據分析結果對軸系施加了頻率干預措施。為了驗證扭振分析結果與現場壓縮機運行情況的吻合性，專門邀請了國內專業的扭振分析測試團隊，對本文分析的壓縮機機組進行了現場扭振頻率驗收測試試驗。現場測試的結果顯示，分析計算得到的機組扭振共振轉速未偏離機組的實際扭振共振轉速（即扭振共振轉速測試值），說明理論分析的計算結果具體現場指導意義，可以盡早消除扭振潛在風險，為壓縮機長期安全運行提供了保證。

關鍵詞：往復壓縮機，共振轉速，扭振分析

1概述

在現有的往復式壓縮機運行使用過程中，盡管有更成熟的設計和分析工具，但是扭振相關的問題仍然是往復式壓縮機安裝與使用過程中一個反復出現的難題。大多數問題發生在由電機驅動的壓縮機機組上，常見問題包括曲軸故障、聯軸器故障、電機軸故障、電機轉子的焊接筋板故障、曲軸輔助驅動端故障和冷卻器風扇軸故障等。為解決這些問題，常用的措施是增加阻尼器，更改飛輪，改變壓縮機運行速度范圍，或提高零部件承受扭矩和應力的能力。

為某煉化公司生產制造的一臺氫氣壓縮機，為避免軸系存在扭振的風險，我公司在壓縮機設計階段，就對整個機組的軸系進行了扭振分析。根據軸系中各部位的轉動慣量、剛度、阻尼以及相位等參數建立軸系扭振分析的等效模型。機組的主要技術參數列于表1。

2扭振計算模型的建立與分析

在實際的往復式壓縮機的軸系中，扭轉振動的形態往往很復雜，尤其是那些質量比較集中的地方，往往又伴有扭轉變形，而作為連接軸的部分，本身又往往有相當的轉動慣量，也就是說軸系中每一小質量都是既有慣量又有彈性的振動體。這樣的數學模型，顯然是無法進行分析計算的。

本文按照振動特性不變的原則，將實際的軸系簡化成能進行數學計算的當量系統模型。借助專業的扭振分析軟件，建立了氫氣壓縮機機組的軸系當量軸系模型，如圖1。

從圖1可以看出，此當量軸系模型由21個具有轉動慣量的圓盤（每個圓盤代表一個集中質量塊）和20個具有彈性的扭轉彈簧所組成。

經過模態分析計算，得出軸系的前三階固有扭轉頻率值，見表2;軸系前三階扭轉固有頻率對應的振型圖，見圖2所示。根據軸系前三階固有頻率繪制了軸系的Campbell圖，見圖3所示，其中壓縮機的運行轉速帶用豎線表示。

根據API 618第五版6.7.2條要求，考慮整個壓縮機系統10倍頻及以下的共振情況。由圖3可以看出，在壓縮機運行轉速356.25 rpm～393.75 rpm（5%的運行轉速）范圍內，有1個共振點，對應的運行轉速為385.7 rpm。

為了防止機組在運行過程中因為共振問題產生疲勞破壞，決定對軸系的固有扭轉頻率進行干預，通過在壓縮機曲軸的中間連接段增加慣量盤來降低軸系的固有扭轉頻率。調整后軸系的固有扭轉頻率與原軸系對比如下，見表3。

根據調整后的軸系前三階固有頻率繪制了軸系新的Campbell圖，見圖4所示，其中壓縮機的運行轉速帶用豎線表示。

由圖4可以看出，在壓縮機運行轉速356.25 rpm～393.75 rpm（5%的運行轉速）范圍內，軸系避開了壓縮機所有階次的激振頻率。認為此機組的軸系可以安全可靠的運行。

3扭轉振動的現場測試

上述的扭振模型的建立和分析結果的生成，均是基于材料的理論參數得到，與現場運行機組零部件材料的實際參數可能存在偏差，我公司為了保證機組安全可靠的穩定運行，專門邀請了國內專業的扭振分析測試團隊，對本文分析的壓縮機組進行了現場扭振頻率驗收測試試驗。

本次測試為壓縮機穩定運行狀態下的動態扭矩測試，通過動態扭矩信息來反映軸系局部扭轉振動，從而綜合判斷整個軸系的扭轉振動情況。測試采用惠斯登電橋全橋測試方法，測試電路原理示意圖，如圖5所示。

測試專家人員根據機組的實際情況，選擇在壓縮機曲軸電機端位置安裝應變片進行測試，如圖6所示。

采用上述測試方法，測試人員在壓縮機啟機過程中選取相關信號對其進行計算分析，得到此壓縮機組的實際一階固有扭振頻率為40Hz，由此也可知壓縮機組沒有發生扭轉振動共振問題。

4結論

軸系扭振分析得出的理論扭轉固有頻率，和現場機組實際運行的頻率值得到高度的吻合，說明軸系扭振分析的計算結果具體現場指導意義，可以盡早消除扭振潛在風險，為壓縮機長期安全運行提供了保證。

參考文獻

[1] API STANDARD 618 FIFTH EDITION， DECEMBER 2007. Reciprocating Compressors for Petroleum， Chemical， and Gas Industry Services.

[2] 郁永章. 容積式壓縮機技術手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2000.

[3] 王祺. 內燃機軸系扭轉振動[M]. 大連理工大學出版社，1991.

[4] 顧煜炯. 汽輪發電機組扭振安全性分析與應用[M]. 北京：科學出版社，2013.