螺桿壓縮機(jī)故障維修中動力學(xué)特性分析

閔 濤

（遼陽石化分公司聚酯廠，遼寧遼陽 111000）

0 引言

螺桿壓縮機(jī)是一種通過陰陽轉(zhuǎn)子嚙合來完成氣體壓縮的設(shè)備，通過陰陽轉(zhuǎn)子在裝置內(nèi)部按照一定的傳動比例進(jìn)行兩個相反方向的轉(zhuǎn)動，達(dá)到減小工作容積的效果，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對氣體的壓縮。憑借其結(jié)構(gòu)簡單和工作運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)勢，在聚酯生產(chǎn)以及機(jī)械設(shè)備加工等眾多領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用[1]。在螺桿壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，如何實(shí)現(xiàn)對其工作運(yùn)行效果影響因素的分析，是當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域研究人員重點(diǎn)關(guān)注的問題[2]。當(dāng)前，螺桿壓縮機(jī)常見的故障有軸承結(jié)構(gòu)故障、電機(jī)轉(zhuǎn)子條結(jié)構(gòu)故障、齒輪結(jié)構(gòu)故障等，這些問題會在很大程度上影響設(shè)備的運(yùn)行效果。因此，從動力學(xué)特性角度進(jìn)行分析和研究，以期為故障維修提出更符合需要的方案和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對象

為了對故障維修過程中動力學(xué)特性進(jìn)行分析，選擇某聚酯企業(yè)在用螺桿壓縮機(jī)作為實(shí)驗(yàn)研究對象。正常情況下該設(shè)備的運(yùn)行功率為200 kW，排氣量3168 m3/h，出口壓力0.24 MPa。在運(yùn)行過程中，螺桿壓縮機(jī)可以合理分配壓力，并降低每次壓縮的壓縮比，從而避免內(nèi)部泄漏問題，進(jìn)而提升壓縮機(jī)容積效率，同時也能降低壓縮機(jī)軸承的負(fù)荷[3]。當(dāng)前螺桿壓縮機(jī)的運(yùn)行性能得到明顯提升，使用壽命已經(jīng)超過10 000 h，其人性化的結(jié)構(gòu)設(shè)計使得操作更加簡單，并且更易于故障維修。為實(shí)現(xiàn)對其故障維修過程中的動力學(xué)特性分析，本文分別從螺桿壓縮機(jī)齒輪故障角度和螺桿故障角度對其動力學(xué)特性進(jìn)行分析[4]。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

為實(shí)現(xiàn)對螺桿壓縮機(jī)故障維修的動力學(xué)特性分析，選擇對兩種故障情況下的故障頻譜進(jìn)行記錄，并結(jié)合其數(shù)值的變化情況進(jìn)行具體分析。在這一過程中，需要利用振動傳感器實(shí)現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的獲取和轉(zhuǎn)換[5]。

（1）選擇MMA7660FCR1 型號振動傳感器作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其傳輸類型為I2C，運(yùn)行溫度-45～75 ℃，電壓為2.4～3.6 V，靈敏度為21.33。其安裝在螺桿壓縮機(jī)上，實(shí)驗(yàn)過程中采集振動數(shù)據(jù)。

（2）需要引入CL-YD302 型號電壓式力傳感器，提取螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行力學(xué)參數(shù)。該傳感器的靈敏度為4 pC/N，測量范圍為100～500 N（線性度和重復(fù)度均不大于1%），絕緣電阻為1×103Ω，諧振頻率為45 kHz，工作溫度-155～200 °C。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在螺桿壓縮機(jī)上安裝齒輪的主要目的是，實(shí)現(xiàn)動力傳輸并合理設(shè)置螺桿之間的間隙。壓縮機(jī)運(yùn)行過程中，齒輪的振動特性與傳動特性有著直接關(guān)聯(lián)。對這兩種動力學(xué)特性進(jìn)行分析時，相關(guān)數(shù)據(jù)會受到加工工藝、配合、材料等因素的影響，因此在運(yùn)行過程中壓縮機(jī)的齒輪會出現(xiàn)磨損等故障。為此，將壓縮機(jī)齒輪的嚙合頻率f 作為重要參考指標(biāo)。

其中，f、n 和z 分別為齒輪的嚙合頻率、轉(zhuǎn)動速度、齒數(shù)。在故障狀態(tài)下齒輪的f 會發(fā)生改變，通過計算和記錄其在壓縮機(jī)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)及變化情況，可以對壓縮機(jī)螺桿故障維修過程中的動力學(xué)特性進(jìn)行分析。

通常情況下一臺螺桿壓縮機(jī)中有兩種類型的螺桿，一種為陽轉(zhuǎn)子、另一種為陰轉(zhuǎn)子，在兩種轉(zhuǎn)子相互配合下驅(qū)動壓縮機(jī)的運(yùn)行。在實(shí)際運(yùn)行中，壓縮機(jī)的軸承游隙常常會影響螺桿的狀態(tài)，導(dǎo)致陽轉(zhuǎn)子與陰轉(zhuǎn)子發(fā)生不良嚙合現(xiàn)象。這不僅會導(dǎo)致壓縮機(jī)在運(yùn)行時出現(xiàn)嚴(yán)重故障，影響其正常使用，還會影響設(shè)備使用壽命。因此，在對其動力學(xué)特性進(jìn)行分析時，需要結(jié)合數(shù)據(jù)的變化情況，分析螺桿故障維修過程中的動力學(xué)特性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法，分別針對螺桿壓縮機(jī)存在齒輪故障和螺桿故障的情況下嚙合不良頻譜進(jìn)行記錄。圖1 為螺桿壓縮機(jī)齒輪故障維修狀態(tài)下的頻譜圖。

從圖1 可以看出，在齒輪故障狀態(tài)下，螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)了3 個峰值超過2.0 mm/s的波峰，分別在156.23 Hz、725.58 Hz和1862.34 Hz。結(jié)合螺桿壓縮機(jī)運(yùn)行頻率記錄，并從頻譜當(dāng)中獲取到相關(guān)數(shù)據(jù)信息，將其繪制成表1。

圖1 齒輪故障狀態(tài)下的頻譜圖

從表1 可以看出，螺桿發(fā)生故障時，壓縮機(jī)陰陽轉(zhuǎn)子剛性體嚙合力和陰陽轉(zhuǎn)子柔性體嚙合力的變化均符合一定規(guī)律，且剛性體嚙合力變化幅度更大、柔性體嚙合力變化幅度更小。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

完成上述實(shí)驗(yàn)后，得出在齒輪故障維修狀態(tài)下和螺桿故障維修狀態(tài)下螺桿壓縮機(jī)動力學(xué)參數(shù)，結(jié)合圖1 和表1 的數(shù)據(jù)，對螺桿壓縮機(jī)的故障維修中動力學(xué)特性進(jìn)行分析。從圖1 可知，出現(xiàn)齒輪故障時相應(yīng)頻譜出現(xiàn)了不良情況。已知運(yùn)行過程中螺桿壓縮機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為2950 r/min，齒輪的齒數(shù)為25，則結(jié)合公式能夠計算得出齒輪嚙合的頻率。將計算結(jié)果與圖1 中各個峰值出現(xiàn)時的頻率進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)各個嚙合頻率幅值稍高，且有明顯的諧波現(xiàn)象。

表1 螺桿故障維修中螺桿壓縮機(jī)動力學(xué)參數(shù)記錄

此外，還對螺桿故障維修狀態(tài)下的壓縮機(jī)動力學(xué)特性進(jìn)行了分析。表1 中，陰陽轉(zhuǎn)子剛性體嚙合力最低值為2453.21 N，最高值為11 253.26 N，而陰陽轉(zhuǎn)子柔性體嚙合力的最低值為3165.25 N，最高值為7583.23 N。結(jié)合數(shù)據(jù)變化可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)生螺桿故障時壓縮機(jī)陽轉(zhuǎn)子的質(zhì)心位置出現(xiàn)了偏移，且偏移量呈現(xiàn)出先增加后減小的特點(diǎn)，但陰轉(zhuǎn)子質(zhì)心始終在固定范圍內(nèi)隨機(jī)波動。螺桿壓縮機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，獲取螺桿轉(zhuǎn)速是實(shí)現(xiàn)對其嚙合頻率計算的關(guān)鍵。由于當(dāng)前螺桿壓縮機(jī)類型眾多，不同類型壓縮機(jī)的陽轉(zhuǎn)子驅(qū)動方式也不同，有的由電機(jī)直接驅(qū)動，有的依靠增速齒輪帶動。因此，為確保故障診斷結(jié)果，在確定故障原因時還應(yīng)結(jié)合壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)對其嚙合頻率進(jìn)行分析。

4 結(jié)束語

通過對故障維修狀態(tài)下螺桿壓縮機(jī)的動力學(xué)特征進(jìn)行分析，得出各種故障的頻率特征，綜合對比后發(fā)現(xiàn)，齒輪出現(xiàn)故障時，會出現(xiàn)齒輪嚙合頻率及諧波異常問題，并且主要體現(xiàn)在高頻區(qū)域中；螺桿出現(xiàn)故障時，螺桿嚙合頻率及諧波也會出現(xiàn)異常現(xiàn)象，并且異常數(shù)值通常為螺桿工頻的整數(shù)倍。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論不僅能為螺桿壓縮機(jī)故障維修提供更有利參考，還能結(jié)合動力學(xué)頻譜特征的變化情況，準(zhǔn)確判斷故障的位置及類型。

另外，螺桿壓縮機(jī)的常見故障還有軸承故障、轉(zhuǎn)子條故障等，由于篇幅有限，未對這兩種故障的動力學(xué)特性進(jìn)行研究。在后續(xù)研究中，應(yīng)針對這兩種故障類型下螺桿壓縮機(jī)的動力學(xué)特性進(jìn)行深入探究，以促進(jìn)螺桿壓縮機(jī)適應(yīng)性的提升。