制氧羅茨風機振動故障處理實踐

摘 要：羅茨風機屬于容積式回轉風機，真空變壓吸附制氧裝置（VPSA-O2）普遍使用羅茨鼓風機和羅茨真空泵作為產氧過程氣體輸送的動力設備。實際生產中，羅茨風機在壓力頻繁突變的惡劣工況下運行，因而頻繁發生振動超標的故障，引發制氧裝置全面停車，對生產穩定造成嚴重影響。鑒于此，對制氧裝置羅茨風機振動故障發生的原因進行查找分析，對維修技術改進進行摸索，從而有效減少振動故障的發生，保障生產長期穩定進行。

關鍵詞：制氧裝置；羅茨風機；振動故障；維修改進

中圖分類號：TH444" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）05-0069-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.05.018

0" " 引言

羅茨風機因其對生產工藝適應性強的優點，成為真空變壓吸附制氧裝置中使用最廣泛的機械設備。產氧過程中，羅茨鼓風機和羅茨真空泵分別起到正壓輸送原料空氣和真空解吸抽除廢氣的作用，需在空載壓力到滿載壓力的狀態下交替循環運行，極不穩定的負荷導致沖擊大，羅茨風機頻繁發生振動超標引發聯鎖停機的故障，對制氧裝置作業率和下游工序生產組織影響嚴重。因此，只有查找羅茨風機振動故障根源，實施有效的措施加以改進，從而減少故障的發生，方能保障制氧裝置的長期穩定運行。

1" " 真空變壓吸附制氧裝置（VPSA-O2）工藝原理

VPSA制氧是利用變壓吸附法，以空氣為原料制取氧氣的一種新型常溫氣體分離技術。該法是基于分子篩對空氣中的氧、氮組分進行選擇性吸附而使空氣分離獲得氧氣，通常稱為真空變壓吸附制氧法。當空氣經過壓縮、通過裝有分子篩的吸附塔時，氮氣分子優先被吸附，氧分子留在氣相中，得到氧氣。吸附達到平衡時，利用減壓或抽真空將分子篩表面所吸附的氮分子驅除，恢復分子篩的吸附能力[1]。為了連續提供氧氣，裝置通常設置兩個或兩個以上的吸附塔，一個塔吸附產氧，另一個塔解吸。真空變壓吸附制氧原理如圖1所示。

我司擁有兩套真空變壓吸附制氧裝置，均采用五塔流程，型號為ZO-7500/80，由國內同一公司設計建造，為艾薩爐、轉爐、陽極爐提供冶煉用氧氣。裝置由羅茨鼓風機、羅茨真空泵、吸附器、儀表控制、電氣控制、切換閥門、儀表空氣等7個部分和自控系統組成[2]。變壓吸附法產氧過程分為吸附、解吸、順向放壓、逆向放壓、均壓5個階段，每個塔不斷循環交替，吸附階段由羅茨鼓風機完成正壓空氣輸送，解吸階段由羅茨真空泵完成廢氣的負壓抽送，由于產氧的5個階段塔內所需壓力不同，羅茨鼓風機和羅茨真空泵工作壓力通過16個氣動閥門自動切換來控制。羅茨鼓風機壓力在0～49 kPa區間重復波動，羅茨真空泵壓力在-55～0 kPa區間重復波動，波動周期均為1 min[3]。

2" " 羅茨風機振動故障情況

羅茨風機系屬容積回轉式風機，屬于旋轉式機械。我司兩套VPSA制氧變壓吸附裝置分別配置2臺大型羅茨鼓風機和2臺大型羅茨真空泵，總數共計8臺，是制氧生產最主要的動力設備。羅茨鼓風機和羅茨真空泵技術參數如表1所示。

兩套變壓吸附制氧裝置前后間隔兩年時間建成，投用后工藝指標均能達到技術要求。8臺羅茨風機在交變載荷下運行，其振動值并不是一個穩定值，一般在4～9.5 mm/s波動，只要其最高值和最低值相對穩定即視為正常。但在運行7 200 h后，羅茨鼓風機和羅茨真空泵相繼出現振動值超標的故障，這遠低于JB/T 8941.1—2014《一般用途羅茨鼓風機 第1部分：技術條件》[3]中要求的第一次大修前安全運行時間不少于15 000 h的標準。經檢查，發現以下兩種情況：

第一，風機突發振動聯鎖跳機。設備在運行振動、溫度、壓力等均較平穩的狀態下，突然毫無征兆瞬間超過20 mm/s的振動聯鎖而跳機，人工無法盤動轉子，從進氣口檢查兩葉輪在某個角度咬死并有碰撞的痕跡。

第二，風機振動值持續升高。設備在運行中溫度、壓力等均較平穩的狀態下，振動值呈小幅持續上升態勢，直至觸發報警值，停機后能夠正常盤車，從進氣口檢查兩葉輪各間隙，除在45°時間隙偏小外，其他位置間隙均符合技術要求。

在拆解風機后發現，第一種故障情況為同步齒輪輪轂發生松動，主、從動齒輪發生錯位使兩葉輪相對嚙合位置改變而導致相撞；第二種情況為襯套與軸頸出現松動，襯套內孔磨損后晃動沖擊不斷加重導致振動值持續升高。按設備使用說明書中的相關技術要求，前述故障需要對風機進行完全解體，在確認軸承沒有損壞的前提下一般通過更換密襯套和調整主、從動齒輪相對位置并重新鉸孔定位的方法處理。修理后，風機在試機和初期運行均正常，超過6個月后又會不定時發生相同故障，需要5～8天的維修時間，以至于設備處于反復不停的修理當中。故障處理期間只能被迫采取運行半套裝置的方式降負荷生產，對產氧經濟指標和下游生產組織造成嚴重影響，同時在高噪聲環境下進行設備搶修作業，對維修人員身心健康也造成了一定影響。

3" " 羅茨風機振動故障維修改進

根據ARMH型羅茨風機結構，其裝配順序為葉輪穿入機殼→前后墻板安裝→漲圈及襯套安裝→軸承座安裝→軸承安裝→同步齒輪安裝→兩葉輪間隙調整→同步齒輪定位→甩油盤及潤滑油管安裝→主、副油箱安裝→潤滑油泵安裝→油冷卻器安裝→聯軸器安裝。在風機使用技術說明中，僅對葉輪與機殼間隙、葉輪與墻板間隙、兩葉輪“嚙合”間隙作出明確的數值要求，而其他裝配環節只用文字進行了一般性說明，沒有具體指標[4]。在多次對風機振動故障的處理中，分析過程中的現象，以采取措施改進裝配質量。

3.1" " 漲圈式軸封襯套松動

1）軸封襯套內孔與軸頸松動。襯套安裝于葉輪主軸的最里處，內端面與葉輪端面緊密貼合，在其外圓加工有4個槽用于安裝高彈性的漲圈，風機運行時葉輪主軸帶動襯套同步旋轉，漲圈則不隨襯套轉動，在張力作用下緊貼于墻板孔內壁，從而達到防止氣體外泄的作用，其結構如圖2所示。襯套前端內孔銑制有一個？準14的徑向槽，在與之配合的葉輪主軸相對應位置鉆孔并安裝一顆？準8的圓形銷，其作用是使葉輪主軸的旋轉力帶動密封襯套同步轉動。在安裝時需要將漲圈隨密封襯套同時裝入主軸和墻板內，為減小裝配難度，密封襯套內孔與軸頸設計為間隙配合，兩者之間有0.10～0.12 mm間隙，密封襯套徑向槽與定位銷有6 mm間隙，在此種配合條件下，密封襯套在交變強沖擊載荷下運行一段時間后很容易出現晃動，并敲擊定位銷使其松動，對此，需要圍繞減小配合間隙進行改進。

2）軸封襯套軸向松動。襯套在安裝時內端面緊貼葉輪端面，在軸承裝入后靠鎖緊螺帽將壓緊力傳遞到襯套端面，達到軸向固定的作用。如果在裝配時襯套與葉輪、軸承端面與襯套貼合不嚴密，會造成軸向壓緊力的假象，在長時間沖擊振動力的作用下產生軸向間隙而導致襯套松動。因此，在安裝襯套前必須把襯套兩個端面和與之接觸的葉輪端面的毛刺及高點徹底清除，保證接觸面大于75%；軸承經加熱裝入主軸和軸承座過程中，應對稱均勻用力敲擊，通過聲響辨別推入到位后，立即旋入鎖緊螺母并擰緊，使襯套、軸承與葉輪端面有足夠的軸向壓緊力，彌補軸承冷卻后的收縮量。因襯套安裝時涂抹了密封膠，從襯套安裝到軸承鎖緊，整個裝配過程應在2 h內完成，以免時間過長密封膠固化產生卡阻導致裝配失敗。

3.2" " 兩葉輪撞擊

1）輪轂與軸頸配合接觸差。拆卸同步齒輪輪轂后，軸頸表面有局部黑塊及細微斑點，與之配合的內孔表面對應位置也有相同情況，這說明運行中輪轂出現了偏擺與軸頸產生拍擊，引起兩葉輪嚙合位置發生改變而撞擊，此種情況僅靠調整兩同步齒輪相對位置無法徹底解決故障。輪轂與軸頸為1：20的圓錐帶平鍵的設計，圓錐配合與圓柱配合相比最大的優點是可自動定心、配合自鎖性好，裝配體能獲得較高精度的同軸度，但在實際制造中需要精確的錐度及良好的接觸面積來保證。經使用紅丹粉對合接觸檢查，接觸面由小端向大端逐漸減少，據此可以得出，輪轂內孔錐度大于主軸錐度，輪轂安裝后在大端配合面存在間隙。從輪轂與主軸配合的結構設計分析，兩者錐面配合主要起到保證同步齒輪與葉輪主軸的同軸度作用，同時分擔一部分旋轉力，主要的旋轉力靠平鍵來傳遞，將錐面配合的位置控制在兩端可保定位的牢固，避免輪轂在沖擊下發生瓢偏擺動。通過參考類似結構高速離心鼓風機設計，對輪轂的內錐孔進行改造，在通體內錐面長度中間車制一段長度80 mm的槽，將錐面打斷去除中間無效區域，使兩者接觸面分布在兩端，結合現場少量的銼配，可以使接觸面達到75%以上。加工后的輪轂如圖3所示。

2）輪轂與軸圓錐配合過盈不夠。圓錐配合的配合特征是通過相互結合的內、外圓錐規定的軸向位置來形成間隙或過盈[5-6]。加大兩者裝配過盈量可提高圓錐旋轉傳動力，減小平鍵的傳動負荷，從而平衡傳動受力。加大裝配過盈量可采用對輪轂加熱的方式來實現，同時也要考慮裝配過緊對后期維修拆卸難度的影響；輪轂安裝至軸上后靠鎖緊螺帽進行軸向緊固，在用手將輪轂推入軸后，其前端面伸出軸臺階的長度為3.5 mm，進行熱裝會減小端面伸出軸臺的長度，因此，輪轂增加的推進量在3 mm更為合適。

4" " 結束語

從制氧羅茨風機投用后頻繁發生振動聯鎖跳機故障起，經歷2年多時間對故障點的持續查找、分析和維修裝配方法的不斷改進，最終無故障運行時間達到45 000 h以上，比JB/T 8941.1—2014《一般用途羅茨鼓風機 第1部分：技術條件》中要求的第一次大修前安全運行時間標準提高了2倍，檢修原因轉變為以漲圈和軸承部件的使用壽命為主，有利于設備大修的策劃。從根源上增強了羅茨風機對變壓吸附制氧裝置特殊工況的適應性，有效促進了作業率和經濟指標的提升。

[參考文獻]

[1] 續魁昌.風機手冊[M].北京：機械工業出版社，1999.

[2] 蔡紅梅，張光利.羅茨鼓風機噪聲的測量與分析[J].內蒙古科技與經濟，2006（1）：84-86.

[3] 一般用途羅茨鼓風機 第1部分：技術條件：JB/T 8941.1—2014[S].

[4] 大型旋轉機械振動烈度現場測量與評定：GB 11347—1989[S].

[5] 吳尚斌.公差配合實用技術手冊[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，1990.

[6] 機械設備安裝工程施工及驗收通用規范：GB 50231—2009[S].

收稿日期：2024-12-03

作者簡介：夏俊（1977—），男，四川自貢人，助理工程師，研究方向：冶煉機械設備運行管理。

通信作者：孔維紀（1995—），男，云南宣威人，工程師，研究方向：設備管理、機械工業。