通過對(duì)苯酚丙酮車間PC-1A離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子頻繁出現(xiàn)振動(dòng)值超標(biāo)聯(lián)鎖停車故障進(jìn)行系統(tǒng)分析，根據(jù)振動(dòng)頻譜圖分析主要發(fā)生在工頻，轉(zhuǎn)子的平衡問題應(yīng)該是振動(dòng)的主要原因，并提出了合理的解決方法，改造后，壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)了長周期運(yùn)行，保證了機(jī)組正常開車運(yùn)行，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

　　前言

　　苯酚丙酮車間PC-1A離心壓縮機(jī)采用C3000MX3垂直剖分式離心壓縮機(jī)，是苯酚裝置的重要備與重點(diǎn)機(jī)組,其用是為氧化工段提供壓縮空氣，因此PC-1A壓縮機(jī)的正常運(yùn)行顯得至關(guān)重要。其性能參數(shù)見表1。

表1 PC-1A壓縮機(jī)機(jī)組主要參數(shù)

1、PC-1A 離心式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

　　PC-1A離心式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

　　C3000MX3 離心式空氣壓縮機(jī)，是一臺(tái)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，單級(jí)吸氣，單級(jí)排氣的三級(jí)壓縮的離心式空氣壓縮機(jī)。電機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)與壓縮機(jī)增速箱輸入軸相連，再通過齒輪增速箱大齒輪帶動(dòng)周邊3個(gè)小齒輪輸出軸，其中一級(jí)轉(zhuǎn)速：18 000r/min，二級(jí)轉(zhuǎn)速：25 000r/min，三級(jí)轉(zhuǎn)速：34 800r/min。三根軸的后端均為徑向止推軸承及五瓣瓦式自動(dòng)調(diào)心滑動(dòng)軸承，前端為五瓣瓦式自動(dòng)調(diào)心滑動(dòng)軸承。軸封為浮環(huán)式密封。同步電機(jī)功率為：2145kW，轉(zhuǎn)速為：1500r/min。

　　當(dāng)被壓縮的氣體通過安裝在機(jī)組上的進(jìn)氣裝置進(jìn)入壓縮機(jī)一級(jí)壓縮，葉輪給氣體加速，氣體進(jìn)入擴(kuò)壓器，并將部分速度能轉(zhuǎn)化為壓力能。機(jī)組的中間冷卻器將壓縮過程中產(chǎn)生的熱量帶走，從而提高壓縮效率。氣體在運(yùn)動(dòng)的低速區(qū)通過不銹鋼水氣分離器，除去其中冷凝水，當(dāng)氣體被強(qiáng)制通過不銹鋼分離器后，氣體所帶的水分降低了。這樣的過程不斷連續(xù)重復(fù)，直到壓縮機(jī)達(dá)到了所要求的工作壓力。

2、PC-1A 離心式壓縮機(jī)故障及原因分析

　　2.1、故障描述

　　2012年4月以來，機(jī)組總是因三級(jí)轉(zhuǎn)子振動(dòng)值超標(biāo)聯(lián)鎖停車，在進(jìn)行動(dòng)平衡和清灰除垢處理后，運(yùn)行周期最長6個(gè)月，最短1個(gè)月。2013年8月15日，對(duì)機(jī)組進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)如下情況：

　　(1)機(jī)組第一級(jí)轉(zhuǎn)子與擴(kuò)壓器均有劃痕，且機(jī)組的第一、二、三級(jí)葉輪積碳嚴(yán)重，須表面清洗，如圖2所示。

圖2 機(jī)組的第1、2、3 級(jí)擴(kuò)壓器積炭圖

　　(2)轉(zhuǎn)子在拆卸過程中，第三級(jí)葉輪螺栓由于原始安裝時(shí)造成的螺紋損傷，以至解體后發(fā)現(xiàn)第三級(jí)轉(zhuǎn)子軸中的內(nèi)螺紋和葉輪固定螺栓螺紋頭部均呈現(xiàn)咬合損傷。

　　(3)第三級(jí)轉(zhuǎn)子后部止推軸瓦有明顯的磨損痕跡，如圖3所示。

圖3 機(jī)組的第3 級(jí)轉(zhuǎn)子軸與葉輪及止推軸承

　　2.2、故障分析

　　通過對(duì)一、二、三級(jí)轉(zhuǎn)子頻譜采集，確認(rèn)是第三級(jí)振動(dòng)引發(fā)連鎖停車，第三級(jí)頻譜圖如4所示。

圖4 第三級(jí)轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻譜趨勢(shì)圖

　　經(jīng)過對(duì)試車時(shí)采集的第三級(jí)轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻譜分析，顯示最大峰值在一倍頻，從而確定為第三級(jí)轉(zhuǎn)子振動(dòng)值超標(biāo)。從圖4的頻譜圖可以看出其振動(dòng)主要發(fā)生在工頻，575×60=34 500。

　　1)振動(dòng)連鎖停車的原因分析與主要原因確定

　　(1)機(jī)組軸對(duì)中不良，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)超標(biāo)。頻譜顯示僅僅第三級(jí)振動(dòng)異常，且二倍頻幅值不高，可排除機(jī)組找正的原因。

　　(2)第三級(jí)轉(zhuǎn)子止推瓦磨損,導(dǎo)致振動(dòng)超標(biāo)。解體檢查的軸承磨損并不嚴(yán)重(深度<1μm)，可排除軸承故障。

　　(3)轉(zhuǎn)子彎曲導(dǎo)致動(dòng)不平衡。用千分表測(cè)量轉(zhuǎn)子彎曲度，轉(zhuǎn)子沒有發(fā)現(xiàn)彎曲，可以排除。

　　(4)由轉(zhuǎn)子裝配質(zhì)量原因引起振動(dòng)異常。做完動(dòng)平衡的第三級(jí)轉(zhuǎn)子是葉輪、軸、推力盤組裝在一起的，每個(gè)零件相對(duì)位置都打上記號(hào)。由于該機(jī)組為垂直剖分，轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)回裝須解體，并要嚴(yán)格按照原記號(hào)安裝，否則會(huì)破壞轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡，而且此振動(dòng)在運(yùn)行之初便會(huì)產(chǎn)生，所以可以排除。

　　(5)軸與葉輪配合失效導(dǎo)致動(dòng)不平衡。葉輪與主軸裝配時(shí)，是三段圓弧孔并帶有一定的錐度配合，然后依靠葉輪鎖緊螺栓壓緊葉輪，從而提供一定的壓應(yīng)力。在壓應(yīng)力作用下，整套轉(zhuǎn)子在運(yùn)行時(shí)會(huì)處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)。葉輪與主軸的裝配精度檢查的結(jié)果發(fā)現(xiàn)組裝件中，轉(zhuǎn)子軸磨損，螺紋損傷，接觸面積僅有20%左右，而轉(zhuǎn)子軸與葉輪接觸面積應(yīng)大于80%。所以，葉輪與主軸配合接觸面積小，葉輪與主軸的配合在高速旋轉(zhuǎn)下，產(chǎn)生了不穩(wěn)定狀態(tài)，形成高速動(dòng)平衡失效，屬于典型的轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡，是引起機(jī)組振動(dòng)的主要原因。

　　2)高速動(dòng)不平衡形成的原因分析

　　(1)靜態(tài)模型。靜態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與葉輪的受力情況，如圖5。轉(zhuǎn)子處于靜態(tài)時(shí)，從圖5中可以看出，葉輪依靠鎖緊螺栓與轉(zhuǎn)動(dòng)軸聯(lián)接在一起，此時(shí)依靠螺栓的預(yù)緊力Fz克服因過盈而產(chǎn)生的壓應(yīng)力，將葉輪與轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接在一起。軸內(nèi)孔受正壓力FJ2產(chǎn)生彈性變形，螺栓產(chǎn)生的軸向力與壓應(yīng)力FJ1的軸向分力保持平衡，因螺栓軸向力而產(chǎn)生的垂直于內(nèi)孔錐面的壓應(yīng)力造成葉輪三角圓弧錐體段的彈性變形。這時(shí)葉輪與主軸的配合為過盈配合，其裝配模型如圖6所示。

圖5 靜態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與葉輪的受力情況示意圖

圖6 靜態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與葉輪的過盈量示意圖

　　(2)動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)模型。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于動(dòng)平衡轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子周向產(chǎn)生一定的離心力FL2，在離心力的作用下，軸內(nèi)孔在徑向產(chǎn)生一定的變形量，其變形趨勢(shì)如圖7所示。葉輪受力(僅分析與軸配合的部分)在離心力FL1的作用下，葉輪在徑向產(chǎn)生一定的變形量，其變形趨勢(shì)如圖8所示。葉輪三角圓弧錐體段與轉(zhuǎn)動(dòng)軸內(nèi)孔同時(shí)受離心力的作用，對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)軸的內(nèi)孔而言，其變形量在軸向上。對(duì)葉輪而言，由于葉輪三段圓弧錐體段靠近葉輪一側(cè)受到比較大的離心力，因此葉輪三段圓弧錐體段的變形量不是均布的。動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)由于轉(zhuǎn)速為2400r/min，離心力不足以克服壓應(yīng)力所造成的過盈，因此葉輪與轉(zhuǎn)動(dòng)軸的配合依然存在一定的過盈量，但是過盈量已經(jīng)沒有靜態(tài)時(shí)的過盈量大，動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)葉輪與轉(zhuǎn)動(dòng)軸的裝配模型如圖9所示。

圖7 動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸內(nèi)孔變形趨勢(shì)示意圖

圖8 動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)葉輪變形趨勢(shì)示意圖

圖9 動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)葉輪與轉(zhuǎn)動(dòng)軸的過盈量示意圖

　　此時(shí)在動(dòng)平衡試驗(yàn)轉(zhuǎn)速下，該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)仍然保持穩(wěn)定，動(dòng)平衡試驗(yàn)結(jié)果為合格。

　　(3)試機(jī)時(shí)模型。當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，離心力帶來葉輪、轉(zhuǎn)子軸的變形大于這一壓緊力所能提供的過盈量，從而導(dǎo)致了軸和葉輪裝配部位出現(xiàn)部分不接觸，接觸面積偏少，葉輪發(fā)生偏擺，直接體現(xiàn)動(dòng)平衡失效，振動(dòng)值超標(biāo)機(jī)組停車。如圖10所示。

圖10 試機(jī)時(shí)軸和葉輪配合示意圖

3、故障處理措施與效果

　　(1)對(duì)損壞的第三級(jí)轉(zhuǎn)子軸進(jìn)行修復(fù)，通過使用絲錐對(duì)轉(zhuǎn)子軸損壞螺紋進(jìn)行修復(fù)；

　　(2)對(duì)葉輪進(jìn)行噴砂處理，清除葉輪表面積碳，提高配合精度；

　　(3)對(duì)第三級(jí)轉(zhuǎn)子軸與葉輪修復(fù)后，進(jìn)行動(dòng)平衡校驗(yàn)，后回裝開機(jī)，對(duì)第三級(jí)轉(zhuǎn)子進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，頻譜圖如圖11所示；

圖11 第三級(jí)轉(zhuǎn)子正常狀態(tài)振動(dòng)頻譜圖

　　(4)通過頻譜圖可看出，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均符合該機(jī)運(yùn)行正常范圍，到現(xiàn)在設(shè)備已運(yùn)行了12個(gè)月的時(shí)間，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好。

4、結(jié)束語

　　動(dòng)平衡對(duì)高速轉(zhuǎn)子來說起著至關(guān)重要的作用，是壓縮機(jī)組能否安全運(yùn)行的關(guān)鍵。通過對(duì)苯酚丙酮車間PC-1A空氣壓機(jī)轉(zhuǎn)子頻繁出現(xiàn)動(dòng)值超標(biāo)聯(lián)鎖停機(jī)故障進(jìn)行系統(tǒng)分析，并在綜合分析故障產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)之上采取有效的處理措施，改造后，壓縮機(jī)組實(shí)現(xiàn)了長周期運(yùn)行，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。