軸系扭轉(zhuǎn)共振嚴(yán)重危害大型往復(fù)式壓縮機(jī)使用壽命。本文討論了多列長軸系往復(fù)式壓縮機(jī)扭振特性的典型數(shù)值分析方法，重點(diǎn)闡述了基于集中質(zhì)量模型下的無阻尼自由振動(dòng)特性和強(qiáng)迫振動(dòng)下扭振響應(yīng)分析方法，針對(duì)性的提出了避免和減緩扭轉(zhuǎn)共振的有效措施，為大型機(jī)組軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析提供了良好的借鑒。

1、前言

　　曲軸作為往復(fù)式壓縮機(jī)的核心部件，在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過程中承受周期性交變載荷，表現(xiàn)出彎曲、扭轉(zhuǎn)及彎扭耦合等多種振動(dòng)形式，研究表明，在往復(fù)式壓縮機(jī)各種振動(dòng)形式中，彎曲固頻通常遠(yuǎn)高于激頻，一般不會(huì)發(fā)生彎曲共振，只有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)可能會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象。一般情況下，在列數(shù)等于或少于4 列時(shí)，軸系固有頻率遠(yuǎn)高于激勵(lì)頻率，當(dāng)軸系固有頻率高于10 倍軸速度情況下，軸系發(fā)生扭轉(zhuǎn)共振的可能性很低，彎曲振動(dòng)為軸系振動(dòng)主要表現(xiàn)形式，傳統(tǒng)靜力學(xué)分析即可滿足設(shè)計(jì)需求。但對(duì)于4 列高轉(zhuǎn)速、或6 列及以上長軸系大型往復(fù)式壓縮機(jī)組，軸系固有頻率趨近低倍激頻，扭轉(zhuǎn)共振風(fēng)險(xiǎn)增大。軸系扭振特性直接影響機(jī)組曲軸、主軸瓦、連桿瓦、電機(jī)軸等零部件使用壽命，近年來，由軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)導(dǎo)致的可靠性和安全性事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)用戶造成重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成人員傷亡。美國石油化工學(xué)會(huì)API618 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，供應(yīng)方應(yīng)對(duì)用于石油、化學(xué)和天然氣工業(yè)的往復(fù)式壓縮機(jī)整個(gè)驅(qū)動(dòng)系進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析(皮帶驅(qū)動(dòng)機(jī)組除外) 。

　　軸系扭振分析中常見動(dòng)力學(xué)分析方法主要有基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的Holzer 法、集中質(zhì)量法、傳遞矩陣法、有限元法，基于彈性波傳播理論的彈性波傳播法，基于復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)法、虛擬樣機(jī)技術(shù)。國外往復(fù)式壓縮機(jī)技術(shù)理論發(fā)展較成熟，往復(fù)式壓縮機(jī)軸系扭振特性分析主要采用集中質(zhì)量法和傳遞矩陣法，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)試吻合度較高，具有便捷高效的特點(diǎn)。國內(nèi)壓縮機(jī)軸系動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)發(fā)展緩慢，成熟的工程應(yīng)用案例較少，近年來，隨著往復(fù)壓縮機(jī)大型化、多列化發(fā)展趨勢(shì)、機(jī)組降噪減振需求和軸系斷軸問題的頻發(fā)，軸系扭振問題凸顯，逐漸有學(xué)者開始意識(shí)到軸系動(dòng)力學(xué)研究的重要意義，如文獻(xiàn)中作者采用進(jìn)口大型轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析軟件分析了高轉(zhuǎn)速直軸系壓縮機(jī)扭振特性判別敏感性問題，文獻(xiàn)中作者通過有限元分析法找到了某6列往復(fù)式壓縮機(jī)連桿瓦連續(xù)燒瓦的扭振影響。

　　本文依托典型多列往復(fù)式壓縮機(jī)實(shí)際案例，建立集中質(zhì)量模型，采用瑞利能量法和振型疊加分別獲取軸系無阻尼自由振動(dòng)特性和軸系在強(qiáng)迫振動(dòng)下的扭振響應(yīng)，找到機(jī)組故障根源為軸系扭轉(zhuǎn)共振，提出具有實(shí)效的針對(duì)性減振措施。該方法便捷高效，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，對(duì)石油、化工等行業(yè)用大型往復(fù)式壓縮機(jī)組軸系扭振分析具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

2、多列往復(fù)式軸系扭振特性數(shù)值分析

2.1、案例介紹

　　某6 列對(duì)稱平衡型往復(fù)式壓縮機(jī)軸功率1850kW，由增安型無刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速333r /min，采用剛性聯(lián)軸器直聯(lián)。設(shè)備投入運(yùn)行數(shù)月即連續(xù)多次發(fā)生斷軸故障，機(jī)組結(jié)構(gòu)與斷裂位置見圖1 所示。

圖1 某6 列機(jī)組結(jié)構(gòu)及斷裂位置示意

　　斷裂處位于飛輪與電機(jī)轉(zhuǎn)子之間的電機(jī)軸上，斷口與軸心線呈近45°夾角，端面有明顯疲勞輝紋，具備典型扭轉(zhuǎn)疲勞特征，圖2 為斷裂部位外觀圖。

圖2 斷裂部位外觀圖

　　機(jī)組常規(guī)靜力學(xué)分析符合設(shè)計(jì)要求，但設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)未對(duì)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性進(jìn)行系統(tǒng)分析，依據(jù)故障特征引導(dǎo)，本文以下通過對(duì)機(jī)組全軸系扭振特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，以期獲取故障機(jī)理，找到最佳解決方案。

2.2、軸系扭振特性數(shù)值分析

2.2.1、扭振判別

　　石油化工工藝流程用往復(fù)式壓縮機(jī)常用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范主要有ISO13707、API618 和GB /T20322，均有明確規(guī)定，驅(qū)動(dòng)機(jī)—壓縮機(jī)系統(tǒng)( 包括聯(lián)軸器和一切傳動(dòng)機(jī)構(gòu)) 的扭轉(zhuǎn)自然頻率應(yīng)避免處于任何運(yùn)行軸速度的之內(nèi)，也避免在包括10 倍以內(nèi)的其它倍數(shù)運(yùn)行軸速度的5%范圍之內(nèi)。

2.2.2、數(shù)理模型

　　機(jī)組全軸系結(jié)構(gòu)見圖3，可簡化為圖4 所示集中質(zhì)量模型，其中，I1 ～ I6為各列運(yùn)動(dòng)部件等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，I7為飛輪和聯(lián)軸器部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，I8為電機(jī)轉(zhuǎn)子部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，K1 ～ K7為各集中質(zhì)量間剛度系數(shù)。復(fù)雜構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可參考實(shí)體質(zhì)量屬性值做修正，等效慣量和非線性部件經(jīng)驗(yàn)系數(shù)選取是準(zhǔn)確獲取無阻尼自由振動(dòng)下的軸系低階固有頻率的保證。

圖3 曲軸———電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系三維圖

圖4 軸系集中質(zhì)量模型

3.2、結(jié)論和建議

　　曲軸軸系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)存在的必然性，鑒于軸系扭振特性分析對(duì)多列大型往復(fù)式壓縮機(jī)組的重要意義，在此提出如下建議：

　　(1) 在用戶引進(jìn)或制造企業(yè)設(shè)計(jì)階段須進(jìn)行軸系扭振特性分析，優(yōu)化軸系結(jié)構(gòu)和機(jī)組扭振敏感參數(shù)，預(yù)留扭振測(cè)試位置，必要時(shí)預(yù)設(shè)減振結(jié)構(gòu)；

　　(2) 在壓縮機(jī)軸系改造前須對(duì)匹配后軸系進(jìn)行扭振特性分析；

　　(3) 對(duì)未曾進(jìn)行扭振特性分析的機(jī)組，在機(jī)組運(yùn)行階段出現(xiàn)噪聲振動(dòng)較大情況時(shí)，建議復(fù)核機(jī)組軸系扭振情況；

　　(4) 對(duì)發(fā)生典型扭振破壞故障的機(jī)組，須仔細(xì)對(duì)機(jī)組軸系進(jìn)行扭振分析計(jì)算，制定切實(shí)可行的減振方案；

　　(5) 鑒于大型往復(fù)式壓縮機(jī)多為恒轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，扭振測(cè)試不便，建議壓縮機(jī)制造企業(yè)在軸系自由端或裸露處預(yù)設(shè)齒式扭振測(cè)量結(jié)構(gòu)。

4、結(jié)語

　　軸系扭振特性分析工作在多列大型往復(fù)式壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)、引進(jìn)或軸系改造等環(huán)節(jié)不可或缺； 在大型往復(fù)式壓縮機(jī)組各種振動(dòng)形式中，須重點(diǎn)關(guān)注軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)形式的影響； 軸系扭振特性主要考慮一階扭轉(zhuǎn)固有頻率，二階及以上扭轉(zhuǎn)固頻影響微小； 各種強(qiáng)迫振動(dòng)扭振穩(wěn)態(tài)響應(yīng)理論計(jì)算結(jié)果精度均受限于曲軸軸系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，諧響應(yīng)分析結(jié)果以實(shí)測(cè)結(jié)果為最終判定依據(jù)。