王同慶，鄒繼賢，王方舟，張校瑜

（中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽 621000）

0 引言

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子是由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)盤、軸套、推力盤、平衡盤等多個(gè)部件組成的機(jī)械設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)組增壓功能最核心的做功部件。隨著工業(yè)發(fā)展，對轉(zhuǎn)子設(shè)備的輕量化及性能要求越來越高，高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速及高負(fù)荷等因素對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)造成的失效與故障問題愈發(fā)凸顯；部件松動是眾多轉(zhuǎn)子故障中的一種，通常松動故障一般是由于安裝質(zhì)量不高及長期的振動引起的。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的松動故障從其類型上可分為旋轉(zhuǎn)部件的松動和非旋轉(zhuǎn)部件的松動；從當(dāng)前研究熱點(diǎn)以及工程實(shí)際故障看，多集中在非旋轉(zhuǎn)部件的松動故障方面，如基礎(chǔ)松動、軸承基座松動或軸承與軸承座的配合松動等，在實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)子盤軸松動故障的案例雖然相對較少，但也偶有發(fā)生[1-2]。由于松動故障存在一定程度上的隨機(jī)性及不確定性，通過平衡或?qū)χ刑幚淼炔o法解決故障問題，因此常導(dǎo)致故障處理反復(fù)且得不到根本處理[3-4]。

給出某離心式壓縮機(jī)振動爬升并發(fā)散的不穩(wěn)定振動故障，結(jié)合振動故障現(xiàn)象、拆檢排查以及振動頻譜特征等進(jìn)行定位分析，鎖定導(dǎo)致機(jī)組振動不穩(wěn)定的因素源于轉(zhuǎn)子自身缺陷；最終通過拆檢發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子存在防轉(zhuǎn)頂絲失效導(dǎo)致推力盤鎖緊螺母松動的故障問題。

1 故障機(jī)組概況

發(fā)生振動故障的機(jī)組為MCL1003 型多級離心式壓縮機(jī)組；壓縮機(jī)由額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min 的同步電動機(jī)經(jīng)增速機(jī)增速后拖動運(yùn)行，壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速為5867 r/min；驅(qū)動電機(jī)啟動方式為變頻啟動，實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)看壓縮臨界轉(zhuǎn)速約為4576 r/min（對應(yīng)變頻啟動系統(tǒng)頻率為39 Hz）。壓縮機(jī)、電機(jī)與增速機(jī)均采用膜片式柔性聯(lián)軸器連接，壓縮機(jī)軸承座為非獨(dú)立式軸承座，與壓縮機(jī)缸體一體，壓縮機(jī)驅(qū)動端為支撐軸承（1#），非驅(qū)動端為支撐軸承（2#）和止推軸承（3#）。壓縮機(jī)在1#、2#軸承各安裝兩個(gè)成90°夾角的電渦流軸振動探頭，用于監(jiān)測機(jī)組徑向振動；其中1#軸承兩個(gè)振動測點(diǎn)編號分別為VE13A/B，2#軸承兩個(gè)振動測點(diǎn)編號分別為VE14A/B；在3#推力軸承側(cè)安裝電渦流軸位移探頭用于監(jiān)測機(jī)組軸向位移，編號為XE12。壓縮機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 壓縮機(jī)軸系結(jié)構(gòu)

2 振動故障現(xiàn)象及排查

2.1 機(jī)組振動情況

在某次試驗(yàn)運(yùn)行中，機(jī)組在變頻啟動完畢轉(zhuǎn)入工頻運(yùn)行后機(jī)組4 個(gè)徑向軸振動最大值不超過18.9 μm；與前一級機(jī)組串聯(lián)并轉(zhuǎn)入滿載后，隨著排氣壓力載荷增加，機(jī)組4 點(diǎn)軸振動同步以較快速率爬升至最大幅值47.5 μm，并有繼續(xù)爬升趨勢；為避免機(jī)組振動爬升觸發(fā)聯(lián)鎖停機(jī)對上一級機(jī)組造成影響，遂將機(jī)組退出單機(jī)節(jié)流運(yùn)轉(zhuǎn)工況；在機(jī)組退出節(jié)流過程中及退出后機(jī)組振動仍未下降或趨穩(wěn)，最終觸發(fā)機(jī)組振動聯(lián)鎖防護(hù)值而停機(jī)，最高振動值達(dá)90 μm；機(jī)組在停機(jī)惰轉(zhuǎn)過程中，機(jī)組內(nèi)部有明顯的發(fā)悶、類似轉(zhuǎn)子抖動的聲音（其他同型機(jī)組停機(jī)過程中無該現(xiàn)象）；機(jī)組軸振動爬升趨勢見圖2。

2.2 機(jī)組拆檢及排查情況

為了鎖定導(dǎo)致機(jī)組振動問題的原因，在機(jī)組停機(jī)熱態(tài)狀態(tài)下立即對機(jī)組進(jìn)行拆檢；同時(shí)對機(jī)組配套相關(guān)系統(tǒng)以及機(jī)組歷史運(yùn)行機(jī)械及氣動等參數(shù)進(jìn)行對比排查。具體內(nèi)容及排查情況如下：①對機(jī)組振動測量系統(tǒng)及工藝測量系統(tǒng)進(jìn)行檢查，系統(tǒng)正常；②對壓縮機(jī)進(jìn)行拆檢，著重對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子、定子、氣封及軸瓦進(jìn)行針對性檢查：轉(zhuǎn)子無靜動件碰磨、外觀未見異常、熱態(tài)下轉(zhuǎn)軸撓度滿足設(shè)計(jì)要求；上下定子隔板、回流器、擴(kuò)壓器及進(jìn)排氣室外觀檢查正常、無異物堵塞；氣封間隙檢查滿足要求；軸瓦配合參數(shù)滿足要求、瓦塊靈活、無異常碰磨；軸承座殼體外觀檢查無異常、緊固可靠；聯(lián)軸器連接可靠、膜片組正常；機(jī)組下定子錨爪緊固螺栓及地腳螺栓緊固、未見松動；③對機(jī)組配套周邊設(shè)備進(jìn)行排查：機(jī)組進(jìn)出口管網(wǎng)法蘭緊固良好，管道未見異常變形、干涉等；機(jī)組配套工藝調(diào)節(jié)閥門開關(guān)機(jī)械閥位與上位機(jī)指示一致，管網(wǎng)內(nèi)部檢查無異物堵塞；④結(jié)合機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)與發(fā)生故障時(shí)的運(yùn)行氣動參數(shù)進(jìn)行對比分析，機(jī)組在啟動、低負(fù)荷及滿負(fù)荷工況下其運(yùn)行氣動性能參數(shù)與正常運(yùn)行時(shí)均具有良好的一致性。

機(jī)組振動系統(tǒng)檢查正常，4 點(diǎn)振動同步爬升，說明機(jī)組真實(shí)存在振動故障，排除振動測量系統(tǒng)自身故障而導(dǎo)致的誤測可能；通過機(jī)組本體拆檢，初步排除機(jī)組存在熱態(tài)彎曲、定轉(zhuǎn)子碰磨或聯(lián)軸器損壞以及軸承安裝不滿足要求等方面的可能性；同時(shí)結(jié)合機(jī)組配套工藝管網(wǎng)、調(diào)節(jié)閥門、氣動參數(shù)對比等排除機(jī)組流道堵塞導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生喘振的可能。但從拆檢及排查情況仍無法鎖定導(dǎo)致機(jī)組振動問題的根因。

3 故障定位分析

3.1 機(jī)組振動頻譜特征

為支撐排故分析，決定機(jī)組恢復(fù)安裝后進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行并進(jìn)行振動測試；由于機(jī)組配套測振系統(tǒng)不具備頻譜分析功能，且由于機(jī)組結(jié)構(gòu)限制不具備外部測振儀器布置條件；因此決定利用機(jī)組自帶本特利探頭前置器引出信號接入外部測量分析系統(tǒng)，達(dá)到監(jiān)測并獲取轉(zhuǎn)子振動頻譜特性的目的；由于位移標(biāo)定問題，該數(shù)據(jù)主要作為特征頻率分析支撐，幅值僅做參考。

圖2 機(jī)組軸振動趨勢

再一次調(diào)試運(yùn)行，機(jī)組回流啟動完畢后，軸振動幅值在無工況變化情況下，轉(zhuǎn)子各點(diǎn)振動在10 min 內(nèi)爬升至聯(lián)鎖停機(jī)值；爬升過程中4 個(gè)振動測點(diǎn)振動幅值爬升趨勢一致，與拆檢之前故障現(xiàn)象類似，具體見圖3。啟動過程中過臨界頻率約34 Hz（對應(yīng)變頻啟動系統(tǒng)頻率，折算轉(zhuǎn)速約為3989 r/min），最大振動響應(yīng)點(diǎn)VE14A 點(diǎn)振動43 μm；其臨界轉(zhuǎn)速頻率明顯低于其他同型機(jī)組以及本機(jī)組正常時(shí)的臨界頻率39 Hz，且過臨界振動響應(yīng)幅值高于其他同型機(jī)組（其他同型機(jī)組過臨界振動最大約25 μm）。

圖3 啟動至停機(jī)軸振動爬升趨勢

機(jī)組啟動升速過程以及轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行后，轉(zhuǎn)子振動主要表現(xiàn)為以壓縮機(jī)基頻（96.8 Hz）成分為主，同時(shí)伴有有一定的高頻分量（2×、3×、4×…）；其中VE14A 和VE14B 測點(diǎn)（非軸伸端）及軸位移測點(diǎn)XE12 的高頻分量幅值較軸伸端明顯，并且表現(xiàn)出隨著分頻倍數(shù)的增大、幅值降低的特征；轉(zhuǎn)子振動頻率特征見圖4。

轉(zhuǎn)子振動頻譜瀑布圖見圖5；從中可以看出在運(yùn)行過程中，僅轉(zhuǎn)子基頻成分幅值有明顯的爬升，其它頻率成分變化不明顯；說明導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動爬升的主要因素為基頻成分幅值的增加。轉(zhuǎn)子基頻分量及相位頻趨勢圖見圖6；從圖中可以看出在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行階段，轉(zhuǎn)子5 個(gè)測點(diǎn)振動基頻分量不斷爬升，但相位總體穩(wěn)定基本保持不變。

圖4 轉(zhuǎn)子振動頻率特征

圖5 轉(zhuǎn)子振動頻譜瀑布圖

圖6 轉(zhuǎn)子基頻分量及相位趨勢

3.2 故障分析定位

根據(jù)機(jī)組振動故障現(xiàn)象、機(jī)組初步拆檢排查及頻譜特征，對振動故障發(fā)生的原因做了進(jìn)一步分析定位。

①機(jī)組在啟動升速過程中，其臨界頻率較正常情況下及其他同型機(jī)組偏低，說明轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)或轉(zhuǎn)子自身剛度發(fā)生了變化；同時(shí)機(jī)組過臨界的不平衡相應(yīng)較其他同型設(shè)備明顯偏大，表明該轉(zhuǎn)子不平衡量比較相對偏大；②機(jī)組在升速以及運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子振動以基頻為主，并且伴隨明顯的倍頻成分；且在非軸伸端倍頻成分突出，表現(xiàn)為隨著分頻倍數(shù)的增大、幅值降低的典型特征；不排除機(jī)組支撐或轉(zhuǎn)子存在松動的可能；③轉(zhuǎn)子振動的爬升主要因素為基頻成分幅值的增加，但與常見的由動靜摩擦導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子彎曲或轉(zhuǎn)子熱不平衡等不穩(wěn)定的強(qiáng)迫振動不同的是，其在振動爬升的過程中相位總體穩(wěn)定；④從拆檢及排查情況看，機(jī)組軸承配合參數(shù)正常、安裝符合要求；由此可以排除軸承安裝缺陷等導(dǎo)致支撐不良，進(jìn)而引發(fā)機(jī)組出現(xiàn)上述異常振動的可能性。

綜合上述分析，與同型機(jī)組對比看該機(jī)組轉(zhuǎn)子不平衡量偏大，但僅是不平衡量超標(biāo)，只能引發(fā)較高幅值的穩(wěn)定強(qiáng)迫振動；但在工作轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子基頻分量持續(xù)增大導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動超限，表明轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)不穩(wěn)定，還有其他可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子耦合激勵的因素在不斷輸入振動能量；在排除外部影響因素后，推斷轉(zhuǎn)子其自身可能存在松動或不可見缺陷，還需進(jìn)一步排查[5]。

4 故障鎖定及處理

4.1 故障原因鎖定

根據(jù)分析結(jié)論，對機(jī)組轉(zhuǎn)子進(jìn)行了進(jìn)一步深入全面檢查，內(nèi)容主要包括：轉(zhuǎn)子全面著色檢查、電跳位剩磁檢測、同軸度及漂擺檢查以及低速平衡效驗(yàn)；經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子推力盤鎖緊螺母（螺紋連接方式）存在明顯松動問題，用手即可旋動；導(dǎo)致其松動的原因?yàn)殒i母防轉(zhuǎn)頂絲失效，可能與原始安裝不到位有關(guān)，具體見圖7；同時(shí)通過平衡發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子不平衡量超標(biāo)，不滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 轉(zhuǎn)子推力盤鎖緊螺母松動情況

4.2 處理措施及運(yùn)行效果

針對轉(zhuǎn)子發(fā)現(xiàn)的問題，采取了如下處理措施：①將鎖母防轉(zhuǎn)頂絲破拆后對鎖緊側(cè)施加外力進(jìn)行徑向加固，調(diào)整推力盤與鎖母接觸面間隙、控制鎖母與位移盤間隙約（0.10～0.11）mm 間隙且圓周均勻，滿足設(shè)計(jì)要求；加固后防轉(zhuǎn)頂絲擴(kuò)孔套絲并加固沖死以保證緊固可靠；②轉(zhuǎn)子按要求重新進(jìn)行低速平衡；平衡后進(jìn)行高速平衡，支撐側(cè)振動速度0.27 mm/s，推力側(cè)振動速度0.48 mm/s（設(shè)計(jì)要求≤1.0 mm/s）；為了確定是否還存在其他松動可能，又重復(fù)進(jìn)行2 次高速平衡效驗(yàn)，并在工作轉(zhuǎn)速下持續(xù)5 min 運(yùn)轉(zhuǎn)，各次測量結(jié)果一致，振幅在±0.08 mm/s 上下范圍波動，未形成上漲或過大的波動趨勢，滿足設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過上述處理、重新恢復(fù)機(jī)組后進(jìn)行了調(diào)試驗(yàn)證，機(jī)組升速過程中臨界頻率恢復(fù)為39 Hz，過臨界振動響應(yīng)最大12.7 μm，較檢修前大幅降低；機(jī)組在低負(fù)荷及滿負(fù)荷工況下最大振動不超過20 μm，振動發(fā)散故障現(xiàn)象消失，振動穩(wěn)定、運(yùn)行平穩(wěn)。

5 結(jié)束語

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子部件由于長期振動或裝配工藝不當(dāng)?shù)?，存在造成配合失效進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子部件松動問題出現(xiàn)的可能。從本案例看，轉(zhuǎn)子推力盤鎖緊螺母松動導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速發(fā)生較為明顯的改變，并在運(yùn)行中導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)耦合激勵的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動不穩(wěn)定、發(fā)散并惡化轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動情況，使機(jī)組無法正常運(yùn)行。轉(zhuǎn)子部件松動導(dǎo)致的振動問題其故障特征通常又與轉(zhuǎn)子不平衡、不對中等故障類似，在工程上處理時(shí)容易以轉(zhuǎn)子平衡或?qū)χ胁涣脊收线M(jìn)行處理，導(dǎo)致故障處理的反復(fù)并難以解決；因此在處理振動故障時(shí)應(yīng)結(jié)合故障現(xiàn)象、數(shù)據(jù)及特征等進(jìn)行綜合分析以縮小故障范圍定位，提高排故效率。