压缩机原动机轴头泵的振动因素及受力分析

        概述
        某厂空分车间有两套KDON-4500/9000型装置，94年建成投产。配有十三台大型压缩机，其中八台大型离心式压缩机（具体如下表1）,五台大型活塞式压缩机（具体如下表2）。

表1  八台离心式压缩机参数

表2  五台活塞式压缩机参数

        一、各机组简介:
        1.1各机组简介：
        在上表所列的1#、2#空压机为单轴五级等温冷却、水平剖分透平空气压缩机组，原动机采用在自由端配有带励磁装置的电机，电机受扭矩如图1（a），T1为励磁装置产生扭矩。1#、2#氮压机为二段7级压缩、二段冷却的氮气压缩机组，原动机采用电机带动，电机受扭矩如图1（c）。3#氮压机为3级压缩、级间冷却的氮气压缩机组，原动机采用电机带动，压缩机的非输入端带有主油泵，电机受扭矩如图1（c）。1#、2#、6#仪压机为离心式空气压缩机组，原动机采用电机带动，电机的非输出端均带有主(辅助)油泵，电机受扭矩如图1（a），T*为辅助（主）油泵产生扭矩。其余五台活塞机组：1#、2#氧压机原动机为电机带动，电机受扭矩如图1（c）。3#氧压机原动机为电机带动，压缩机的非输入端带有主油泵，电机受扭矩如图1（c）。3#、4#仪压机原动机为电机带动，电机的非输出端带有碳刷，电机受扭矩如图1（b）。

图1   各台压缩机原动机扭矩示意

                               (a)                                   (b)                                       (c)
         注：  T1（T*）：励磁装置（辅助（主）油泵）扭矩  
                   T：主电机扭矩                        T2：电机输出扭矩
                   A：电机非输出端轴承             B：电机输出端轴承

        以上各个机组的原动机均为电机带动，所不同的是：1#、2#空压机、1#、2#仪压机、6#仪压机、3#  、4#仪压机等七台机组的原动机，在电机的非输出端均带有不同的负载，即机组的主（辅助）油泵或者励磁装置。尤其是前五台机组，电机负载在轴承外侧自由端，电机受扭矩如图1（a），在自由端形成扭矩T1（T*）。另外六台机组的原动机的非输出端没有带任何的载荷。在以上的十三台机组中，都在设计中对机组本体的不同部位进行了振动的监测，但是，均没有做原动机各个部位的监测，在机组的原始设计中，都没有考虑机组的原动机的振动情况。
        1.2 原动机在非输出端（自由端）带有负载的受力分析
        尤其是原动机在非输出端（自由端）带有负载的结构下，原动机的受力情况发生了变化，原动机的传动轴形成“细长轴”结构，传动轴齿轮的啮合力使轴产生弯曲变形和扭转变形的组合变形，此时轴内的各点既有弯曲正应力，又有扭转切应力，如图2。根据“平面假设”理论，会在轴上产生微小的几何变形，形成挠曲线。在A点轴承处，轴与轴承接触面微观间隙是不同的，则必然使轴的振动变大。由此，使传动轴的受力情况得到合理安排是非常必要的。这时，原动机的非输出端就需要做振动等监测。在原动机的非输出端工作的负载即机组的辅助（主）油泵或者励磁装置的工作情况、工作的连续性等受到原动机的非输出端工作情况的影响，尤其是振动的影响，而且，机组的辅助（主）油泵或者励磁装置的振动，往往是随着原动机的非输出端振动的变化而变化的。

图2  压缩机原动机轴头弯曲变形和扭转变形的组合变形受力

        二、一例典型事例与经验
        2.1  6#仪压机油压低联锁跳车事件
        事件经过：某年9月4日20:45分6#仪压机联锁跳车，计算机显示油压低跳车，跳车后辅助油泵工作，油压为0.156MPa，联系机动处、钳工、电气、仪表车间到现场检查，21:30分再次启动6#仪压机，发现机组启动后，油压没有上升，反而从0.156MPa降到了联锁点0.082MPa，6#仪压机联锁跳车。经检查判断为油路上的自力式调节阀不正常，主、副油泵同时工作时，调节阀处于全开状态，把油全部由旁路泄掉了，导致油压低联锁跳车，决定第二天处理。9月5日10:45、11:50分继续开机查找问题，现象同昨日，拆下调节阀让仪表重新校验，发现调节阀工作正常。
下午16:00时，再次启动6#仪压机，压缩机启动后发现辅助油泵自动停机，油压降到零后辅助油泵又自动启动，在辅助油泵停机与启动的间隙导致油压低联锁6#仪压机机组跳车，后经分析认为主油泵出现故障（此油泵是在电机的非输出端，由主电机带动。即是上文提到的“原动机在非输出端带有负载的结构”情况）。联系钳工打开油泵联轴器保护罩后发现主油泵联轴器已破碎。事后经过一系列的修理、试运等，工作基本正常。在这些过程中，做主油泵的振动监测时，发现振动值偏大，经过分析，这正是主油泵联轴器损坏的重要原因之一。
        在这种原动机在非输出端带有负载的结构下，对机组的原动机振动的监测就显得非常有必要了。通过对原动机轴承的振动监测，可以及时地反应出原动机所带负载的工作情况。从而，可以有效地在其工况不正常的时候迅速发现，及时地给以消除。进一步有力地保障了机组的连续、平稳运转。但是，以上所提到的十三台大型压缩机组均没有设计在原动机的轴承、负载等位置的振动监测。由此，在适当的位置上设置监测点，监测振动（也可以包括温度等），对原动机及其负载的工作情况就非常有利了。也将其工作情况掌握的非常清楚了，做到适时心中有数。
        2.2  其余机组的工况监测
        在这种情况下，对其他几台机组的原动机的两端轴承或者负载也做了垂直、水平的振动（温度）测量。发现各个机组的振动各有不同，但是基本平稳。从表3中可以看出，6#仪压机的原动机所带的负载——主油泵的振动值偏大。这恰恰是上列事件中损坏的机泵。（具体数值见下表3）。

表3   五台压缩机振动监测参数

     注：（1）1#  2#空压机数据采用9月26日——10月4日的平均值
             （2）1#  2# 6#仪压机数据采用10月22日数值
        三、原动机负载工况的其他影响因素
        在上述的十三台压缩机中，有七台机组采用了原动机在非输出端带有负载的结构。这种结构，有效的利用了电极的非输出端（自由端）的“自由”状态，减少了带动油泵等所需的其他的原动机。可以使设备适当的减少一些，利用了主电极的“富余”能量。同时 ，在所带负载有效工作时，还可以保证机组与主油泵工作的同步性。但是，在这种设计结构下，就不可避免地使得原动机非输出端的轴的长度必须适当加长（相对与在原动机非输出端未带有负载结构的压缩机）。由于轴的自由端的加长，造成此种结构形成了“悬臂梁”，合理安排轴的受力情况就显得重要了，随着轴的自由端的延长，会造成所带负载的工况更加的不稳定，从而使振动等增加。尤其是轴的自由端越长，自由端没有适当的约束，就为原动机负载工作的稳定性、连续性埋下了隐患。还有，压缩机原动机的动平衡，基础的稳定性等也分别是其原因之一。
        针对以上情况，采取以下措施：
        1、在所有压缩机原动机的两端轴承处，进行垂直、水平的振动监测。并且根据具体的情况，决定检测的周期。
        2、在机组原动机非输出端带有负载的结构下，还可以对负载进行适当的振动、温度等的监测，监测周期由负载的工况而定。
        3、在机组原动机非输出端带有负载的结构下，如果形成的自由端过长，可以给自由端适当的约束，使负载自身不再“承载”。合理安排轴的受力情况。
        4、压缩机原动机的工作情况，也应由其他相关专业定期的监测。

        结语
        经过几年的生产实际运行，在空分装置中，大型压缩机的平稳运行越来越受到重视。只有大型压缩机连续、平稳地运行，才能有效的保证空分装置连续、平稳地运行，从而更好的服务于全厂用氧、氮、风，操作人员的技术水平才能有效地得以提高。