VK型离心式压缩机组振动故障诊断(DOC)

1、1VK型离心式压缩机组振动故障诊断曾宪虎摘要：通过处理 VKVK 型离心式压缩机组振动故障实践，总结出大型离心式压缩机组共振的 主要特征。各种机器设备在运行中，都不同程度地存在振动。引起大型离心式压缩机组 振动的原因较为复杂，对设备的危害程度较大，轻则引起停机，重则破坏机器。快速、准确地诊断大型离心式压缩机组振动故障，对于节省处理时间、减少停机损失具有重大 现实意义。针对离心式压缩机组出现的振动故障，运用 VM63VM63 型手持测振表和 CAMD6100CAMD6100 型旋转机械状态监测与故障诊断系统，将故障实际情况与设备状态监测与诊断等相关理 论知识相结合，进行分析、诊断，判断离心式压缩

2、机组振动的类型和故障的原因，采取 相应的处理措施，通过单体试车和联动试车均正常，验证了分析与诊断的准确性，总结 出大型离心式压缩机组发生共振所具有的一般特征：强制外力的振动频率分量在振动频 谱图上十分突出；当机组共振时，其振动通常表现出很强的单向性；机组发生共振时， 其振动幅值较高且具有不稳定性。关键词： 离心式；压缩机组；振动；故障；诊断0引言随着冶金化工企业各类离心式压缩机设备不断地大型化，离心式压缩 机设备的精密、复杂程度也越来越高，保持其稳定、安全、经济的运行是保 证系统正常运行的前提， 对该类设备的维护要求也更高， 尤其是对经常出现 的各类振动故障及异常情况，准确的分析判断和及时合理

3、地处置， 是保证压 缩机及其系统正常稳定运行必须的重要环节。本文以德国德马格公司生产的 VKVK 型离心式压缩机组振动故障的实际诊断和处理过程，总结出大型离心式压缩机组共振故障时所具有的一般特征， 对此类设备振动原因分析及故障处理，具有一定借鉴和指导意义。1设备结构、参数及振动测点布置方式1.11.1 设备结构我公司一套大型空气分离制氧机组是 1991 年从法国液空公司成套引进的二手装置，其关键动设备是德国德马格公司于 1968 年制造的离心2式空压机组, ,为空气分离装置压缩空气。该机组采用同步电机驱动，主电机 通过刚性联接轴两端的柱销式联轴器， 带动压缩机主齿轮，再驱动位于主齿 轮两侧从动

4、齿轮轴上的四级闭式叶轮来压缩空气， 为空分装置提供洁净的原 料空气。其机组结构及振动测点布置方式如图 1 1。1.21.2设备参数主电机：同步电机；额定电压 5500V;5500V;频率 50HZ50HZ 功率 7600KW7600KW 转速1500r/min1500r/min。空压机：压缩介质为空气；吸气压力为绝压o.1MPao.1MPa 排气压力为绝压0.7MPa;0.7MPa;设计流量 8500085000 m m3/h/h ; I I、IIII 级叶轮轴转速 4200r/min4200r/min ; IIIIII、IVIV 级叶轮轴转速 6170r/min6170r/min。1.31.

5、3振动测点布置方式振动测点分布在各轴承座外壳上， 如图 1 1 所示。 水平、 垂直和轴向分别 记为 H H V V、图1空压机结构及振动测点布置示意图1 1. .主电机 2 2. .刚性联接轴 3 3. .压缩机 4 4叶轮3A A。2故障现象描述在空压机组正常运转过程中， 其主电机转子引线处突然开路， 将该电机 抢修处理后联动试车， 电机自由端轴瓦振动大， 轴承外壳垂直方向振幅最大 为 83um83um 检查电机轴瓦、调整瓦背紧力后，振幅降至 5252 umum,随后转入正常 生产。运行 4 4 天后，因空气分离装置工况不好，该空压机组停产进入检修。 对主电机前、后轴瓦再次进行了检查，修后

6、联动试车 3 3 次，均发现电机后瓦 振动大。为避免频繁启车对压缩机造成损伤和便于分析原因， 安排拆开联接 轴，单试电机，结果电机自由端轴瓦动仍高，最高振幅达到637um637um 经对电机转子做全速动平衡并检查调整轴瓦间隙后， 单试电机正常， 联动试车电机 西瓦振动剧烈。多次反复试车均类似。我们在故障处理初期，采用 VM63VM63 型手持测振表对该机组进行振动监测， 后期采购一套西北工业大学 CAMD610CAMD610 型旋转机械状态监测与故障诊断系统 进行现场振动检测，发现主电机振动具有以下一些特征：1)1)电机单体试车时，其振动状态良好，但当电机和压缩机进行联动空 负荷试车时， 压缩

7、机振动状态良好， 电机振动却非常剧烈， 人站在电机附近 感觉小腿振得发麻。单试电机时测点、轴瓦外壳振动幅值不大，最大振幅为1919 卩 m m 联动试车时压缩机各轴瓦外壳处振动均在 2020卩卩m m 以下，电机轴瓦振动幅值却较 大。其中一次用手持表测得联动试车时主电机测点处垂直方向的振动幅 值，从开始的 150150 多umum 很快增大到 300300 多 umum 进而最高达到 637um637um2)2)在对电机进行振动监测时还发现， 该电机启动过程中和达到同步后， 振动不4仅剧烈， 而且振幅很不稳定， 且振动特性是非线性的， 随时间呈喇叭形急剧增长， 电机同一测点处水平、 垂直和轴向

8、三个方向上的振动幅值相差 明显，垂直方向振动幅值最大。3 3） 在联动试车电机出现振动异常后， 如果在较短时间内， 脱开联轴器， 再空转电机，则电机不能恢复到单体试车时的正常状态。3故障诊断过程我们知道， 离心式压缩机具有转速快、 精度高等特点， 振动是压缩机组 常见的故障。通常引起振动的原因在于： 1 1）转子不平衡； 2 2）对中不良； 3 3） 联轴器故障； 4 4）轴瓦故障或润滑不良； 5 5）电气故障； 6 6）设备基础问题 。 整个故障处理过程比较曲折，时间跨度长。3.13.1 排除引起振动的转子不平衡因素首先，安排对主电机转子进行了全速动平衡试验。同时拆检压缩机齿轮箱观察孔，检查

9、三只传动齿轮未发现异常。 拆检一 至四级叶轮未发现明显结垢、材料脱落等异常现象。拆检刚性柱销式联轴器， 未发现异常，并对连接螺栓、 螺母逐只进行称 重后配对安装。 上述工作完成后， 进行单体试车和联动试车， 振动情况没有 大的改观。3.23.2 排除引起振动的安装和机械因素在主电机动平衡试验后返厂安装时， 对电机和压缩机支撑轴瓦、 推力瓦 的间隙和紧力、齿轮箱内齿轮啮合间隙和接触面情况逐一进行检查并调整， 使其符合技术标准。采用激光对中仪器，对主电机和压缩机的对中情况进行检查、调整。 通过在压缩机组的主油箱内增加电加热器、 调节油冷却器水阀开度等手5段，来调节供机组油温度。对压缩机和主电机的地

10、脚螺栓、 垫铁、定位销和设备底座逐一进行检查。 上述工作完成后，进行单体试车和联动试车，振动情况类似。3.33.3排除电气因素引起振动随着故障处理的时间越来越长， 引起总公司领导高度重视， 决定集中全 公司人力、 物力来处理该机组的振动故障。 在故障处理中期， 新采购了一套 西北工大的旋转机械状态监测与故障诊断系统，来协助分析故障。利用该系统， 我们得到压缩机组的振动频谱图， 在对联动试车的振动频 谱分析时发现， 其谱图中一倍频分量十分突出， 即电机工频分量占主导。 当 振动频谱图中一倍频分量突出时， 应当首先考虑转子存在不平衡故障。 对转 速为 1500r/min1500r/min 的同步电

11、机来说，还应考虑电气方面的因素。但是我们发现， 该电机两个测点水平方向的振动值很小， 这不符合不平 衡故障的一般特征； 而且这次故障前， 机组运行期间振动情况尚佳； 故障发 生后，又对转子所有转动部分进行了检查，故再次排除转子不平衡的因素。同时，我们还感觉到，电机在断电的瞬间，其振动值立刻显著降低，表 明电机振动与电气因素有关。根据以上分析，我们初步判断电机振动故障可能是由电气方面的因素引 起的。同时咨询电机制造厂专家后，又安排检查电机定子、转子、调整电机 磁力中心线、 监测电机转速、 检查供电系统， 对电机电气方面的参数进行重 新检查和调整。 试车时电机振动故障依然存在， 从而初步排除电气因

12、素影响 振动的推论。从后来对电机进行升速曲线分析时得知， 造成误判的主要原因， 是由于6将主电机断电后，其振动值立刻显著降低看成是电机断电所带来的效应。实际上，由于该电机的正常工作时转速为 1500r/min1500r/min ,其升速曲线上出 现振动峰值时的转速约为 1475r/min1475r/min，二者过于接近。则断电后，电机的转 速会很快远离振动峰值处的转速，从而导致其振动值立刻显著降低，如图2 2所示。如果不借助该诊断系统，通常被当作电机的断电效应，以致带来错误 的诊断结论。峰值时n=1475图 2 2 联动试车时主电机的升速曲线图（测点 V V）3.43.4排除引起振动的设备基础

13、原因该机组在初始安装期间，因抢工期，导致设备基础施工质量不佳，压缩 机侧基础出现过裂纹，投产试车曾发生过振动故障，但振动幅值远低于此次 振动幅值。运行十余年，期间也曾对基础裂纹进行了观测，未发现明显变化， 且此次电机极包烧损前，机组振动值较为稳定。不能就此断定胎里带来基础 裂纹是此次振动故障的原因。但本着逐一排除故障原因的处理原则， 安排对 压缩机基础裂纹采取内部打针灌胶和裂纹外部粘贴进口碳纤维的方式进行 了处理。基础裂纹处理完成后，试车时故障依旧。mm/s.11L&00m640 fUK)M_ i转询110iw l4)D74理论分析在上述原因逐一排除后， 故障仍未解决， 大家顿时陷入迷

14、茫， 不得不再 从理论上查找原因进行分析。我们知道， 根据引起振动的机理不同， 通常将转轴的振动分为受迫振动 和自激振动。受迫振动是由周期变化的外力作用所引起的，如转子不平衡、 不对中，所引起的振动。 而自激振动是在没有外力的作用下， 只是由于系统 自身的原因所产生的激励而引起的振动， 如油膜振荡、 喘振等。 因机械故障 而产生的振动， 多属于受迫振动和自激振动。 在受迫振动中， 当强制外力的 频率与转轴的固有频率相一致或十分接近时， 则产生所谓的共振现象。 这时， 振动的振幅变得非常大。 如果转轴的转速超过引起共振现象的临界转速， 则 其振幅立即变小。 为防止共振现象的发生， 在进行机器设计

15、时要尽可能使其 固有频率偏离强制外力的频率。 在自激振动中， 由于维持振动的交变力是由 运动本身所产生的， 所以当引起交变力的条件发生改变时， 此交变力即行消 失。自激振动是随着时间而增长的，是失稳振动2。我们在对电机进行振动监测时发现， 该电机振动不仅剧烈， 而且振幅很 不稳定，随时间呈喇叭形急剧增长。 例如，在联动起车后 2 2 分钟的监测时间 内，测点v v 的振动位移值，从开始的 150150 多卩卩m m 很快增大到 300300 多卩卩m m 进而高达 637637 卩 m m 我们知道，在电机振动故障中，如是机械或电气方面的 原因所致， 则不论其振动如何剧烈， 在较短的时间内，其

16、振动值的增长一般 不会如此迅速。除非经过较长时间振动以后，引起新的并发故障， 才会导致 振动值有一个明显的增加。但随后又会大致保持在一个相对稳定的水平上。 只有当发生自激振动， 如油膜振荡， 或受迫振动中的共振时， 其振动值才会如此迅速地增长我们知道，油膜振荡引起的振动，虽然表现剧烈，且呈持续快速增长之 势，但是8它对轴承油温的变化比较敏感， 并伴有低沉的吼叫声。在试车过程 中，我们发现电机的振动值对油温的变化并不敏感，没有迹象表明该电机的 振动故障是由轴承油膜振荡引起的。由于该机组投产试车时，基础出现裂纹，发生过振动故障，且由于裂纹 的细微变化不易察觉，我们担心是由于设备基础内部发生了变化，

17、 从而引发 振动故障。综合以上分析，我们初步判断电机的剧烈振动是由机组共振引起的。进一步从理论上分析并找到主电机单体试车振动正常， 联动试车时却出 现共振现象的原因，是处理故障的症结所在。我们知道，系统的固有频率？与系统支撑刚度 k k、系统的质量 m m 有关3：即：单试电机时，其固有频率 ? ?i 与电机系统的支撑刚度 k ki、电机转子的质 量 m m 有关。在电机单体试车时，由于电机侧基础未发生裂纹，即使压缩机 侧的基础横梁处存在裂纹 （二者基础跨度长达 5m5m） ,电机系统的支撑刚度 k ki 降低， 固有频率? ?i 较原设计值降低，但仍和转子强制外力的频率较远，共 振现象不会发

18、生。但是当电机和压缩机联机时，应将电机、联轴器、压缩机和基础当作一 个整体系统来看待。此时系统支撑刚度 k k2、转子质量 m m 均发生了变化，导 致整个机组系统的固有频率 ? ?2 发生了变化。由于压缩机侧基础出现裂纹， 使整个系统的支撑刚度 k k2 降低，另一方面，转子的等效质量 m m2 也相应变大， 这样使得系统的固有频率 ? ?2 大幅降低，并且恰好接近转子强制外力的频率， 当电机和压缩机联动试车时， 从而导致压缩机系统共振现象的发生。 这就从 理论上解释了电机单体试车时正常， 而和压缩机联动试车时出现强烈共振的 原因。9从图 2 2 可知，压缩机组转子的临界转速实际为 1475

19、r/min1475r/min ，和转速为 1500r/min1500r/min的强制外力的频率非常接近，于是机组发生了共振。基于上述理论分析， 得出由于压缩机侧基础的裂纹， 改变了机组系统支 撑刚度，使得系统的固有频率接近转子强制外力频率， 从而产生共振的推断。5对症处理根据上述理论分析的原因， 咨询了建筑专家，制定基础加固方案并实施。 在对设备基础进行第一次加固的基础上，进行了第二次彻底加固处理。对压缩机侧基础横梁和其下部混凝土墙之间的裂缝松散层全部剔除， 灌 上具有微膨胀特性的特殊混凝土，同时对电机侧的基础立柱之间采用角钢、 槽钢进行单体和连体外部加固。加固设备基础后，联动试车时，电机前后

20、轴承座处的振动均降到 4040 卩 m m以下，电机振动故障得以消除，机组恢复了正常运行。6回首印证6.16.1 为什么第一次基础加固后， 共振故障依旧呢？ 该机组的基础为一整体框架结构，由若干组成“日”字形的梁和六根立 柱构成。电机和压缩机分别安装在“日”字形的两端。第一次加固时，对电 机侧与电机轴垂直的两根立梁进行加固， 并对压缩机侧两根横梁上的裂纹进 行灌胶和表面粘接碳纤维处理。 处理后， 对电机进行单体试车， 其振动较基 础未作处理前更好，其中H H、V V、A A 分别为 4 4 卩 m m 3 3 m m 6 6 卩 0 0。在联 动试车时， 虽然电机振动仍然剧烈， 但其振动特性较加固前有所改善。 从电 机的升速曲线可以看出， 1200r/min1200r/min 至 1470r/min1470r/min 区间的陡峭形态有所趋缓。 并且原来电机三个方向上的振动由垂直方向较为突出，变为轴向较为突出。这些现象表明： 对基础进行加固处理， 系统的振动特性发生了改变， 思 路和10方向是正确的。 但由于第一次基础处理时灌胶不实， 处理不够彻底， 未 能从根本上改变系统支撑刚度、消除共