VK型离心式压缩机组振动故障诊断曾宪虎摘要：通过处理VK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VM63型手持测振表和CAMD6100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VK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1.1 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。
图１空压机结构及振动测点布置示意图1.主电机2.刚性联接轴3.压缩机4.叶轮1.2 设备参数主电机：同步电机；额定电压5500V；频率50HZ；功率7600KW；转速1500r/min。
空压机：压缩介质为空气；吸气压力为绝压0.1MPa；排气压力为绝压0.7MPa；设计流量85000 m3/h；I、II级叶轮轴转速4200r/min；III、IV 级叶轮轴转速6170r/min。
1.3 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所示。
水平、垂直和轴向分别记为H、V、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83um，检查电机轴瓦、调整瓦背紧力后，振幅降至52 um，随后转入正常生产。
运行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，修后联动试车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637um。
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VM63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CAMD6100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）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①、②轴瓦外壳振动幅值不大，最大振幅为19μm。
联动试车时压缩机各轴瓦外壳处振动均在20μm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①处垂直方向的振动幅值，从开始的150多um，很快增大到300多um，进而最高达到637um。
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）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）转子不平衡；2）对中不良；3）联轴器故障；4）轴瓦故障或润滑不良；5）电气故障；6）设备基础问题[１]。
整个故障处理过程比较曲折，时间跨度长。
3.1 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。
3.2 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段，来调节供机组油温度。
对压缩机和主电机的地脚螺栓、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。
3.3 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/min的同步电机来说，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/min，其升速曲线上出现振动峰值时的转速约为1475r/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。
mm/s 峰值时n=1475图2 联动试车时主电机的升速曲线图（测点①V）3.4 排除引起振动的设备基础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。
4 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分钟的监测时间内，测点①V的振动位移值，从开始的150多μm，很快增大到300多μm，进而高达637μm。
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，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ƒ与系统支撑刚度k、系统的质量m有关[３]，即：f单试电机时，其固有频率ƒ1与电机系统的支撑刚度k1、电机转子的质量m1有关。
