雙螺桿壓縮機(jī)常見(jiàn)故障振動(dòng)頻率分析

1、描述：雙螺桿壓縮機(jī)是海上石油平臺(tái)的重要設(shè)備之一。由于雙螺桿壓縮機(jī)組結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，包含軸承、齒輪、螺桿等結(jié)構(gòu)部件，造成機(jī)組振動(dòng)信號(hào)中往往包含多種特征 頻率，對(duì)采用振動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)雙螺桿壓縮機(jī)故障診斷增加了難度，無(wú).摘 要：雙螺桿壓縮機(jī)是海上石油平臺(tái)的重要設(shè)備之一。由于雙螺桿壓縮機(jī)組結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，包含軸承、齒輪、螺桿等結(jié)構(gòu)部件，造成機(jī)組振動(dòng)信號(hào)中往往包含多種特征 頻率，對(duì)采用振動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)雙螺桿壓縮機(jī)故障診斷增加了難度，無(wú)法有效地提取和區(qū)分各故障頻率。本文總結(jié)雙螺桿壓縮機(jī)常見(jiàn)且產(chǎn)生較復(fù)雜故障頻率的機(jī)械故障， 分析這些故障的振動(dòng)頻譜，提取頻譜中頻率特征，最后對(duì)比和總結(jié)故障頻譜

2、特征，進(jìn)而找出區(qū)分每一種故障頻率的特征，為振動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)雙螺桿壓縮機(jī)的有效診斷提供幫助。 1 前言 雙螺桿空氣壓縮機(jī)是海洋石油平臺(tái)的重要設(shè)備之一，主要供儀表設(shè)備用氣和公共用氣等，與平臺(tái)的其它系統(tǒng)有著密切的聯(lián)系。在平臺(tái)高效正常的生產(chǎn)過(guò)程中，保證雙螺桿壓縮機(jī)的正常運(yùn)行已成為日常監(jiān)測(cè)維護(hù)的重要工作之一。 雙螺桿壓縮機(jī)具有可靠性高、動(dòng)平衡強(qiáng)、占地面積小、容積效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。雙螺桿壓縮機(jī)是由相互嚙合的陰陽(yáng)螺桿，在殼體內(nèi)按一定傳動(dòng)比以相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)減小工作容積對(duì)氣體進(jìn)行壓縮。 一個(gè)完整的雙螺桿壓縮機(jī)組包括原動(dòng)機(jī)（電動(dòng)機(jī)）、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（皮帶傳動(dòng)或聯(lián)軸

3、器）和雙螺桿壓縮機(jī)。這樣整個(gè)機(jī)組就包含軸承、齒輪、螺桿、電機(jī)轉(zhuǎn) 子甚至皮帶等較多易產(chǎn)生振動(dòng)的部件，因此在機(jī)組振動(dòng)頻譜中多夾雜這些部件產(chǎn)生的正常振動(dòng)頻率或異常頻率。由于振動(dòng)監(jiān)測(cè)是對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷 最常用的監(jiān)測(cè)方法，因此通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)雙螺桿壓縮機(jī)組的診斷，需要提取和分析常見(jiàn)故障的振動(dòng)頻譜。雙螺桿壓縮機(jī)組的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖1所 示。根據(jù)雙螺桿壓縮機(jī)組的結(jié)構(gòu)及多年的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出壓縮機(jī)常見(jiàn)且故障頻率容易混雜的故障形式包括：軸承故障、電機(jī)轉(zhuǎn)子條故障、齒輪故障、螺桿故障等。下面分 別對(duì)各種故障的振動(dòng)特征進(jìn)行分析。 2 常見(jiàn)故障的

4、振動(dòng)特征 2.1軸承故障 軸承作為易損件，其常見(jiàn)的失效方式包括磨損、疲勞、斷裂等。當(dāng)軸承元件的工作表面出現(xiàn)局部缺陷時(shí)，會(huì)以一定的通過(guò)頻率產(chǎn)生一系列的寬帶沖擊和 沖擊衰減響應(yīng)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)總結(jié)雙螺桿壓縮機(jī)軸承常見(jiàn)的故障包含軸承早期故障、軸承磨損、軸承嚴(yán)重故障等。軸承早期故障、軸承磨損、軸承嚴(yán)重故障 頻譜圖分別如圖2中a、b、c所示。根據(jù)以上故障頻譜圖可以總結(jié)此類故障的頻譜圖特點(diǎn)，如表1所示。 包絡(luò)分析是診斷軸承早期故障最有效的方法，包絡(luò)譜中出現(xiàn)軸承故障頻率一般為早期軸承故障；如果包絡(luò)譜和速度譜中出現(xiàn)明顯的軸承故障頻率 及其諧波，那說(shuō)明

5、該軸承故障程度較為嚴(yán)重，時(shí)域波形甚至出現(xiàn)嚴(yán)重沖擊，根據(jù)幅值大小可判定是否更換軸承。圖2c顯示加速度包絡(luò)總值和速度值較高，說(shuō)明軸承 故障嚴(yán)重且需要立刻更換軸承；速度譜中高頻部分出現(xiàn)軸承缺陷頻率是由于軸承磨損及運(yùn)行狀況較差引起的高頻振動(dòng)。 2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)子條故障 轉(zhuǎn)子是電機(jī)重要的旋轉(zhuǎn)部件之一，較易出現(xiàn)故障。三相異步電動(dòng)機(jī)常有4、6等條轉(zhuǎn)子，科學(xué)技術(shù)與工程投稿因此電動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻譜中常伴有4倍或6倍等工頻的轉(zhuǎn)子條頻 率。但當(dāng)轉(zhuǎn)子松動(dòng)時(shí)，振動(dòng)頻譜中就會(huì)出現(xiàn)以工頻諧波為中心的邊頻帶；當(dāng)轉(zhuǎn)子條斷裂時(shí)，振動(dòng)頻譜中出現(xiàn)轉(zhuǎn)子條通過(guò)頻率及其諧波。轉(zhuǎn)子條松動(dòng)頻譜圖如圖3

6、所 示。電機(jī)工頻為50 Hz，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子條出現(xiàn)氣隙不均或松動(dòng)，造成頻譜圖中出現(xiàn)三倍工頻150 Hz的波峰并激起其變頻帶。 2.3 齒輪故障 雙螺桿壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)端一般安裝一副增速齒輪或在非驅(qū)動(dòng)端安裝傳動(dòng)齒輪，其作用是傳輸動(dòng)力并調(diào)節(jié)螺桿間的間隙及分配。齒輪的振動(dòng)特性與傳動(dòng)特性有關(guān)。由于齒輪輪廓加工工藝、配合、材質(zhì)等因素影響，齒輪嚙合往往伴隨著磨損等現(xiàn)象。無(wú)論齒輪處于正常狀況還是異常狀況，齒輪傳動(dòng)過(guò)程中齒輪嚙合剛度 就會(huì)發(fā)生變化，齒輪的剛度變化取決于齒輪的重合系數(shù)和齒輪類型。而齒輪的剛度變化頻率即為齒輪嚙合頻率，在齒輪正?；虍惓?/p>

7、態(tài)下齒輪的振動(dòng)水平會(huì)發(fā)生變 化。齒輪嚙合頻率計(jì)算公式 f = z1=z2 （1） 式中 n1主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速 n2 從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速 z1主動(dòng)輪齒數(shù) z2從動(dòng)輪齒數(shù) 齒輪常見(jiàn)故障包含齒輪磨損、齒輪偏心、齒輪斷裂等，其中齒輪磨損最為常見(jiàn)。齒輪故障常引起較高齒輪嚙合頻率并激起以嚙合頻率為中心的變頻帶。 除此之外，如齒輪偏心還會(huì)造成轉(zhuǎn)子1倍工頻的振幅增加等。齒輪嚙合不良頻譜圖如圖4所示。電機(jī)轉(zhuǎn)速2980轉(zhuǎn)/分，齒輪齒數(shù)31，由此可得齒輪嚙合頻率為 1539 Hz，

8、由圖4可看出與齒輪嚙合頻率基本一致，幅值稍高并有諧波出現(xiàn)。 2.4 螺桿故障 螺桿是雙螺桿壓縮機(jī)的核心部件之一，又分為陽(yáng)轉(zhuǎn)子和陰轉(zhuǎn)子。每個(gè)轉(zhuǎn)子兩端都有減摩軸承支撐，其中陽(yáng)轉(zhuǎn)子通過(guò)噴油在陽(yáng)轉(zhuǎn)子表面形成油膜驅(qū)動(dòng)陰轉(zhuǎn) 子，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的相互嚙合。由于機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中極易受到軸承游隙、轉(zhuǎn)子潤(rùn)滑、氣動(dòng)壓力、轉(zhuǎn)子平行度等因素的影響，造成陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子嚙合不良等現(xiàn)象。陰陽(yáng)轉(zhuǎn) 子嚙合在傳動(dòng)形式上與齒輪傳動(dòng)類似，因此在陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子因故障等原因激起的振動(dòng)特征與齒輪傳動(dòng)一樣。如某臺(tái)螺桿壓縮機(jī)，陽(yáng)轉(zhuǎn)子實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度為6855 rmp，陽(yáng)轉(zhuǎn)子4牙螺紋，理論計(jì)算轉(zhuǎn)子嚙合頻率為457 Hz，與振動(dòng)頻譜圖5中振動(dòng)頻率吻合并伴有諧波。 為了獲得準(zhǔn)確的螺桿嚙合頻率需要得到正確的螺桿轉(zhuǎn)速，這是確定螺桿嚙合頻率的關(guān)鍵。由于螺桿壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)差異，某些螺桿壓縮機(jī)采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng) 陽(yáng)轉(zhuǎn)子，也有電機(jī)經(jīng)增速齒輪帶動(dòng)陽(yáng)轉(zhuǎn)子的情形。在不清楚這兩種結(jié)構(gòu)的差異的情況下往往造成理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)提取的嚙合頻率產(chǎn)生較大誤差，最終無(wú)法得 出正確的診斷結(jié)果。 2.5 故障頻譜特征對(duì)比 經(jīng)過(guò)以上對(duì)軸承故障、螺桿故障、齒輪故障等造成的振動(dòng)頻譜分析，得出每種故障的故障頻率特征。為此，總結(jié)常見(jiàn)故障復(fù)雜振動(dòng)頻譜的特征對(duì)比如表