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空压机组共振故障的诊断
首钢总公司设备部 官能春 李永生
  2007年05月13日

摘要:通过对制氧空压机组振动故障的诊断实践,得出机组共振故障的一般特征。这些结论,对诊断旋转设备的共振故障具有重要的借鉴意义。
关键词:空压机组;共振;故障诊断
中图分类号:TH45  文献标识码:B
 
    我公司 1.6万 m3制氧机组是引进法国上世纪60年代生产的二手设备,1992年建成投产。其中空压机组除当年投产试车时出现过振动故障外,运行尚属稳定。2003年11月,该机组由于主电机转子极包烧损,更换了主电机。在联体试车时,电机出现强烈振动,不能运行。为此,我们对该机组进行了振动监测和诊断分析。本文介绍此次机组故障诊断和治理的实践过程和经验。
    一、机组结构和测点布置
    1.机组结构和参数
    机组的结构如图1所示。电机通过齿轮驱动四级H型空压机。电机为同步电机,功率7650kw,转速1500r/min。压缩机风量93000m3/h,I、Ⅱ级转速4203r/min,皿、IV级转速617lr/min。
    2.测点布置
    测点分布在各轴承座处,如图1所示。水平。垂直和轴向分别记为H、V、A。
    二、故障分析
    1.故障现象描述
    振动监测发现电机振动具有以下一些特征。
   (1)电机单体试车时,振动状况良好,测点①、②振动值不大,均在20μm以下。但当电机和压缩机联体试车时,压缩机振动状况良好,各轴承座处振动均在20μm左右,而电机振动却非常剧烈。其中,2003年12月13日,用手持表测得联体试车时测点①的H、V和A向振动值分别为66μm、190μm和77μm。
    (2)如果在较短时间内脱开联轴器空转电机,则电机不能恢复到单体试车时的正常状态。例如,测点①V的振动速度值在电机单体试车时不到Imm/s,经联体试车后,再空转电机,则增加到14.lmm/s。
    (3)电机同一测点处三个方向上的振动值相差明显,以垂直方向为最大。
    2.故障诊断分析
   (1)这次对电机振动故障的诊断,开始走了一些弯路。最初对电机进行振动频谱分析时发现,谱图中一倍频分量十分突出,即电机工频分量占主导。按常理,此时应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,该电机两个测点水平方向的振动值很小,不符合不平衡故障的一般特征。并且,电机在断电瞬间振动值立刻显著降低,表明振动与电气因素有关。根据以上分析,判断电机振动故障是由电气方面的因素引起的。经过对电机电气参数重新检查和调整,振动故障依然存在,证明上述诊断结论是错误的。
    从后来对电机进行升速曲线分析得知,造成误判的主要原因,是由于将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,由于该电机的工作转速和其升速曲线上出现振动峰值时的转速过于接近,则断电后,电机的转速会很快远离振动峰值处的转速,从而其振动值立刻显著降低,如图2所示。如果不借助专门仪器,仅凭人的感觉,则这一现象易被当作电机的断电效应,以致带来错误的诊断结论。
    (2)在经过重新调整磁力中心、更换电机轴承、调整电机轴瓦间隙和紧力、电机转子重新全速动平衡等,乃至联轴器上的联接螺栓按重量对称安装等一系列检查和调整后,电机振动故障仍不能排除。由此推断,电机的振动故障可能是基础问题引起的机组共振。
    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2min的监测时间内,测点①V的振动位移值从开始的150μm,很快增大到300μm,进而达到600μm。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,振动值的增长不会如此迅速。只有发生自激振动,如油膜振荡或强制振动引起的共振时,其振动值才会如此迅速增长。
    在试车过程中,电机振动值对油温的变化并不敏感,没有迹象表明该振动故障是由轴承油膜振荡引起的。
    但关于基础问题引起的机组共振的结论,在很长一段时间内没有形成统一意见,特别是基础经一次加固处理后电机振动仍然没有消除(后来的事实证明,主要是因为处理措施不够彻底),更加深了一部分人对这一诊断结论的怀疑。
   (3)单就电机而言,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。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。这样,整个机组系统的固有频率发生了变化。因此不难理解,为什么电机单体试车时正常,而和压缩机联体试车时出现强烈共振了。
    上述判断也可从对基础进行加固处理后测量到的结果得到印证。该机组的基础为一整体框架结构,由若干“日”字形的梁和六根立柱构成。电机和压缩机分别安装在基础两端。在处理电机振动故障过程中,对基础共进行了两次加固处理。第一次,对电机侧与电机轴垂直的两根纵梁加固,并对压缩机侧两根横梁上的裂纹做了灌胶和表面粘接碳纤维处理。处理后,电机单体试车时,其振动较基础未作处理前更好,其中①H、①V、①A分别为4μm、3μm、6μm。联体试车时,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/min至 1470r/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,基础加固后,系统的振动特性发生了改变。因此,对基础进行处理的方向是正确的。第二次加固处理后的电机升速曲线更进一步表明,机组的振动特性得到了明显改善。
    三、故障处理
    基础的第二次加固处理是将压缩机测基础出现裂纹的横梁和立柱之间用混凝土浇筑成一体,同时对电机侧的立柱之间用角钢加固。联体试车时,电机前后轴承座处的振动均降到60μm以下,电机振动故障得以消除,机组恢复了正常运行。
    四、结论
通过这次对制氧空压机组振动故障的诊断实践,可以总结出机组共振所具有的一般特征:(1)振动频谱图上强制外力的振动频率分量十分突出;(2)机组发生共振时,其振动幅值具有不稳定性;(3)当机组共振时,其振动通常表现出很强的单向性。
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