制氧厂空气压缩机结构振动特性分析研究

池立军， 姜 超

（唐山唐钢气体有限公司， 河北 唐山 063000）

0 引言

工业生产中压缩空气已经得到广泛应用，其作为环保、清洁的能源在各个领域得到应用[1-2]。空气压缩机作为提供动力的核心装置，运行过程中会产生巨大的能量损耗，尤其是冶金领域，其能耗占企业总能耗较大数额[3-4]。空气压缩机在运行时所产生的振动会造成零部件使用寿命缩短，同时空气压缩机由于振动而产生的噪声也会对设备造成机械损伤并对附近工作人员噪声身体损伤[5-6]，因此对空气压缩机结构振动特性进行分析具有十分重要的现实意义[7-8]。本文以某制氧厂使用的空气压缩机为研究对象，分析其结构振动特性，应用多种激励并结合边界条件进行仿真，分析结果之间的差异性，最后阐明空气压缩机在冶炼厂的实际应用。

1 空气压缩机动力学模型建模

某制氧厂使用的空气压缩机为二级往复式空气压缩机，该空气压缩机额定压力为3 MPa，额定排气量为60 m3/h。活塞顶部以上的空间为低压气缸，活塞过渡锥面以下的空间为高压气缸，如图1 所示为空气压缩机机体结构示意图。空气压缩机运行时，活塞往复运动使得外界的空气可以由进气口进入低压气缸，上行的活塞对低压气缸的空气进行压缩排入活塞过渡锥面以下的高压气缸，当活塞下行时对其他进行二次压缩并将其排出，与此同时外界空气继续由进气口进入低压气缸，重复后续的压缩工作。

图1 空气压缩机机体结构

通过对空气压缩机模型进行简化，得到的模型包含1 个活塞、1 个连杆、1 个电机、1 个转子、1 个曲轴、2 个基座、2 个轴承。通过仿真软件ADAMS 对模型进行仿真，建立各部件之间的约束关系，将刚性曲轴和连杆替换为柔性体，得到精确度更好的曲柄连杆机构刚柔耦合模型[9-10]。

为了分析空气压缩机影响结构振动的激励，假设空气压缩机在工作过程中无气体脉动和压力损失，气体热力过程视为理想多变过程。如图2 所示为空气压缩机自由端轴承激励力曲线示意图，可以看出，刚柔耦合多动力学模型建立合理，计算出的曲线符合实际。

图2 空气压缩机自由端轴承激励力曲线

2 空气压缩机结构振动响应分析

为了进一步分析空气压缩机结构振动特性，基于空气压缩机动力学模型，对其机体有限元进行建模并施加边界条件[11-12]。位移边界条件为空气压缩机机体使用梁单元模拟螺栓并固定在基座，基座实施固定约束；力边界条件主要考虑活塞侧推力、轴承力和气体力。活塞侧推力指的是高压和低压气缸内壁所受的力，活塞推测力的位置和作用面积随着活塞的往复运动等而不断变化，为了方便分析和计算，通常将活塞运动时低压气缸和高压气缸内壁所承受的推测力忽略。轴承力分为径向水平载荷和径向垂直载荷，并加载到轴承的内表面。气体力的加载是以压力的形式加载到气缸工作面表面，其中空气压缩机的气缸分为高压气缸和低压气缸，高压气缸工作面为气缸套中部的过渡锥面，低压气缸工作面为气缸的下表面。

如图3 所示为空气压缩机振动加速度级频谱分析，可以看出在频域上通用、等时间和等行程三种仿真特征频率都为空气压缩机工作的基频和倍频，其中等行程分段方式在500～600 Hz 之间会出现较大的振动，同时在800～900 Hz 之间会出现较大峰值，而其他两种方式较为平缓。

图3 空气压缩机振动加速度级频谱分析

如图4 所示为空气压缩机振动加速度级低频部分的频谱对比，可以看出通用方式和等时间方式运行时低频相应较差，而等行程方式在低频部分的特征频率与实测结果具有较高的吻合度，这说明分段仿真可以更好地反映空气压缩机低频振动特性。但在130 Hz 附近振动加速度级误差明显，这是由于等活塞行程分段仿真方式导致空气压缩机产生共振，进而造成了误差。

图4 空气压缩机振动加速度级低频部分的频谱对比

以上分析可以看出，等活塞行程分段仿真在一些特定频率处存在误差，这是由于空气压缩机在简化模型时仅保留了机体部分，与实际稍有差异；空气压缩机承受的活塞侧推力和气体力处理过程后分段数较少也会导致仿真结果存在误差。此外，由于空气压缩机机械老化等原因，在实测时也会存在误差。可以看出，仿真和实测都会存在偏差，但仿真和实测的结果幅值以及变化规律曲线趋势基本保持一致，这说明模型建立正确，可以有效反映空气压缩机的工作特性。为了更清晰地表明空气压缩机机体振动特性，选择等活塞行程分段的仿真数据结果，如图5 所示为空气压缩机机体振动加速度云图。当活塞位于上止点时，低压气缸为压缩状态，这就使得气缸盖承受气体力而振动明显。随着活塞往下止点运动，高压气缸逐渐变为压缩状态，同时高压气缸工作面在气缸套的中间位置，因此气缸套会受到气体力的冲击而产生强烈振动，这与空气压缩机的受力规律相吻合。

图5 空气压缩机机体振动加速度（mm/s2）云图

低压气缸和高压气缸内运动的活塞会受到较大的气体力并对空气压缩机造成较大冲击并造成振动。

3 空气压缩机在制氧厂的实际应用

3.1 应用效果分析

空气压缩机发生振动会导致噪声并影响其寿命和运行，基于以上空气压缩机结构振动特性分析，以某制氧厂使用的空气压缩机为对象进行优化。将空气压缩机的活塞运行速度降低并将其进行微小位移，使得往复惯性力在活塞往复运动过程中得到优化，降低工作过程中的惯性力矩。优化后空气压缩机在垂直方向上的加速度由最初1.75 m/s2下降为0.85 m/s2，振动噪声可以下降51.43%，空气压缩机振动得到了极大改善，提高空气压缩机工作稳定性。

3.2 经济性分析

对某制氧厂使用的空气压缩机能耗测量以综合分析空气压缩机经振动优化后的能耗和运行费用。通过测试可以得到单台空气压缩机的产气量提高了39.6 m3/min，同时功率下降了50 kW 左右。按照该制氧厂空气压缩机运行一个月进行计算，单台空气压缩机每月可以节约电量约1.530 万kW·h，若该制氧厂所属地工业电价平均为0.72 元/kW·h 计算，每月可以节约电量费用约为1.1 万元的成本。

4 结论

1）对空气压缩机动力学模型进行建模，对空气压缩机施加激励并分析激励下空气压缩机激励特征，验证动力学模型建立合理，计算出的曲线符合实际。

2）基于空气压缩机动力学模型，对其机体有限元进行建模并施加边界条件，对空气压缩机结构振动响应进行分析。

3）通过应用效果分析和经济性分析，通过空气压缩机振动优化后单台产气量提高了39.6 m3/min，功率下降了50 kW，每月可以节约1.1 万元的成本。