原料气压缩机轴系扭转振动测试与分析

臧志宾，隋国亮，李 辉

(沈阳远大压缩机有限公司，辽宁 沈阳 110027)

1 引言

在石油、化工行业中，往复压缩机是其中重要的设备之一，机组能够稳定运行对于整个工艺过程有重要的意义。往复压缩机通过驱动机带动曲轴旋转，曲轴、连杆和十字头组成曲柄滑块机构，通过该机构把曲轴的旋转运动转换为活塞的往复运动。曲轴、飞轮、联轴器和驱动机转子组成往复压缩机轴系。压缩机开机后，活塞承受的气体力和惯性力通过曲柄滑块机构传递给曲轴，作为轴系扭转振动的激振力。在设计过程中，设计者会充分评估轴系扭转固有频率和激振力之间的分离裕度以及轴系在激振力下受迫振动的时响应。工程上，通常把轴系简化为多质量的等效系统来计算扭转振动。[1-2]

轴系中电机磁极、转子支架等件形状复杂，飞轮通常为铸造件，这些零部件的转动惯量实际值和设计值之间会存在一些偏差。再加上材料弹性模量理论值和实际值的偏差以及实际运行时压力和温度的轻微偏离，会造成轴系实际固有频率及响应与理论计算值之间存在偏差。本项目通过现场测试扭振来检验设计结果及偏差大小，为今后该机型的扭振分析提供一定的借鉴。

2 压缩机现场测试

某现场原料气压缩机，因为该机型已经出厂运行的产品比较少，且为6列压缩机，轴系较长，固有频率相对较低，为检验扭振计算和输入数据的准确性及获得更多机组运行数据，为今后分析计算提供借鉴，在工艺气环境下，额定负荷工况，对其扭振特性进行测试。

2.1 压缩机参数

该压缩机共6列，三级，双作用，由同步电机驱动。其主要参数见表1。

表1 压缩机主要参数

2.2 测试过程

测试传感器采用电阻应变片，电路原理为双臂全桥，以消除或减小接线电阻和接触电阻对测量结果的影响，增加测试精度。由于扭矩变化引发应变片阻值变化。变化的电阻值使输出电压发生变化，实时变化的电压信号对应实时变化的扭矩，电信号通过随轴转动的无线节点传递给信号采集器，记录在存储介质中。动态扭矩通过后处理得到频域结果，频域结果能够直观反映出轴系的扭振特性，从而检验压缩机轴系的扭振特性和扭转计算预测值的符合程度。本项目选择1000 Hz作为采样频率[3]。根据前期扭振计算的一阶扭转阵型，结合现场实际能粘贴传感器的位置，确定出比较适合测点位置在电机轴伸端(靠近电机法兰的光轴上)。拆掉飞轮外面的安全罩后，去除测点位置上的铁锈，清洁附近表面，粘贴好应变片，确保应变片和轴表面能贴合紧密。应变片粘贴好后，先对测试系统进行调试，以确保在操作过程中没有损坏应变片，测到的数据是有效的。压缩机在开机前需要先盘车，以检查机械结构运转是否正常。在盘车过程中传感器采集扭矩数据，观察扭矩数据是否稳定，如果没有以常，盘车后正常开机，测试电机轴伸位置从启动、加载、卸载至停机整个过程中的扭矩变化。

3 测试结果

测试得到的动态扭矩时域图，如图1、2。对测得的时域扭矩数据进行快速傅里叶变换(FFT)，可以得到轴系响应的频域特性。本文选取停机过程中的部分数据加汉宁窗进行快速傅里叶变换[4]，得到系统的频域特性，如图3。在40.62 Hz(图中尖峰1处)附近，轴系响应扭矩明显增大，由此推断：轴系的一阶扭转固有频率为40.62 Hz。本压缩机在设计过程中进行了扭振分析，得到的一阶临界转速和模态阵型，见图4。一阶临界转速为2456.4循环/min(cpm)，对于往复式压缩机，气体压力变化的一个周期为曲轴旋转一周的时间，所以一阶固有频率计算值为40.94 Hz(2456.4 cpm=2456.4 r/min=40.94 Hz)，与测试值对比，误差为0.78%。

图1 测试点空负荷-加载-停机过程动态扭矩图

图2 测试点停机过程动态扭矩图

图3 系统一阶固有频率

图4 一阶固有频率和模态阵型

根据API618《石油、化学和气体工业设施用往复压缩机API618标准》第5版，第6.7节：扭转固有频率不应在任何运行轴转速的10%之内，也不应在10倍以下包括10倍的回转系统中运行轴转速任何倍数的5%之内。对于电机驱动的压缩机，扭转固有频率应避开电源频率的第一和第二倍数相应的10%和5%。本原料气压缩机转速为333 r/min，压缩机基频为333/60=5.55 Hz，测试得到的一阶固有频率为40.62 Hz，在7倍转速±5%(36.91～40.79 Hz)范围内，因此需要对应力进行校核，以评估共振是否对系统无害。对100%负荷时的动态扭矩分解可知7倍转速上产生的响应扭矩非常小，如图5。用测试得到的稳定运行时测点最大扭矩和最小扭矩计算出平均扭矩和交变扭矩，结合轴的直径和材料特性，计算出最大应力、平均应力和交变应力，对轴系进行静强度和疲劳强度校核后得知：轴系的安全系数满足设计要求，现有配置不需要进行任何调整。

图5 测试点稳定运行时FFT变换结果

4 结论

扭振系统由电机轴、飞轮、压缩机轴及随轴转动的一切零部件构成的。任何零件的外形尺寸，材料密度、刚度的误差，计算方法误差都会影响一阶固有频率和受迫振动分析结果。由于零部件较多，且不同位置由不同厂家负责，现场实际产品和理论计算必然存在误差，要得到精确的扭振特性，现场测试是最直接、有效的办法。

通过使用无线扭矩测试系统，对该原料气压缩机进行现场测试，得到轴系的动态响应扭矩，对其后处理获得系统的频域特性，从系统的频率特性能够得出轴系的一阶扭转固有频率。把测试结果和计算结果对比，可以得到计算误差。在后续工作中，积累测试数据后，可以根据测试结果对计算模型进行修正，对于为同类型轴系设计提供参考、增加准确性，具有一定的指导意义。