馬飛
摘要：本人用十余年在機(jī)械方面的經(jīng)歷與一定的基礎(chǔ)理論相結(jié)合，闡述了透平機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)的各種因素和減振措施。
關(guān)鍵詞：振動(dòng)；動(dòng)平衡；垂直膨脹；修正；措施
0 前言
旋轉(zhuǎn)機(jī)械的種類很多，如：發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)、透平壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、水泵、通、鼓風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)等等。此類機(jī)械的主要功能都是由旋轉(zhuǎn)動(dòng)作完成的，只要轉(zhuǎn)子一開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，就不可避免地產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)產(chǎn)生后，會(huì)造成一定的危害：它將使工作性能降低或使機(jī)械根本無(wú)法工作，它使某些零部件因受附加的動(dòng)載荷而加速磨損、疲勞，甚至斷裂。進(jìn)而影響壽命或造成事故；振動(dòng)還將產(chǎn)生噪音而危害人身健康。但是，只要振動(dòng)不過(guò)量，是完全允許的。當(dāng)機(jī)械產(chǎn)生一些不正常的振動(dòng)或振動(dòng)過(guò)大過(guò)量時(shí)，其動(dòng)態(tài)性能劣化，又不符合技術(shù)要求時(shí)，就必須采取措施予以排除，以保證機(jī)械的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。
H700-6.8/0.98空透是6000m3/h制氧機(jī)組配套的母機(jī)，產(chǎn)自開(kāi)封總廠。其高、低速轉(zhuǎn)子均屬剛性轉(zhuǎn)子，剛性轉(zhuǎn)子相比柔性轉(zhuǎn)子，旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性要差。此空透于2003年初安裝完畢試運(yùn)行。初始期間一至四級(jí)軸振動(dòng)顯示均在技術(shù)要求范圍內(nèi)。但三級(jí)的軸振值接近設(shè)定的上限，因當(dāng)時(shí)投產(chǎn)日期緊迫，加之對(duì)振動(dòng)所造成的危害認(rèn)識(shí)尚不深刻。所以，乙方未進(jìn)行處理。以后運(yùn)行的一年中，三級(jí)軸振是逐漸加大的趨勢(shì)，也未引起重視。以至04年2月9日釀成高速轉(zhuǎn)子（3-4級(jí)）葉輪輪盤(pán)根處軸折斷（疲勞）的惡性事故，給公司的正常生產(chǎn)秩序造成嚴(yán)重的影響。
透平壓縮機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的原因是復(fù)雜的，多方面的，有由于工藝操作不當(dāng)引起的，如；發(fā)生喘振等；有由于地基基礎(chǔ)沉降、開(kāi)裂、變形等原因產(chǎn)生基礎(chǔ)振動(dòng)，進(jìn)而聯(lián)鎖機(jī)械引發(fā)振動(dòng)的；有由于與機(jī)械相聯(lián)接的管路，由于設(shè)計(jì)、安裝、支護(hù)不合理，不能消除由于熱脹而影響到透平機(jī)的振動(dòng)；有由于原動(dòng)機(jī)振動(dòng)過(guò)大而誘發(fā)壓縮機(jī)振動(dòng)過(guò)大的。
但最主要的原因，本人認(rèn)為還是由于透平機(jī)本身機(jī)械諸方面的原因引起的。具體到機(jī)械諸因素，情況也是十分復(fù)雜的。判斷的準(zhǔn)確性也是十分困難和棘手的。其相關(guān)的處理減振措施，有的難度也是比較大的。有些誘發(fā)振動(dòng)的原因，僅靠人的經(jīng)驗(yàn)和智力有時(shí)是不能解決的，還要靠精密的檢測(cè)儀器來(lái)完成。
下面，本人就自身的體會(huì)和不成熟的經(jīng)驗(yàn)，淺談一下因機(jī)械原因產(chǎn)生軸振動(dòng)的諸因素及相關(guān)的處理措施。
1 旋轉(zhuǎn)零部件的不平衡
透平離心機(jī)內(nèi)包含著很多作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零部件，如各種傳動(dòng)軸、葉輪、傳動(dòng)齒輪、各種形式的聯(lián)軸器及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等等。這些做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零部件，可統(tǒng)稱為回轉(zhuǎn)體，在理想的狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)和靜止時(shí)，對(duì)軸承或軸產(chǎn)生的壓力是一樣的，這樣的回轉(zhuǎn)體是平衡的回轉(zhuǎn)體。但各種回轉(zhuǎn)體由于內(nèi)部材料組織密度不均勻，或毛坯缺陷（空洞、砂眼），加工及裝配中產(chǎn)生的誤差，甚至在設(shè)計(jì)時(shí)就具有非對(duì)稱性的幾何形狀等多種因素，使的回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)時(shí)，其上每個(gè)微小的質(zhì)點(diǎn)，所產(chǎn)生的離心慣性力不能相互抵消，重心與旋轉(zhuǎn)中心發(fā)生偏移，零部件在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)將產(chǎn)生很大的離心慣性力，兩個(gè)以上的離心力將組成力偶矩，使軸產(chǎn)生扭曲，發(fā)生劇烈的振動(dòng)。
應(yīng)采取的相關(guān)措施：除在設(shè)計(jì)、制造、加工、安裝過(guò)程中力求合理和提高質(zhì)量外，要根據(jù)回轉(zhuǎn)體不同的轉(zhuǎn)速、工作環(huán)境和工作性質(zhì)做不同精度要求的靜、動(dòng)平衡試驗(yàn)。零部件轉(zhuǎn)速愈高，重量越大，直徑越大、長(zhǎng)徑比愈大及機(jī)器工作精度愈高（汽機(jī)轉(zhuǎn)子、多級(jí)透平機(jī)、膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子等）則必須進(jìn)行精確的動(dòng)平衡檢測(cè)，甚至還需要做真空動(dòng)平衡。對(duì)于剛性回轉(zhuǎn)體，當(dāng)轉(zhuǎn)速n＜1800r/min和長(zhǎng)徑比L/D＜0.5，或者轉(zhuǎn)速n＜900r/min時(shí)，只需做靜平衡即可。而當(dāng)轉(zhuǎn)速n＞900r/min和長(zhǎng)徑比L/D＞0.5，或者轉(zhuǎn)速n＞1800r/min時(shí)，則必須進(jìn)行動(dòng)平衡，對(duì)于柔性回轉(zhuǎn)體，必須要進(jìn)行動(dòng)平衡。
2 離心機(jī)與原動(dòng)機(jī)（包括單獨(dú)增速器）徑、軸向同心度偏差而引起的振動(dòng)
透平壓縮機(jī)一般轉(zhuǎn)速很高，平均在20000r/min左右，最高達(dá)到46000r/min。其葉輪直徑越小，轉(zhuǎn)速越高，其次則反之。所以，對(duì)同心度的精度要求是極嚴(yán)格的，其誤差一般不超過(guò)0.02mm,尤其值得注意的是除在安裝檢修過(guò)程中要達(dá)到技術(shù)數(shù)據(jù)要求外，還應(yīng)注意帶有單獨(dú)增速器，按其主、被動(dòng)齒輪的旋轉(zhuǎn)和受力方向，還必須做出相應(yīng)的、正確的同心度修正值。若不作出修正，機(jī)組靜止和旋轉(zhuǎn)時(shí)的同心度，因受負(fù)載影響，要發(fā)生變化的，最后勢(shì)必會(huì)因?yàn)闄C(jī)組對(duì)中精度差引起機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)。
3 由于熱膨脹引起的振動(dòng)
透平壓縮機(jī)正常工作時(shí)，其機(jī)體本身及聯(lián)接的管路溫度是相當(dāng)高的，所以，其熱脹量也是比較大的。而電動(dòng)機(jī)由于工作性質(zhì)和轉(zhuǎn)速的不同，其工作溫度相比透平機(jī)而言是相對(duì)低的，所以其熱脹量也小的多。不同的熱脹量如何使其達(dá)到統(tǒng)一，而使整個(gè)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，不產(chǎn)生額外的振動(dòng)呢？除了在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮這些因素，如設(shè)計(jì)機(jī)座、機(jī)身、堝殼、管路等在熱脹冷縮時(shí)，用以消除這些熱脹因素的滑鍵及槽、膨脹螺栓、管路的伸縮節(jié)等零部件外，在安裝時(shí)，要確保這些零部件的可靠性，以消除這些不利因素的影響。更值得注意的是，在原動(dòng)機(jī)與壓縮機(jī)初次安裝調(diào)整其同心度精度時(shí)，還要根據(jù)安裝時(shí)的環(huán)境溫度，電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)不同的工作溫度，準(zhǔn)確地計(jì)算出其徑向同心度（垂直膨脹）的修正值。這個(gè)垂直膨脹將引起聯(lián)軸器法蘭的位移。這個(gè)位移不能由聯(lián)軸器吸收（軸向的可吸收），因此必須對(duì)整個(gè)機(jī)組的垂直膨脹給予特殊的考慮，來(lái)消除來(lái)自這兩個(gè)熱源的不同的熱膨脹量。如：SVK10-4S氮透機(jī)組垂直膨脹量競(jìng)相差高達(dá)0.80mm,如不進(jìn)行修正，或修正值計(jì)算有誤，即使安裝時(shí)對(duì)中的精度再準(zhǔn)確，也會(huì)因這個(gè)垂直膨脹給予破壞，進(jìn)而使同心度遭到變化，使整個(gè)透平機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)，而不能平穩(wěn)運(yùn)行。
4 由于傳動(dòng)齒輪輪齒嚙合精度達(dá)不到要求而誘發(fā)軸振動(dòng)
這也是由機(jī)械原因引起透平機(jī)振動(dòng)的主因之一。（前面提到H700-6.8/0.98空透三-四級(jí)軸折斷的主因之一），自那次事故發(fā)生后，雖更換了新轉(zhuǎn)子，因齒輪組未更換，三級(jí)的軸振幅值仍在上限運(yùn)行。在2006年更換了該機(jī)組的大、小齒輪組三付。當(dāng)時(shí)雖經(jīng)廠方（開(kāi)封鼓風(fēng)機(jī)廠）人員調(diào)整，但三級(jí)的軸振值并未好轉(zhuǎn)。時(shí)振幅值：（三級(jí)：5點(diǎn)：43µm;6點(diǎn)：44µm）正常值為＜31.0µm.其它六點(diǎn)的振幅正常，對(duì)此，廠方也沒(méi)有采取其它措施進(jìn)行處理。此情況下，若繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)下去，其后果將是嚴(yán)重的。
有關(guān)人員面對(duì)客觀事實(shí)，認(rèn)真分析了振動(dòng)過(guò)大的種種原因，最后得出結(jié)論：主要是傳動(dòng)齒輪高速軸（三—四級(jí)轉(zhuǎn)軸）齒輪與大齒輪（主動(dòng)齒輪）輪齒接觸面積小（僅45%），而設(shè)計(jì)要求：動(dòng)齒面接觸面積要大于60%，如動(dòng)齒面接觸面積不好確定，靜齒面接觸面積大于65%也為合格。無(wú)論動(dòng)，靜齒面接觸都不允許在輪齒的兩端出現(xiàn)。接下來(lái)就是用何種方案來(lái)進(jìn)行處理了。因?yàn)椋齸四級(jí)是同一轉(zhuǎn)軸，是動(dòng)三級(jí)？還是動(dòng)四級(jí)？這是較關(guān)鍵的問(wèn)題，不但涉及的因素多，而且還有一個(gè)難易的問(wèn)題。而且此軸承是可傾瓦（五塊瓦），在一般情況下，是不允許在軸承的內(nèi)孔進(jìn)行修刮的。如修刮軸承內(nèi)孔不但破壞了軸承的型線，還破壞了軸承原有的接觸精度和間隙變大。如此，我們決定在三級(jí)軸承的瓦窩及瓦塊的背面進(jìn)行處理。經(jīng)多次仔細(xì)處理，使動(dòng)齒面的接觸面積達(dá)到85%。經(jīng)開(kāi)車運(yùn)行檢驗(yàn)，三級(jí)的軸振值由原來(lái)的43um,44um,降到了調(diào)整 后的10um,14um,其它六點(diǎn)的振幅也有一定的好轉(zhuǎn)。所以有力的說(shuō)明了傳動(dòng)齒輪輪齒接觸精度的高低也是誘發(fā)機(jī)組振動(dòng)的主因之一。
5 由于轉(zhuǎn)軸軸頸部位沾磁或消磁不徹底，而顯示震動(dòng)值虛假偏高
透平機(jī)的轉(zhuǎn)子是機(jī)組的關(guān)鍵部件，轉(zhuǎn)軸更是關(guān)鍵之最。對(duì)其材質(zhì)加之加工工藝，精度… …均有極嚴(yán)格的要求.其軸徑部位還需常經(jīng)過(guò)精密磨床加工,在加工過(guò)程及后續(xù)工藝中,難免有沾磁及消磁不徹底的現(xiàn)象產(chǎn)生.此現(xiàn)象對(duì)振動(dòng)傳感器影響甚大,使顯示值虛假偏高,從而產(chǎn)生誤判。
5#空分3TYS85+2TYS68氧透機(jī)組中的低壓轉(zhuǎn)子為明顯一例，該機(jī)組自投產(chǎn)之日起，低壓轉(zhuǎn)子的高壓端的兩點(diǎn)顯示，明顯高于其它六個(gè)點(diǎn)的顯示。雖距軸振報(bào)警值還有一定的距離，而且手觸軸承部位感覺(jué)也不明顯，但這個(gè)誤顯，在未弄 清事實(shí)之前，始終是有關(guān)人員的一塊心病。雖經(jīng)儀控，機(jī)械系統(tǒng)多次查找都未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。我們還請(qǐng)來(lái)了杭氧廠家來(lái)做現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試也沒(méi)有明顯答案。后又與安裝單位配合，仔細(xì)查找癥結(jié)所在，經(jīng)反復(fù)大量的調(diào)查，對(duì)換，比對(duì)，終于發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題。若將傳感器固定在距原測(cè)點(diǎn)一定距離時(shí)（150mm左右）軸振顯示與其它六個(gè)點(diǎn)顯示基本一致。由此雙方認(rèn)定原測(cè)點(diǎn)部位沾磁，在出廠時(shí)消磁不徹底，對(duì)傳感器進(jìn)行干擾，進(jìn)而引發(fā)了虛假的軸振數(shù)值顯示。自那以后，低壓轉(zhuǎn)子高壓端的兩點(diǎn)顯示一直穩(wěn)定無(wú)變化。這樣的例子很少見(jiàn)，沒(méi)有耐心，細(xì)致，認(rèn)真的態(tài)度是很難發(fā)現(xiàn)的。
6 由機(jī)械原因引起振動(dòng)過(guò)大的其它因素
除上述五點(diǎn)外，諸如聯(lián)軸器的動(dòng)平衡精度低；齒輪聯(lián)軸器輪齒齒形遭破壞；聯(lián)軸器內(nèi)油量不足或過(guò)多；油膜振蕩；軸承背過(guò)盈不夠；軸承接觸面積，角度及間隙不合要求；潤(rùn)滑油溫過(guò)高，油壓過(guò)低；葉輪與軸配合松動(dòng)出現(xiàn)裂紋等物理現(xiàn)象諸因素。都是引起機(jī)械振動(dòng)過(guò)大的原因。我們要根據(jù)不同的振動(dòng)因素，盡量準(zhǔn)確的作出判斷。有的放矢的采取有效地措施消除或減少振動(dòng)。
綜上所述，透平壓縮機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)過(guò)大過(guò)量的諸多因素，還有待我們進(jìn)行更深入的探討和研究。吸取教訓(xùn)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷地完善和提高，是我們大家共同努力的方向。