闵 涛
（辽阳石化分公司聚酯厂，辽宁辽阳 111000）
螺杆压缩机是一种通过阴阳转子啮合来完成气体压缩的设备，通过阴阳转子在装置内部按照一定的传动比例进行两个相反方向的转动，达到减小工作容积的效果，并进一步实现对气体的压缩。凭借其结构简单和工作运行稳定的优势，在聚酯生产以及机械设备加工等众多领域中有着广泛应用[1]。在螺杆压缩机实际运行中，如何实现对其工作运行效果影响因素的分析，是当前相关领域研究人员重点关注的问题[2]。当前，螺杆压缩机常见的故障有轴承结构故障、电机转子条结构故障、齿轮结构故障等，这些问题会在很大程度上影响设备的运行效果。因此，从动力学特性角度进行分析和研究，以期为故障维修提出更符合需要的方案和理论依据。
1.1 实验对象
为了对故障维修过程中动力学特性进行分析，选择某聚酯企业在用螺杆压缩机作为实验研究对象。正常情况下该设备的运行功率为200 kW，排气量3168 m3/h，出口压力0.24 MPa。在运行过程中，螺杆压缩机可以合理分配压力，并降低每次压缩的压缩比，从而避免内部泄漏问题，进而提升压缩机容积效率，同时也能降低压缩机轴承的负荷[3]。当前螺杆压缩机的运行性能得到明显提升，使用寿命已经超过10 000 h，其人性化的结构设计使得操作更加简单，并且更易于故障维修。为实现对其故障维修过程中的动力学特性分析，本文分别从螺杆压缩机齿轮故障角度和螺杆故障角度对其动力学特性进行分析[4]。
1.2 实验材料与设备
为实现对螺杆压缩机故障维修的动力学特性分析，选择对两种故障情况下的故障频谱进行记录，并结合其数值的变化情况进行具体分析。在这一过程中，需要利用振动传感器实现对测量数据的获取和转换[5]。
（1）选择MMA7660FCR1 型号振动传感器作为实验设备，其传输类型为I2C，运行温度-45～75 ℃，电压为2.4～3.6 V，灵敏度为21.33。其安装在螺杆压缩机上，实验过程中采集振动数据。
（2）需要引入CL-YD302 型号电压式力传感器，提取螺杆压缩机运行力学参数。该传感器的灵敏度为4 pC/N，测量范围为100～500 N（线性度和重复度均不大于1%），绝缘电阻为1×103Ω，谐振频率为45 kHz，工作温度-155～200 °C。
1.3 实验方法
在螺杆压缩机上安装齿轮的主要目的是，实现动力传输并合理设置螺杆之间的间隙。压缩机运行过程中，齿轮的振动特性与传动特性有着直接关联。对这两种动力学特性进行分析时，相关数据会受到加工工艺、配合、材料等因素的影响，因此在运行过程中压缩机的齿轮会出现磨损等故障。为此，将压缩机齿轮的啮合频率f 作为重要参考指标。
其中，f、n 和z 分别为齿轮的啮合频率、转动速度、齿数。在故障状态下齿轮的f 会发生改变，通过计算和记录其在压缩机运行过程中的数据及变化情况，可以对压缩机螺杆故障维修过程中的动力学特性进行分析。
通常情况下一台螺杆压缩机中有两种类型的螺杆，一种为阳转子、另一种为阴转子，在两种转子相互配合下驱动压缩机的运行。在实际运行中，压缩机的轴承游隙常常会影响螺杆的状态，导致阳转子与阴转子发生不良啮合现象。这不仅会导致压缩机在运行时出现严重故障，影响其正常使用，还会影响设备使用寿命。因此，在对其动力学特性进行分析时，需要结合数据的变化情况，分析螺杆故障维修过程中的动力学特性。
根据上述实验方法，分别针对螺杆压缩机存在齿轮故障和螺杆故障的情况下啮合不良频谱进行记录。图1 为螺杆压缩机齿轮故障维修状态下的频谱图。
从图1 可以看出，在齿轮故障状态下，螺杆压缩机运行过程中出现了3 个峰值超过2.0 mm/s的波峰，分别在156.23 Hz、725.58 Hz和1862.34 Hz。结合螺杆压缩机运行频率记录，并从频谱当中获取到相关数据信息，将其绘制成表1。
图1 齿轮故障状态下的频谱图
从表1 可以看出，螺杆发生故障时，压缩机阴阳转子刚性体啮合力和阴阳转子柔性体啮合力的变化均符合一定规律，且刚性体啮合力变化幅度更大、柔性体啮合力变化幅度更小。
完成上述实验后，得出在齿轮故障维修状态下和螺杆故障维修状态下螺杆压缩机动力学参数，结合图1 和表1 的数据，对螺杆压缩机的故障维修中动力学特性进行分析。从图1 可知，出现齿轮故障时相应频谱出现了不良情况。已知运行过程中螺杆压缩机的电机转速为2950 r/min，齿轮的齿数为25，则结合公式能够计算得出齿轮啮合的频率。将计算结果与图1 中各个峰值出现时的频率进行对比，可以发现各个啮合频率幅值稍高，且有明显的谐波现象。
表1 螺杆故障维修中螺杆压缩机动力学参数记录
此外，还对螺杆故障维修状态下的压缩机动力学特性进行了分析。表1 中，阴阳转子刚性体啮合力最低值为2453.21 N，最高值为11 253.26 N，而阴阳转子柔性体啮合力的最低值为3165.25 N，最高值为7583.23 N。结合数据变化可以发现，发生螺杆故障时压缩机阳转子的质心位置出现了偏移，且偏移量呈现出先增加后减小的特点，但阴转子质心始终在固定范围内随机波动。螺杆压缩机在实际运行过程中，获取螺杆转速是实现对其啮合频率计算的关键。由于当前螺杆压缩机类型众多，不同类型压缩机的阳转子驱动方式也不同，有的由电机直接驱动，有的依靠增速齿轮带动。因此，为确保故障诊断结果，在确定故障原因时还应结合压缩机的结构对其啮合频率进行分析。
通过对故障维修状态下螺杆压缩机的动力学特征进行分析，得出各种故障的频率特征，综合对比后发现，齿轮出现故障时，会出现齿轮啮合频率及谐波异常问题，并且主要体现在高频区域中；
螺杆出现故障时，螺杆啮合频率及谐波也会出现异常现象，并且异常数值通常为螺杆工频的整数倍。上述实验结论不仅能为螺杆压缩机故障维修提供更有利参考，还能结合动力学频谱特征的变化情况，准确判断故障的位置及类型。
另外，螺杆压缩机的常见故障还有轴承故障、转子条故障等，由于篇幅有限，未对这两种故障的动力学特性进行研究。在后续研究中，应针对这两种故障类型下螺杆压缩机的动力学特性进行深入探究，以促进螺杆压缩机适应性的提升。
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