双螺杆压缩机常见故障振动频率分析

描述：双螺杆压缩机是海上石油平台的重要设备之一。由于双螺杆压缩机组结构相对复杂，包含轴承、齿轮、螺杆等结构部件，造成机组振动信号中往往包含多种特征频率，对采用振动监测实现双螺杆压缩机故障诊断增加了难度，无...

摘要：双螺杆压缩机是海上石油平台的重要设备之一。由于双螺杆压缩机组结构相对复杂，包含轴承、齿轮、螺杆等结构部件，造成机组振动信号中往往包含多种特征频率，对采用振动监测实现双螺杆压缩机故障诊断增加了难度，无法有效地提取和区分各故障频率。本文总结双螺杆压缩机常见且产生较复杂故障频率的机械故障，分析这些故障的振动频谱，提取频谱中频率特征，最后对比和总结故障频谱特征，进而找出区分每一种故障频率的特征，为振动监测实现双螺杆压缩机的有效诊断提供帮助。

1 前言

双螺杆空气压缩机是海洋石油平台的重要设备之一，主要供仪表设备用气和公共用气等，与平台的其它系统有着密切的联系。在平台高效正常的生产过程中，保证双螺杆压缩机的正常运行已成为日常监测维护的重要工作之一。

双螺杆压缩机具有可靠性高、动平衡强、占地面积小、容积效率高、结构简单等优点。双螺杆压缩机是由相互啮合的阴阳螺杆，在壳体内按一定传动比以相反方向转动，通过减小工作容积对气体进行压缩。

一个完整的双螺杆压缩机组包括原动机（电动机）、传动机构（皮带传动或联轴器）和双螺杆压缩机。这样整个机组就包含轴承、齿轮、螺杆、电机转子甚至皮带等较多易产生振动的部件，因此在机组振动频谱中多夹杂这些部件产生

的正常振动频率或异常频率。由于振动监测是对机械设备进行状态监测和故障诊断最常用的监测方法，因此通过振动监测实现对双螺杆压缩机组的诊断，需要提取和分析常见故障的振动频谱。双螺杆压缩机组的振动测点布置图如图1

所示。根据双螺杆压缩机组的结构及多年的经验总结出压缩机常见且故障频率容易混杂的故障形式包括：轴承故障、电机转子条故障、齿轮故障、螺杆故障等。下面分别对各种故障的振动特征进行分析。

2 常见故障的振动特征

2.1轴承故障

轴承作为易损件，其常见的失效方式包括磨损、疲劳、断裂等。当轴承元件的工作表面出现局部缺陷时，会以一定的通过频率产生一系列的宽带冲击和冲击衰减响应。通过现场的监测总结双螺杆压缩机轴承常见的故障包含轴承早期故障、轴承磨损、轴承严重故障等。轴承早期故障、轴承磨损、轴承严重故障频谱图分别如图2中a、b、c所示。根据以上故障频谱图可以总结此类故障的频谱图特点，如表1所示。

包络分析是诊断轴承早期故障最有效的方法，包络谱中出现轴承故障频率一般为早期轴承故障；如果包络谱和速度谱中出现明显的轴承故障频率及其谐波，那说明该轴承故障程度较为严重，时域波形甚至出现严重冲击，根据幅值大小可判定是否更换轴承。图2c显示加速度包络总值和速度值较高，说明轴承故障严重且需要立刻更换轴承；速度谱中高频部分出现轴承缺陷频率是由于轴承磨损及运行状况较差引起的高频振动。

2.2 电机转子条故障

转子是电机重要的旋转部件之一，较易出现故障。三相异步电动机常有4、6等条转子，科学技术与工程投稿因此电动机振动频谱中常伴有4倍或6倍等工频的转子条频率。但当转子松动时，振动频谱中就会出现以工频谐波为中心的边频带；当转子条断裂时，振动频谱中出现转子条通过频率及其谐波。转子条松动频谱图如图3所示。电机工频为50 Hz，由于电机转子条出现气隙不均或松动，造成频谱图中出现三倍工频150 Hz的波峰并激起其变频带。

2.3 齿轮故障

双螺杆压缩机驱动端一般安装一副增速齿轮或在非驱动端安装传动齿轮，其作用是传输动力并调节螺杆间的间隙及分配。齿轮的振动特性与传动特性有关。由于齿轮轮廓加工工艺、配合、材质等因素影响，齿轮啮合往往伴随着磨损等现

象。无论齿轮处于正常状况还是异常状况，齿轮传动过程中齿轮啮合刚度就会发生变化，齿轮的刚度变化取决于齿轮的重合系数和齿轮类型。而齿轮的刚度变化频率即为齿轮啮合频率，在齿轮正常或异常状态下齿轮的振动水平会发生

变化。齿轮啮合频率计算公式

f = z1=z2 （1）

式中 n1——主动轮转速

n2 ——从动轮转速

z1——主动轮齿数

z2——从动轮齿数

齿轮常见故障包含齿轮磨损、齿轮偏心、齿轮断裂等，其中齿轮磨损最为常见。齿轮故障常引起较高齿轮啮合频率并激起以啮合频率为中心的变频带。除此之外，如齿轮偏心还会造成转子1倍工频的振幅增加等。齿轮啮合不良频谱图如图4所示。电机转速2980转/分，齿轮齿数31，由此可得齿轮啮合频率

为 1539 Hz，由图4可看出与齿轮啮合频率基本一致，幅值稍高并有谐波出现。

2.4 螺杆故障

螺杆是双螺杆压缩机的核心部件之一，又分为阳转子和阴转子。每个转子两端都有减摩轴承支撑，其中阳转子通过喷油在阳转子表面形成油膜驱动阴转子，实现转子的相互啮合。由于机组运行过程中极易受到轴承游隙、转子润滑、气动压力、转子平行度等因素的影响，造成阴阳转子啮合不良等现象。阴阳转子啮合在传动形式上与齿轮传动类似，因此在阴阳转子因故障等原因激起的振动特征与齿轮传动一样。如某台螺杆压缩机，阳转子实际旋转速度为6855 rmp，阳转子4牙螺纹，理论计算转子啮合频率为457 Hz，与振动频谱图5中振动频率吻合并伴有谐波。

为了获得准确的螺杆啮合频率需要得到正确的螺杆转速，这是确定螺杆啮合频率的关键。由于螺杆压缩机结构差异，某些螺杆压缩机采用电机直接驱动阳转子，也有电机经增速齿轮带动阳转子的情形。在不清楚这两种结构的差异的情况下往往造成理论计算结果与实际监测提取的啮合频率产生较大误差，最终无法得出正确的诊断结果。

2.5 故障频谱特征对比

经过以上对轴承故障、螺杆故障、齿轮故障等造成的振动频谱分析，得出每种故障的故障频率特征。为此，总结常见故障复杂振动频谱的特征对比如表2

所示。

3 总结

经过对双螺杆压缩机常见零部件振动频谱的特征分析，总结出各故障频谱的频率特征，对于提取和区分某种故障频率提供了帮助。同时辅以参照螺杆压缩机的振动幅值大小、往常振动大小等多方面因素，可以最终实现对螺杆压缩机的有效监测与诊断。