压缩机转子动力特性及常见振动原因解析

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中国设备工程 2019.06 （上）压缩机转子与振动情况是影响设备运行性能与效率的重

要关键因素，本文将通过对压缩机转子的结构特点和基本原理分析，对其运动特性进行详细的解析，同时对压缩机上常见的振动问题及原因进行系统的剖析分解。1 转子系统特性

转子系统是一种连接轴承与支座组成的旋转部件系统，是旋转机械中的主要工作部件。转子系统的运动特性是一个复杂的系统，转子运转常伴有相关系列振动，给设备带来噪声，甚至严重的元件损坏和转子失稳等害处，极大地影响了设备的工作效率和使用寿命。见图1。

图1 转子简图

2 转子动力特性解析2.1 轴承动态运动特性

本文以径向轴承为依据，其理想模型状态工作状况为：轴承的中心为一条静态稳定线上浮，在油膜产生的合力作用下达到载荷稳定时，轴颈的中心便达到静态稳定线的某一点和稳定。而当轴承的工作角度因为工作关系工作角度不断地增大，轴承的表面与轴颈之间形成的收敛卷吸作用不断地加大，导致转子不断地被抬起。在常规的工作状态下，转子的工作状态不断受到外界的扰动影响，轴承不仅受油膜的静态油膜托起力，还会因外界的移动和速度等因素扰动产生附加的动态油膜力，所以转子是在静态油膜力与动态油膜力共同作用下工作的非定工作状态。轴承的非定动态方程为公式（1）。

（1）

式中：r 为轴承轴颈的半径，mm；φ为油膜的厚度，mm；p 为油膜压力值，MPa；u 为油的动力黏度值，Ns/mm ²；ω为转子角速度。2.2 轴承系统的稳定特性

轴承的稳定特性，即压缩机处于静态的一种稳定或者动态的一种稳定，静态稳定即转子的外径与长度的比值大于或者等于5时，转子系统此时无论是工作转动速度快还是慢，

压缩机转子动力特性及常见振动原因解析

官文超 

（沈阳鼓风机集团股份有限公司研究院，辽宁 沈阳 110869）

摘要：压缩机是工业原料生产重要的生产设备之一，其广泛使用在化工、能源、机械等行业。而压缩机的转子动力特性与振动情况将直接影响设备的整体性能和运行效率。本文对压缩机转子动力特性、振动情况等进行了分析研究。

关键词：压缩机；转子；动力特性；振动

中图分类号：U664 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2019）06（上）-0109-02

系统只须静态稳定。动态稳定是指转子的长度大于半径时，系统转子工作转动速度大于1000时，此时进行动态稳定。当轴承系统处于稳定状态时，就可以避免一系列的设备振动现象。当系统出现非稳定性振动的时候，转子与转轴之间的力学便出现破坏，设备便会出现一些破坏性的振动现象。2.3 转子系统运动平衡特性

转子的振动一般对设备是有害的，但是却无法杜绝这一现象，怎样平衡转子系统的运转振动，使其系统达到一个平衡的高性能状态。其实只要将转子的振动设定在一定范围内，达到一定的转动与振动平衡状态，就可消除危害性的振动现象。所谓的转子振动平衡即是将转子振动频率限制在转速的1/10，即可达到转子振动平衡状态。而主要的处理手段是将转子的外径与长度比值降低来达到转子振动平衡状态。2.4 齿轮传动系统特性

研究表明，齿轮系统的耦合传动振动特性模型与设备的

固定频率、稳定性能与弯曲、扭转振动模型有着很大的区别。建立相关斜齿传动模型的分析模型，分析得出斜齿传动系统振动不仅存在扭曲振动、轴向振动、弯曲振动常规的振动，还存在动态合力产生的扭摆动。齿轮空间存在6个自由度，整个系统存在12个自由度，轮齿的重合度为整数，整个啮合过程中呈现出一个周期性的变化，且同时有部分的轮齿出现变形现象。斜齿系统的啮合开始于轮齿的一端，然后慢慢扩展到整个齿面，最后从轮齿一端退出啮合的过程，此时的轮齿整体性刚度有局部变化，但是较直齿刚度阶跃性的变动，斜齿只是一小部分的微小波动，如图2为斜齿轮与振动稳定关系图。综上述分析可知，轮齿的刚度影响有轮齿的齿形（齿高和齿厚等）、轮齿材料、轮齿的重合度、旋转角度、轮齿啮合误差等因素。3 转子振动原因及分析3.1 压缩机转子振动原理

压缩机主要通过转子的高速转动产生离心力使其具备压缩功能，出现振动的主要机理是转子振动频率与设备自身振动频率相接近，导致共振现象，继而出现振动现象。如转子与转轴的契合不严密时，还可能引起其他的振动效应。3.2 压缩机机组稳定性引起的振动

机组如出现失稳即可出现转子的不平衡振动，引起的主要原因是压缩机内部的零件契合度不达标，如转子与转轴的契合度不够造成的机组失稳，以及离心机基座之间的连接紧

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研究与探索Research and Exploration ·监测与诊断

中国设备工程 2019.06 (上)

密情况不好，都可能造成机组的失稳。而造成机组的失稳还有设备的固有振动，引起该失稳的主要原因是，在设备转子生产时虽然已经进行了动态平衡处理，但是在组装后的系统运行中不可避免地出现固有的一些不平衡，影响他的直接因素有操作温度、压力、载荷以及设计流量等因素，但是这种不平衡不会随着时间而进行改变。3.3 转子运动离心力不均衡引起的振动

转子加工和使用过程会导致转子运动的离心力不均衡。转子加工导致的离心力不均衡主要是由加工材料及生产工艺引起，因为材料特性或者工艺生产的限制导致转子结构密度的不均匀性，导致转子后期运行的离心力不均匀性。使用过程造成的离心力不均衡体现在设备长期使用后，因为外界的腐蚀和磨损，最后导致转子出现锈蚀或者部分残缺，导致转子结构平衡性破坏，如图3为偏心离心力矢量图。因为旋转矢量的不平衡导致转子离心力的大小、方向出现偏差，从而导致出现不规则的振动，这是一种极具有破坏

效果的振动。

图3 偏心离心力矢量图3.4 转子变形引起的振动

转子变形主要体现在转子出现弯曲，一种为临时的转子

弯曲，一种为永久性的转子弯曲。见表1。3.5 突变型失速引起的振动

突变型失速振动主要体现在压缩机内部，主要由气流与压力引起。内部气流流量减弱时，压缩机内部的流量被气体漩涡替换，导致出口压力急剧减弱，当压缩机具有大的容量时，管网的压力不会立即下降，但会出现气体倒流向压缩机内部，当官网压力减弱到与压缩机出口的压力值一样时，气体停止倒流，压缩机又继续恢复到原来的压力，周而复始，掉压后恢复压力，出现流量与压力的冲突，致使机组产生振动。其主要原因是气体流量减小，压缩机进口气体温度较高、

管网的压力过大，压缩机转子转速降低，导致压缩机进气压力较弱等现象。4 一般解决方案对策

当设备出现上述振动现象时，及时、正确、科学的处理措施不但是保证工业生产周期的及时性，还直接关系到设备的使用寿命问题。

固定保养维护。压缩机一般用于工业原料的处理加工，所处的环境与工况较为复杂恶劣，外界恶劣的介质通过时会直接破坏设备的动、静元件，特别是压缩机的核心元件转子，一旦转子被腐蚀破坏将直接导致设备出现故障性振动，导致压缩机使用寿命的下降。定期对设备的动、静元件进行防腐处理、清理污垢，及时为各个运动部件润滑，可以保证设备的正常运行，还可以提高设备的使用寿命。

提高设备零部件加工工艺。压缩机核心零部件的加工直接影响设备的使用性能与寿命。在加工压缩机的核心零部件时，如压缩机的转子零件，应当在材料的选择上做好把关，材料不得有气孔等缺陷，同时选择质量较高的材料，如材料厚薄一致、不易磨损、质量分布均匀等。

及时更换部件。压缩机是一种长期处在高强度载荷工况下的运行设备，各个零部件的磨损速度较快，特别是转子的核心零件，转子因为长期处在高速旋转运行环境下，长期与空气摩擦等极容易出现锈蚀、结痂以及变形弯曲等磨损，不及时进行更换会导致机组失稳。所以，及时更换磨损的零件可以减小设备故障性振动，减小设备的故障发生概率，从而保证设备的正常运行。5 结语

本文从压缩机转子的结构特征以及运动动力特性进行了详细的分析，并对常见的振动原因和特性进行了系统阐述。

压缩机的转子动力特性与其振动涉及的因素较多，涉及的是一个整体式的耦合体系，各个环节相互关联影响，并非独立分割，所以该系列的转子系统动力学设计应当进行充分整合，同时对转子的动力特性和振动现象研究分析还应该不断加大投入，才能杜绝出现异常的振动故障，从而影响生产，造成不必要的经济损失。

参考文献：

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2010.03.

图2 斜齿轮与振动稳定关系图

表1

临时弯曲永久性的弯曲

产生原因转子在与静子元件产生局部的摩擦

接触，因摩擦产生的热导致转子出现

临时性的弯曲变形

转子因为自身重量、外力、零部件的

松动导致的转子临时性弯曲变形

生产加工过程中

造成，在加工生

产时转子表面处

理不均匀

主要表现

特征

转子的振动频率与相位产生一定的变化，振动的较弱消失可能会随着载荷的增加而减弱消失运行时出现动力

特征不相同，便

出现不规则振动