多列往复式压缩机轴系扭振特性研究
轴系扭转共振严重危害大型往复式压缩机使用寿命。本文讨论了多列长轴系往复式压缩机扭振特性的典型数值分析方法，重点阐述了基于集中质量模型下的无阻尼自由振动特性和强迫振动下扭振响应分析方法，针对性的提出了避免和减缓扭转共振的有效措施，为大型机组轴系扭转振动分析提供了良好的借鉴。
1、前言
曲轴作为往复式压缩机的核心部件，在机组运转过程中承受周期性交变载荷，表现出弯曲、扭转及弯扭耦合等多种振动形式，研究表明，在往复式压缩机各种振动形式中，弯曲固频通常远高于激频，一般不会发生弯曲共振，只有扭转振动可能会出现共振现象。一般情况下，在列数等于或少于4 列时，轴系固有频率远高于激励频率，当轴系固有频率高于10 倍轴速度情况下，轴系发生扭转共振的可能性很低，弯曲振动为轴系振动主要表现形式，传统静力学分析即可满足设计需求。但对于4 列高转速、或6 列及以上长轴系大型往复式压缩机组，轴系固有频率趋近低倍激频，扭转共振风险增大。轴系扭振特性直接影响机组曲轴、主轴瓦、连杆瓦、电机轴等零部件使用寿命，近年来，由轴系扭转振动导致的可靠性和安全性事故时有发生，对用户造成重大经济损失，甚至造成人员伤亡。美国石油化工学会API618 标准规定，供应方应对用于石油、化学和天然气工业的往复式压缩机整个驱动系进行扭转振动分析(皮带驱动机组除外) 。
轴系扭振分析中常见动力学分析方法主要有基于结构动力学的Holzer 法、集中质量法、传递矩阵法、有限元法，基于弹性波传播理论的弹性波传播法，基于复杂系统动力学的动态子结构法、虚拟样机技术。国外往复式压缩机技术理论发展较成熟，往复式压缩机轴系扭振特性分析主要采用集中质量法和传递矩阵法，计算结果与实际测试吻合度较高，具有便捷高效的特点。国内压缩机轴系动力学分析技术发展缓慢，成熟的工程应用案例较少，近年来，随着往复压缩机大型化、多列化发展趋势、机组降噪减振需求和轴系断轴问题的频发，轴系扭振问题凸显，逐渐有学者开始意识到轴系动力学研究的重要意义，如文献中作者采用进口大型转子动力学分析软件分析了高转速直轴系压缩机扭振特性判别敏感性问题，文献中作者通过有限元分析法找到了某6列往复式压缩机连杆瓦连续烧瓦的扭振影响。
本文依托典型多列往复式压缩机实际案例，建立集中质量模型，采用瑞利能量法和振型叠加分别获取轴系无阻尼自由振动特性和轴系在强迫振动下的扭振响应，找到机组故障根源为轴系扭转共振，提出具有实效的针对性减振措施。该方法便捷高效，计算结果准确可靠，对石油、化工等行业用大型往复式压缩机组轴系扭振分析具有广泛的应用价值。
2、多列往复式轴系扭振特性数值分析
2.1、案例介绍
某6 列对称平衡型往复式压缩机轴功率1850kW，由增安型无刷励磁同步电动机驱动，转速333r /min，采用刚性联轴器直联。设备投入运行数月即连续多次发生断轴故障，机组结构与断裂位置见图1 所示。
图1 某6 列机组结构及断裂位置示意
断裂处位于飞轮与电机转子之间的电机轴上，断口与轴心线呈近45°夹角，端面有明显疲劳辉纹，具备典型扭转疲劳特征，图2 为断裂部位外观图。
图2 断裂部位外观图
机组常规静力学分析符合设计要求，但设计环节未对轴系扭转振动特性进行系统分析，依据故障特征引导，本文以下通过对机组全轴系扭振特性进行系统研究，以期获取故障机理，找到最佳解决方案。
2.2、轴系扭振特性数值分析
2.2.1、扭振判别
石油化工工艺流程用往复式压缩机常用标准和规范主要有ISO13707、API618 和GB /T20322，均有明确规定，驱动机—压缩机系统( 包括联轴器和一切传动机构) 的扭转自然频率应避免处于任何运行轴速度的之内，也避免在包括10 倍以内的其它倍数运行轴速度的5%范围之内。
2.2.2、数理模型
机组全轴系结构见图3，可简化为图4 所示集中质量模型，其中，I1 ～ I6为各列运动部件等效转动惯量，I7为飞轮和联轴器部件转动惯量，I8为电机转子部件转动惯量，K1 ～ K7为各集中质量间刚度系数。复杂构件转动惯量可参考实体质量属性值做修正，等效惯量和非线性部件经验系数选取是准确获取无阻尼自由振动下的轴系低阶固有频率的保证。
图3 曲轴———电机转子轴系三维图
图4 轴系集中质量模型
3.2、结论和建议
曲轴轴系结构特点决定了扭转振动存在的必然性，鉴于轴系扭振特性分析对多列大型往复式压缩机组的重要意义，在此提出如下建议：
(1) 在用户引进或制造企业设计阶段须进行轴系扭振特性分析，优化轴系结构和机组扭振敏感参数，预留扭振测试位置，必要时预设减振结构；
(2) 在压缩机轴系改造前须对匹配后轴系进行扭振特性分析；
(3) 对未曾进行扭振特性分析的机组，在机组运行阶段出现噪声振动较大情况时，建议复核机组轴系扭振情况；
(4) 对发生典型扭振破坏故障的机组，须仔细对机组轴系进行扭振分析计算，制定切实可行的减振方案；
(5) 鉴于大型往复式压缩机多为恒转速下运行，扭振测试不便，建议压缩机制造企业在轴系自由端或裸露处预设齿式扭振测量结构。
4、结语
轴系扭振特性分析工作在多列大型往复式压缩机组设计、引进或轴系改造等环节不可或缺； 在大型往复式压缩机组各种振动形式中，须重点关注轴系扭转振动形式的影响； 轴系扭振特性主要考虑一阶扭转固有频率，二阶及以上扭转固频影响微小； 各种强迫振动扭振稳态响应理论计算结果精度均受限于曲轴轴系结构的复杂性，谐响应分析结果以实测结果为最终判定依据。
