案例分享：压缩机转子不平衡和松动

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一台五级高压离心压缩机在9000~9600RPM的转速下成功运行了20多年，压缩机用于制冷服务，在整个运行历史中，它遇到的机械问题很少。计划大修期间，机组被拆开进行机械检查，并安装了备用转子。在过去的4年里一直在运行的转子被送到车间进行常规的装配跳动，外径以及叶轮相对于推力环轴向位置的测量。在这些转子测量结束后，一个过分热心的车间主管要求将叠加转子拆卸，这时，他们开始进行裸轴的不圆度测量、键槽检查，以及测取叶轮、推力盘和平衡鼓上的孔尺寸。

转子检查工作及时进行，大修完成后，压缩机带着备用转子重新启动。在大约3000RPM转速下，压缩机吸入了某种异物，完全破坏了第一级叶轮。机组没有配备自动停车，压缩机在严重损坏的情况下运行了几分钟。随后的检查显示，吸入端轴颈轴承损坏，轴被严重划伤。在这时，唯一的选项是打开机壳，拉出备用转子，重新安装另一个具有现有最好的轴承和密封的转子。不幸的是，另一个转子散落在整个车间，负责任的车间主管非常尴尬。

实际上，在所有运行的工厂切换过程中转子从机器上拆卸下来，直到工厂已经运行了一个星期或更长时间才允许拆卸。在这个例子中，车间主管操之过急，下令拆卸压缩机转子，危及了工厂的启动。选择是有限的，唯一要做的就是重新组装旧转子，在车间的平衡机上做一个快速的检查，然后把这个转子塞回压缩机里。这给车间的工作人员带来了很大的压力，他们忽略了转子组装的基本原则：要么做好，要么重做。他们急匆匆地完成了这项工作，尽管叠加的转子残余的不平衡不同于进来时的检查报告，他们还是继续把旧的转子重新装回了压缩机壳体。在随后的启动过程中，压缩机从低速滚动到最小调速器转速呈现出波动的振幅。随着机组继续运行，温度开始稳定，径向轴振动的波动趋于增加，然后稳定于干净光滑的轴心轨迹。随着时间的推移，高振动周期的严重性增加，低振动状态也恶化。图1显示了机组连锁之前轴振动绘图。

图1 轴位移轨迹和波形，中间压缩机叶轮不平衡和松动

注意时域图呈现的经典幅值调制特征，加上轴心轨迹的径向脉动。实际上，轴心轨迹的振幅从最小1.0扩大到最大5.4mil-PP，多个键相点显示在轨迹上，表明存在一个正进动圆形次同步振动成分。对1X同步振动的检查表明一个正进动，振幅在1.0到2.5 mil-PP之间变化。

压缩机驱动侧和非驱动侧轴承都显示出相似的特性，压缩机的吸气端、推力端略低于排气端轴承。这种高振动状态在压缩机两端出现和消失是一致的，即使是在这台机器上工作多年的经验丰富的工人也认为，当地板格栅开始从保持槽中弹出时，一定是出了问题。振动数据被记录下来，机组最终被关闭，以减少对唯一可用的压缩机转子组件的进一步损害。

图2 垂直轴位移频谱图，压缩机中间转子不平衡和松动

机组安全停机后，更详细地分析了记录的振动数据。例如，图2中的谱图记录了垂直涡流探头在与图1所示轴心轨迹和波形相同的时间内所测到的频率特征。两个主要的频率分量是1X振动9420RPM和2.4mils-PP，加上一个更大的分量，8940CPM和3.1mils-PP。这两个主要分量之间的差值提供了480CPM(=9420-8940)的较低边带，两个主要分量的和得到一个18360CPM的上边带(=9420+8940)。根据幅值调制所列的定义，可以合理地得出这样的结论：观察到的行为是一个明确定义的调幅。

由于它是一个运行速度分量与在大约95%的运行速度下较大的分量之间存在的幅值调制交互作用，所以将转子视为罪魁祸首是合理的。如果这是一个信号求和状态，那么对潜在问题的寻找就必须扩展到更广泛的基础上。但是，由于这是一种调幅现象，因此所有努力全部针对旋转部件。

进一步分析全速数据显示，95%的分量频率周期性增加，并锁定在运行速度运动。在此状态下，轴的振动幅值下降，压缩机表现为相当正常。然后，在没有明显原因的情况下，次同步分量会重新出现，漂移回低于运行速度5%的位置，并且伴随振动振幅增大。同样，压缩机的两端表现出同样的行为，具有非常相似的振动水平，由于这是一个合理对称转子，这表明故障发生在压缩机转子中间位置。

压缩机负荷的变化对分析这一问题是有益的，但这种选项是不可能实现的。在最后的分析中，得出了压缩机中跨叶轮松动的结论，推测在自由旋转状态下，松动的叶轮运行速度下降到95%。在这种情况下，叶轮的残余质量不平衡加上偏心率对转子产生了正向圆强迫激励。由于这发生在一个与轴转速不同的频率，它导致了两种不同的激励，一个激励是在轴转速处产生的，另一个激励是由松动叶轮的旋转频率引起的。此外，随着松动的叶轮继续旋转，叶轮孔与轴外径之间的摩擦会导致局部发热，这可能导致叶轮孔收缩回轴上，暂时消除95%的松动轮频率。当制冷剂流冷却轴和叶轮后，叶轮最终会由于松动重新启动整个循环，并减速到95%的运行速度。

停机后，拆卸压缩机，拆卸开叠加的转子，确定压缩机中间叶轮确实松动。造成这个轮子松动的主要原因是在车间匆忙地重装这个转子时，没有安装叶轮键。在低速车间平衡机上有这个问题的指示，但是负责人选择忽略这个信息。再一次，机器根据物理定律做出反应，而相关的人倾向于通过情感而不是良好的工程惯例来管理。

来源：普迪美状态监测微信公众号（ID：bpdm-cm）

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希望楼主能多发这样经典的案例