摘要：本文以煤化工装置上使用的2K-300MG-26/8.31-30.05型两列两级迷宫立式往复式压缩机在使用过程中出现的振动高为例进行原因分析，提出了几点具体的消减措施，在后期的操作和技改中做参考。
关键词：往复式压缩机；振动；激振力；管系结构；气流脉动
一、课题的提出及研究意义
往复式压缩机广泛应用于农业、交通运输、国防、冶金和化工等部门，它通常可以产生压缩空气提供高压气体，用来驱动各种风动工具和器械，例如风镐风钻、气力扳手和气力喷砂等装置，还能够在化工工艺中提供高压气体，有利于化工反应，而且它还常被用作气体输送，此外，往复式压缩机还是制冷和低温系统中的关键设备之一。
往复式压缩机有压力和排量范围广，效率高，气量调节时压力稳定等优点，但其结构比较复杂、易损件多、易故障件多、维修量大，频繁的故障和较长维修时间常常造成整个生产工艺的中断，直接影响到工厂的生产活动，振动高是往复式压缩机常见问题之一。
二、往复式压缩机的原理
往复式压缩机是用来提高气体压力和输送气体的机械，从能量的观点看，在压缩机的工作过程中将原动机的动力能转化为气体压力能，是一种消耗能量的能量转化机械，它凭借驱动机的能量提高气体压力。当前，大部分压缩机都是采用电机驱动，通过曲柄连杆机构把驱动机的旋转运动转化为活塞的往复运动，从而对气体做功，提高气体压力。
往复式压缩机气体循环包括三个过程：进气、压缩和排气过程，进气过程开始时，活塞向远离阀门的方向运动，吸气阀打开，排气阀保持关闭，低压气体由吸气阀进入汽缸，当活塞运动到距离阀门最远的位置时，该过程结束。压缩机转入压缩过程，压缩过程开始后，吸气阀关闭，整个过程是封闭状态，活塞向阀门方向运动，气缸内气体被压缩，当气缸内部气体的压力大于排气阀外部压力之后，压缩机由压缩过程向排气过程转化，在排气过程中，吸气阀保持关闭，气缸内部气体的压力推开排气阀，高压气体排出气缸，活塞运动到距离阀门最近位置后，排气过程结束，压缩机随活塞的运动周而复始的重复进气、压缩和排气三个过程，构成了压缩机工作的气体循环。
三、机组的激振力分析与减振处理
往复式压缩机部件多，其运动部件的运动形式复杂，各个部件都不可避免的引起压缩机的振动，但是，这些部件对压缩机振动的影响有大有小，压缩机的实际振动主要由运动部件引起。
基本结构，往复式压缩机主要由以下三大部分组成：
（1）传递动力系统--曲轴、连杆、活塞及活塞销等；
（2）工作气体进出管道和密封系统--气缸进出阀、阀片、活塞环、填料及气量调节系统；
（3）辅助系统--水、气、油三路的各种冷却器、缓冲器、分离器、油泵、安全阀及各种管路系统；
上述三大系统是往复式压缩机工作时产生振动的主要振动源，当压缩机运转的时候形成了一个独特的动力特性，包括活塞组件的运动特性，气缸内气体压力随活塞位移或曲柄转角而变化的特性，由此而获得和作用于运动机构上的力主要有三种：往复运动质量和不平衡的旋转质量造成的惯性力、气体压力所造成的气体力和各接触面相对运动造成的摩擦力。
1、气流脉动引起的管道振动
往复式压缩机工作特点是吸、排气流呈间歇性和周期性。因此会激发进出口管道内的流体呈脉动状态，管内流体参数随位置和时间作周期性变化，这种现象称为气流脉动，管道内气流压力随时间变化的情况如图1所示。
图1 压力脉动图
气流脉动的大小用压力不均匀度来表示
?]=（Pmax-Pmin）/Pm?00%
式中：?]--气体压力不均匀度
Pmax--在一个循环中不均匀压力的最大值，Mpa
Pmin--在一个循环中不均匀压力的最小值，Mpa
Pm--在一个循环中平均压力，Mpa
Pm=（Pmax+Pmin）/2
显然，管道的气流压力不均匀度?]值越大，振动频率越高，则振动能量越大，对管道带来破坏的可能性也越大。当脉动气流通过管道弯头、异径管、分支管、阀门、盲板等元件时，较大的压力不均匀度将成为引起管道振动的最大激振力，管系便产生一定的机械振动相应。
2、气量调节的减振
由于惯性力和摩擦力由各部件的加工尺寸决定，气量调节可引起作用在活塞连杆机构上的外力变化，从而消减振源，降低机组振动带来的危害。
通常，压缩机的使用者总是根据装置或系统所需的最大容积流量来选择压缩机，然而，压缩机的实际工况却是随工艺流程或耗气设备的需要而变化的。压缩机在正常工作状态下的容积流量基本上是保持不变的，但用户对气体的耗用量却随工艺流程和耗气设备工况而变化，当耗气量小于压缩机的排气量时，就需要对压缩机进行气量调节，以使压缩机的排气量适应耗气量的要求，从而引起管网内压力波动，若要将管网内的压力波动控制在一定范围内，就需要对压缩机的容积流量进行调节。
另外，由于原料组成不同以及工艺过程波动，造成压缩机入口压力、温度、介质组分变化而使压缩机操作不稳定或能量浪费，因此，对往复式压缩机的排气量和排气压力进行控制，有助于压缩机稳定高效运行。流量调节的方法主要有：作用于驱动机或驱动机构、作用于气体管路、作用于气阀和连通补助余隙等调节方法。
目前，2K-300MG-26/8.31-30.05型往复式压缩机所采用的气量调节方法是旁通调节，旁路调节在所有调节法中能耗最高，其原理是将过量的压缩气体通过中间冷却器和控制阀，从压缩机的排气侧导入吸气侧，而用于压缩这部分过量气体的能量全部浪费掉了。但旁路调节采用调节阀控制，可实现无级自动调节，调节范围大并可靠，能实现对流量精确自动调节的要求，这对操作者来说提出了较高的要求。当然，还有余隙容积调节、卸荷调节和主动阀等调节方法。但受条件限制，暂不做变更。
四、机组管系的振动特性分析与减振处理
管系的振动对于化工装置的安全稳定运行是一个不容忽视的隐患，它会引起：（1）管道的疲劳损伤，尤其可能使小口径管道损坏；（2）管道保温材料的破损；（3）测量仪表及导管的损坏和控制系统的误动作；（4）管道的摆动或振动以及噪声对人的影响等。强烈的振动会使管道本身及与之相连部位发生松动和破裂，轻则导致物料泄漏污染环境，重则发生燃烧爆炸的重大事故。
间歇性吸、排气循环工作，使管道内压力脉动作为一种持续性的干扰力是引起管系产生振动现象的根本原因，显然，这种激发性源的客观存在是无法消除的，因此，理性的处理是采取措施尽量减轻振动，使其控制在某个允许的范围之内。
1、管道的振动分析
管道结构的运动微分方程为：
[M]{a(t)}+ [C]{?n(t)}+[K]{s(t)}={F(t)}
式中：[M]、[C]、[K]--分别代表管系的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；
{a(t)}、{?n(t)}、{s(t)}--分别代表管系结构质点的加速度、速度和位移；
{F(t)}--代表管系结构所承受的激振力。
从管道结构微分方程可知，消除和控制振动的对策不外乎消减管系的激振力和改善管系的振动特性两个方面。消减激振力，即消减振源，这是减振的主要任务。然而，振源不可能根绝。因此，需要采取措施尽量减轻振动，使其控制在允许范围内，这就要研究和改变管系的结构特性。从方程可以看出表征管系结构的特征是管系结构质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。其中质量矩阵在管子尺寸和管线形状确定以后，一般不会有明显的改变，因此，管系抗振的着眼点在于提高管系结构的刚度和增加管系结构的阻尼。
因此，在对现场的认真观察，测量的基础上，对管路的气体振动系统及管路的机械振动系统的动力特性进行分析，找出机组管路振动的主要原因：（1）管线固定松动；（2）支撑件少和支撑基础偏小，支撑钢结构、钢结构平台、细小管线支撑等整个连成一体，易造成共振现象；（3）因气体脉动引起共振；（4）基础设计不当、地脚螺栓未紧固到位；（5）对中不合适。
2、管道减振措施
（1）将原有的固定管卡与管壁接触面之间、管壁与支撑之间加垫3mm厚橡胶皮或石棉垫以改变管系结构的阻尼，后紧固联接螺栓；
（2）在压缩机与缓冲罐之间的管线上、缓冲罐与冷却器之间的管线上以及其它缺少支撑的细小管线上增加管线支撑，特别在管道拐弯、分支、标高有变化以及集中载荷附近增加特殊的抑振管支架，将原有的连成一体的钢结构支架等割开，做独立基础和支撑，此支撑基础应与压缩机基础、缓冲罐基础和冷却器基础等建筑物脱开，并不得在原有的支撑结构上生根，设计的独立支撑高度应尽可能低，避免共振现象发生。要保证管线重量不作用在设备上，尽可能减少法兰口之间的联接应力，确保无应力联接；
（3）做好气量调节和避免气柱共振（前面已经叙述过），使气柱固有频率和活塞激发频率错开，防止气体脉动引起的共振；
（4）压缩机基础设计偏小，混凝土浇筑成型硬化不好，与设备接触不充分，因条件限制只做部分补充处理，将压缩机与缓冲罐基础地脚螺栓使用力矩扳手紧固到同等力矩，确保其稳固；
（5）更换机封后重新找正，使同轴度在0.05mm以内，垂直度在0.03mm以内，避免机组的振动带动与之联接的管系振动。
五、总结
通过上述分析，往复式压缩机振动的控制首先是气量调节，确保压力的脉动在规定值后，再考虑管系的减振处理，兼顾激振频率、气柱固有频率和管道固有频率的同时再采取增加支撑等其它减振方法，使机组在运行后的振动在可控范围内，满足了工艺运行的需求，但因往复式压缩机的自身缺点和设计上的缺陷，使得投运后的设备在改造过程中存在一定的条件限制，所以只能将其振值控制在目前可接受的范围内，其它如较先进的气量调节方法和基础的改造可在后期的大检修中改造。
参考文献：
[1]党锡齐,陈守五.活塞式压缩机气流脉动与管道振动[M].西安:西安交通大学出版社,1984.
[2]谢舜敏.压缩机出口管路振动故障分析及减振措施[J],压缩机技术,2005,(5).
作者简介：马志勋（1981.11-），回族，宁夏银川人，本科学历，设备中级工程师，神华宁夏煤业集团煤炭化学工业分公司烯烃公司合成车间设备工程师，主要从事设备运行管理工作。