Вибрация компрессоров

Почему стоит беспокоиться о вибрации?

Каждая машина вибрирует при работе. Независимо от того, насколько жестко смонтирована машина, она и все прикрепленные к ней конструкции будут испытывать нежелательное движение, вызванное различными силами. Эти силы обычно связаны с перемещением различных деталей внутри машины. Если такое связанное с вибрацией движение станет слишком большим, это приведет к повреждению машины.

Что вызывает вибрацию?

Вибрация может быть вызвана множеством причин, включая погнутые валы, дисбаланс вращающихся частей, изношенные или погнутые шестерни, поврежденные подшипники, смещенные муфты или подшипники, электромагнитные силы и т. д.

Однако в компрессорах наиболее частыми причинами являются дисбаланс вращающихся частей и аномальные аэродинамические силы. Компания Ariel уделяет особое внимание процессам проектирования и производства, чтобы не допустить возникновения этих условий.

Как вибрация влияет на компрессоры

Изучая возникновении вибрации в компрессоре, необходимо рассматривать компрессорную установку в совокупности со всем подключенным к ней периферийным оборудованием. Компрессорные установки, осушители, промежуточные охладители, трубопроводы и все остальные компоненты образуют сложную механическую систему, передающую энергию вибрации.

Собственная частота — звон камертона

Эта механическая система образует конструкцию, имеющую одну или несколько собственных частот. Наилучшим примером собственной частоты является удар по камертону. Камертон издает звук с собственной частотой. Каждая конструкция имеет собственную частоту. Когда внешняя сила (например, удар молотка) возбуждает конструкцию, она будет «звенеть» со своей собственной частотой до тех пор, пока демпфирующие силы внутри конструкции не остановят вибрацию. Камертоны звенят долго, но не вечно. Механические конструкции, которые должны быть спроектированы с учетом снижения вибрации, не будут звенеть долго, если только возбуждающая сила не будет постоянной.

В настоящих механизмах, когда конструкция вступает в резонанс (вибрирует с собственной частотой), амплитуды вибрации увеличиваются. В этом случае поломки будут происходить чаще.

Компрессоры Ariel спроектированы таким образом, что собственные частоты системы лежат далеко от обычно возникающих частот вибрации.

Типы вибраций в компрессорных системах

В компрессорах преобладают два типа вибрации: поступательная (поперечная) и крутильная (вращательная). Примером поступательной вибрации является движение внешнего трубопровода из-за резонанса. Если вибрация внешнего трубопровода становится чрезмерной, это почти наверняка связано с некоторой вибрацией внутри системы, которая происходит с частотой, близкой к собственной частоте конструкции трубопровода. Обычным проявлением крутильным вибрации является чрезмерная вибрация вдоль коленчатого вала, частота которого совпадает с частотой вращения вала. Этот тип вибрации обычно возникает из-за неуравновешенных сил, действующих на коленчатый вал в результате неравной массы поршневых пар.

Неуравновешенность — основная проблема вибрации в компрессорах

Большинство вибраций в компрессорах связаны с неуравновешенностью. Высокий уровень вибрации может быть напрямую связан с вращающей силой или поступательной силой, вызванных состоянием неуравновешенности.

Что такое неуравновешенность?

Существуют два основных типа неуравновешенности. Неуравновешенная сила — это сила, которая пытается толкнуть компрессор и его фундамент сначала в одном направлении, а затем тянет в противоположном направлении. Неуравновешенный момент — это крутящий момент, который тянет машину вокруг оси вращения, например вокруг оси коленчатого вала. Хотя эти два типа неуравновешенности похожи по своему действию, для их предотвращения необходимо понимать, как они возникают и как их можно предотвратить.

Возвратно-поступательная масса

Давайте более внимательно рассмотрим неуравновешенную силу. Эта сила пытается перемещать компрессор и станину назад и вперед вдоль одной плоскости движения. Эта сила является результатом неравной возвратно-поступательной массы (массы поршневых пар в сборе) и аэродинамических сил сжатия между поршневыми парами. Предполагая, что аэродинамические силы находятся в пределах проектной мощности штоков в сборе (как при нормальной работе), нам необходимо изучить проблему возвратно-поступательной массы.

Возвратно-поступательная масса определяется как масса поршневой группы, балансировочной гайки, крейцкопфа в сборе, поршневого штока и малой головки шатуна. Это часть компрессора, которая движется вперед и назад в каждом цилиндре. При большой разнице между возвратно-поступательной массой поршневых пар возникает неуравновешенная сила, достаточная для возникновения проблем.

В рамках сертификации ISO9001 компания Ariel тщательно отслеживает возвратно-поступательные массы всех производственных единиц. Полный отчет о балансировке каждой новой машины сохраняется на заводе. Наши допуски находятся в пределах 1 фунт-силы для станин моделей JG/A/M/P/N/Q/R/W/J, 2 фунт-сил для более крупных станин, чем JGH/E/K/T/C/D, и 5 фунт-сил для более крупных станин, чем JGB/V/U/Z. Для станины мощностью 1000 л. с. данный допуск приравнивается к разнице между возвратно-поступательными массами поршневой пары, составляющей менее 0,33%, что является стандартом чрезвычайно высокой точности. Точные значения допусков для каждого компрессора Ariel можно найти в справочнике данных компрессоров.

Вращающаяся масса

Вращающаяся масса определяется как масса коленчатого вала и прикрепленных к нему конструкций (маслоотражатель, привод стороны вспомогательных механизмов и т. д.) вместе с массой большой головки шатуна. Когда в любой из этих сборок или отливок присутствуют изменения, возникает сила, которая пытается крутить всю установку вокруг оси вращения коленчатого вала. Сила, или тяга, будет направлена туда, где находится более «тяжелая точка», когда она движется вокруг оси коленчатого вала.

Как инженеры Ariel сводят неуравновешенность к минимуму

Чтобы понять, как философия проектирования Ariel снижает проблемы с неуравновешенностью в компрессоре, нам необходимо подробнее описать силы, действующие на внутренние узлы компрессора.

Горизонтальные силы первого и второго порядка

Горизонтальная сила первого порядка (HPF) — это сила возвратно-поступательного движения поршневой группы, которая пытается втянуть коленчатый вал в цилиндр, когда поршень движется в цилиндр.

Эту силу можно уравновесить противовесом, который расположен напротив поршневой группы во время вращения. Горизонтальная сила второго порядка (HSF) намного слабее силы первого порядка и возникает из-за движения шатуна вокруг оси коленчатого вала.

Вертикальный момент первого порядка

Однако при использовании противовеса возникает новая сила, когда вращение достигает средней точки хода поршня. На этом этапе вращения противовес движется в направлении, перпендикулярном направлению движения поршня, и вся масса противовеса преобразуется в вертикальную силу (вертикальный момент первого порядка, VPC), тянущую машину вверх (или вниз во время второй половины цикла).

Компания Ariel сводит к минимуму потребность в противовесах, используя только парные, оппозитные конструкции цилиндров. Таким образом возвратно-поступательные силы уравновешиваются использованием оппозитных цилиндров. Поскольку используется гораздо меньший противовес, вертикальный момент перового порядка (VPC) уменьшается до пренебрежимо малого значения.

Поскольку поршневые пары не могут находиться прямо напротив друг друга и должны быть смещены по горизонтали, возникает некоторая скручивающая сила. Такие силы называются горизонтальным моментом первого порядка (HPC) и горизонтальным моментом второго порядка (HSC). Возникающая относительная сила определяется расстоянием смещения D между осевыми линиями противоположных рядов.

Большинство производителей компрессоров размещают противовесы непосредственно на щеках шатунных шеек валов, чтобы уменьшить HPC; однако это не снижает HSC.

Ariel размещает противовесы за пределами щек коренного подшипника. Это уменьшает размер необходимых грузов и помогает уменьшить как HPC, так и HSC.

Ariel твердо убеждена в том, что наша конструкция с оппозитными поршнями обеспечивает максимальное механическое преимущество в надежности системы и сроке службы. Каждая из наших конструкций с 2, 4 и 6 цилиндрами имеет разную степень соотношения сил. Все конструкции рассчитаны на длительный срок службы, но разное количество цилиндров характеризуется разным соотношением сил, что представлено в таблице ниже.

Предотвращение связанных с вибрацией неисправностей

Несмотря на то что вы не будете балансировать установку Ariel путем изменения массы внутренних компонентов, вам следует предпринять некоторые профилактические меры. Теперь должно быть очевидно, что в нормально работающем компрессоре действует множество сил.

Обслуживание анкерных болтов

Крепежные детали и отливки в вашей установке Ariel спроектированы так, чтобы выдерживать все обычно возникающие вибрации и крутящие моменты. Однако Ariel не может контролировать обслуживание креплений, которые удерживают вашу установку на месте.

Ariel настоятельно рекомендует планировать техническое обслуживание анкерных болтов. Мы сталкивались со многими проблемными установками на работающих объектах, единственной проблемой которых было ослабшее крепление. Мы предлагаем придерживаться следующего графика.

• Первоначальное техническое обслуживание: анкерные болты трижды затягиваются и ослабляются, при этом окончательный момент устанавливается при третьей затяжке.
• После 7 дней эксплуатации: пока температура оборудования все еще близка к рабочей, проверьте натяжение, но не ослабляйте.
• После 30 дней эксплуатации: пока температура оборудования все еще близка к рабочей, проверьте натяжение.
• Каждые 6 месяцев, начиная с 6 месяцев с момента установки: пока температура оборудования все еще близка к рабочей, проверьте натяжение. Запишите устранение проблем резонанса во внешних конструкциях  

Ранее мы сказали, что каждая система имеет одну или несколько собственных частот. Если возбуждение происходит на одной из этих частот, конструкция будет склонна вибрировать. Существующие уровни вибрации возрастут, что ускорит повреждение механизмов. Если вы заметили, что какая-то часть конструкции вашего оборудования резонирует, это можно исправить с помощью нескольких различных действий.

Убедитесь, что монтажные болты и другие крепежные элементы затянуты должным образом. Незатянутые крепления часто вызывают общий люфт, имитирующий резонанс.

• Измените рабочую скорость установки, чтобы изменить частоту возбуждающих сил.
• Увеличьте массу резонирующей конструкции. Изменение массы конструкции (конструкций) также изменяет ее собственные частоты.
• Скрепите систему в месте наибольшего движения. Это не только изменит собственные частоты, но и повысит жесткость задействованных конструкций.
• Вибрация в трубах также может быть устранена путем добавления распорок в верхней части сепаратора, установки труб системы в другой плоскости (для увеличения жесткости) или путем сооружения рамы из бетона и заливки бетоном точек крепления.