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往复活塞压缩机飞轮矩引发故障分析

  一台氦气压缩机,实际工况是:标态排气量为每小时50立方米,进气压力微正压,排气压力2.5MPa,介质为90%氦气。配用18.5千瓦6极电机,电机额定电流是38.6A。

  该机器出现的故障现象是:用户反映超电流较为严重,经常发生前端空开启跳动作。检查了压缩机各级气阀及密封环,未发现异常情况。用户反映压缩机实际吸气压力降到0甚至负压,依然超电流,实测试达到48~50A。用户要求解决此问题。

  首先怀疑是电动机选小了,于是更换了22千瓦6极电动机,额定电流44.7A,结果发现电流依然超标,最大实测电流还是50A。

  不是电机选配问题,那就考虑是飞轮矩的问题了。

  压缩机受力分析:压缩机作用力有侧向力及连杆力,侧向力垂直于气缸中心线,它产生的侧向力矩作用在压缩机机身上,对立式压缩机而言有倾倒的趋势,所以称作倾覆力矩;连杆力对曲轴旋转中心构成一力矩,由于它与曲轴旋转方向相反,所以称为阻力矩。连杆力可分解为切向力和法向力,切向力形成的力矩与阻力矩相等,所以可以认为切向力形成的力矩即为阻力矩,法向力形成磨擦功损失。

  所以作用于压缩机曲轴上的力矩为阻力矩及磨擦力矩的总和,它的平衡是由驱动力矩来平衡的,驱动力矩大多是由电动机提供。电动机提供的驱动力矩是定值,然而阻力矩随着曲柄转角的变化而时刻变化,因此驱动机提供的驱动力矩与压缩机工作时形成的阻力矩不相等,从而使曲轴瞬时转速发生变化,曲轴存在瞬时角加速度。

  压缩机曲轴的旋转角速如果变化过大,对压缩机的工作将产生下述不利影响:

  1.在运动机件的连接处引起附加动载荷,并在垂直于曲轴的平面内产生振动,影响机件的强度和降低机械效率;

  2.如果用电动机直接驱动,则引起电动机中电流脉动和供电电网中的电压波动。

  为了使压缩机曲轴瞬时速度均匀,就要确保压缩机的飞轮具有足够的转动惯量,即飞轮质量足够大。

  飞轮矩的计算公式:

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  式中L为压缩机一转中能量的变化值,n为压缩机转速,δ为旋转不均匀度,G为转化到直径D上的飞轮重量,D是飞轮轮缘截面质心的圆周直径。

  能量变化值L从压缩机总切向力图积分的方法求取。

  利用电脑编制Excel计算表格,输入相关参数,如下图表所示。对压缩机热力学复算。

  一、压缩机工况

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  二、计算结果

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  从计算结果来看,轴功率14.56千瓦,配用电机18.5千瓦就该可以。接着进行压缩机动力学计算:

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  理论计算需飞轮矩22.3牛米,压缩机实际配用的飞轮最大直径550mm,飞轮矩只有12牛米,加大飞轮再计算:

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  此时实际飞轮矩已达到36.7牛米,足够了。

  按此计算,更换压缩机飞轮,开机测试,电流36A,机器正常,问题得到解决。

  总结一下,压缩机飞轮矩大小受压缩机结构方案的影响,飞轮矩小的结构方案有:

  1.双作用压缩机向盖向轴行程所消耗的功相近,切向力均匀;

  2.曲柄错角或气缸夹角的合理配置,影响切向力的均匀性;

  3.多列压缩机可以使切向力均匀;

  4.各列曲柄错角的超前或迟后也影响切向力的均匀性。

  对于标准的成系列批量制造的空气压缩机产品,一般不会出现飞轮矩不符合的情况。而对于按用户特殊要求设计制造的压缩机,可能会出现飞轮矩不相匹配的情况。


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