键字：空压机 压缩系统 故障分析
摘要：介绍了L2-5．55／40型空压机机体振动导致一级压缩系统发生故障的现象和原因，从管理、技术、维护使用诸方面提出了同类故障的预防措施。
正文：
山西铝厂检修分厂制氧站有一套邯郸制氧机厂1979年生产的KZO-50型空分设备，配套12-5．55／40型空压机(厂家代号0242)，为空分设备的正常运行连续提供符合质量要求的压缩空气，具有结构紧凑、占地面积小、动力平衡性优于其它角度式压缩机等特点。自1985年4月投产以来，运行状况一直正常，但从1998年5月开始，一级压缩系统多次发生性质类同的机械事故，使设备的运行技术状况逐步恶化。本文就事故产生的原因，造成的危害，相应采取的预防措施进行研究和分析，以供同行参考。
1、事故情况及采取的措施
L2-5．55／40型空压机一级压缩系统由一级气缸和一级冷却器两大部分组成。故障现象首先发生于一级冷却器的芯子部，见表1。
由于没有找出故障的真正原因，最终酿成一级活塞压缩系统的机械事故。
表1 芯子部故障情况统计表
时间 二级进气温度，℃ 二级排气温度，℃ 拆检情况 采取措施
设计 实际 设计 实际
1998.5.11 35 75 145 180 挡流板进气侧 前部120mm处 纵向断裂 更换挡流板
1999.4.7 35 70 145 175 前侧挡流板纵 向断裂，挡板 肋条掉落1根 更换挡流板， 肋条焊接固定 好，消除肋条 与板的间隙
1999.4.28 35 80 145 185 前侧挡流板纵 向断裂 将普通钢板更 换为3mm厚 的不锈钢板
1999.5.29 <40 90 145 190 不锈钢挡流板 纵向断裂 重新更换为 A3普通钢板
1999.9.2 <40 100 145 195 芯子部结垢堵 塞严重，挡流 板断裂，前部 3根肋条掉落 更换芯子部
1999.10.9 <40 90 145 190 前侧挡流板纵向断裂，肋条掉落3根 更换挡流板，固定肋条
1999年6月9日，一级排气压力偏低，只有0．2MPa(设计压力为0．24～0．26MPa)，排气温度为155℃，拆检发现，一级缸头前侧排气活门升程限制器断裂，活门卡内螺纹全部滑丝，在另一排气活门腔内有铸铁碎渣一块，二级进气活门腔内有两块。当时，我们采取的措施为：清理碎渣，吹除气缸内异物，拆检全部一、二级活门，更换断裂的排气活门和活门卡。
1999年10月9日，一级气缸内有轻微的撞击声，排气压力剧降，低于0．1MPa。拆检时发现，一级排气活门升程限制器、阀座全部断裂，有的已破碎，活门腔内有铸铁碎块异物。活塞体上部吊装配重螺丝全部脱落，中间塌陷面积为1／3。缸头中间进排气已贯通，缸内有约1．5kg的铸铁块碎渣，冕形螺母和一级活塞杆顶部撞击变形。气缸曲轴连杆机构无异常。
采取的措施：清理缸内异物，更换活塞体、活塞杆、缸头和所有进、排气活门；清理一级排气和二级进气腔内的金属异物；认真分析事故原因；更换皮带，经常调整传动皮带松紧度；机身地脚螺母改用双螺母防松措施，消除振源。
2、事故原因
初次出现挡流板断裂的情况，我们认为是钢板的质量和肋条固定问题。采取更换挡流板、消除挡流板与肋条之间缝隙的措施，并没有收到效果；后又用不锈钢板代替A3钢板，整体更换芯子部，故障仍然出现。这充分说明故障现象与芯子部的构件质量没有直接关系。当活门升程限制器有异常断裂时，也未引起高度重视，直到发展为一级活塞、缸头撞击报废的严重后果才开始查找原因。后来，我们确定挡流板断裂与活塞故障两者之间有紧密的内在联系。
活塞故障发生后，对空压机运转机构进行了全面细致的检测，连杆螺栓、螺母无松动，曲轴配重固定可靠，十字头及滑道、轴瓦间隙符合规范，曲轴连杆机构的装配质量是合格的。随后检查机身的固定情况，发现机身和二级气缸支座的地脚螺栓的固定螺母均有不同程度的松动，初步判断机体的振动幅度超标是故障的直接原因。
活塞式压缩机在工作过程中，曲轴带动连杆做回转运动，连杆通过十字头又带动活塞在缸内做往复运动，吸人和排出的气体在缸内随活塞进行脉动运动，其脉动频率就是活塞往复运动的频率，这三种运动所产生的作用力在正常情况下形成一个平衡力系，其振动幅度完全可以控制在0．02mm以下。一定还有另外一种异常的运动所产生的应力破坏了这种动平衡，加剧了设备的振动。
曲轴的周围运动来源于飞轮的旋转运动，而飞轮的旋转是电动机通过皮带驱动的。皮带的传递质量直接影响空压机往复运动机构的动平衡。通过检查皮带，发现松弛严重，每一根皮带都有裂纹。据操作工反映，空压机在运行中有时突然出现一种连续性的“呼啦啦”的异常噪声，伴随皮带抖动，机身振动加剧，这时迅速给皮带打皮带油，可消除异常的噪声。
皮带的松驰造成机体的强迫振动总是存在的。给皮带打油，加大了皮带的摩擦力，运转的异常噪声暂时消除了，当摩擦力减弱到一定程度，机体又处在颤动之中。机体的“间歇颤动”所产生的作用力的方向是不确定的，其作用所产生的破坏形式多种多样。如果其振动能量得不到及时有效的“疏导”，这种作用力就会变成激发力，必然会突破机身内务连接部位中的“薄弱环节”得到“释放”，这种释放就是机件的破坏。
机件的破坏并不是机体剧烈的强迫振动一开始就形成的，而是经过一定的时效累计。不论零件在工作中产生何种变形，其强度条件都是实际工作应力小于或等于许用应力。构件中的“薄弱环节”在强迫振动产生的多变应力的长时间作用下逐渐疲劳，于是机械事故的发生是必然结果。
更换新的活门后，皮带的松弛没有改变，使机体产生严重的颤动，其振动所产生的应力导致活门座整体断裂成块状掉人缸内，在活塞上升至死点时受到撞击，使活塞体中部塌陷，配重螺丝松动，位置改变。配重螺丝是钢件，活塞上行时产生的冲击力又撞击缸盖，导致缸盖中间部分断裂，缸盖上的进、排气活门损坏；在活塞下行时，缸盖或活门腔内的碎金属块又落人缸内，活塞经过多次上下运动的撞击，加上气缸油的粘性作用，金属块的粒度越来越小，最后变成分散在活塞顶部和活门腔内的铸铁金属碎渣。这种撞击虽与撞缸相似，但声音比较沉闷，不注意监测是难以被发现的。
机身在强迫振动下产生的交变力大于地脚螺母对机身的约束力，二级气缸支座和机身的地脚螺母就会渐渐松动，而地脚螺丝的松动更加剧了机身的振动幅度。一级冷却器芯子部的挡流板是机身构件的最薄弱部分，在机身强迫振动所产生的垂直向上的应力与气流脉动形成的交变力的共同作用下发生疲劳而出现纵向断裂，固定肋条焊缝出现裂纹。在挡流板屡次发生断裂的情况下，皮带松弛的程度有增无减。一级排气活门是一级气缸的最薄弱环节，阀座和升程限制器的材质为HT20—40，属于脆性金属材料，在机身振动的影响与阀片的打击下，阀座因疲劳产生断裂。
4、 预防措施
(1)首先必须在思想、技术方面高度重视传动皮带对机械装置正常运转的作用，改变只重视机械安装，轻视皮带维护的习惯，把皮带的购置、储存、安装、维护调整当作一项重要的基础工作认真做好。
(2)在日常的设备点检工作中，除用仪器定期测振外，还须经常注意机身和二级缸支座的地脚螺母是否松动。机体的振动大小用肉眼和手感均可准确判断，关键是能否及时发现振动的变化。利用停车间隙检查连杆螺母、曲轴配重是否振动，十字头及滑道的运行状况是否正常，以便及时采取针对性措施。
(3)对皮带的安装，必须达到两皮带轮的轴线保持平行、两轮槽要相互对齐、皮带长度偏差≤lOmm的技术要求，视其松紧程度及时调整张紧装置，预防皮带打滑。当皮带打滑或因机身振动发出异常声响时，应果断紧急停车排故，以消除振动对机件的影响。为保证皮带的传递质量，其使用时间不得超过一年，并要定期对皮带作维护调整。
(4)防止空压机机身喷出的油雾影响皮带的正常使用，皮带与油相接触将缩短其使用寿命。
3、事故的影响
一级冷却器对气体的冷却效率直接影响着空压机的产能。要充分发挥其作用必须同时具备两个条件：一是气路密封要良好，全部气体必须完全通过芯子部的末端进入油水分离器内；二是冷却水管道畅通、水量充足、换热效果好。挡流板的断裂，导致部分空气短路，而这部分空气温度、压力偏高，对来自芯子部末端的常温空气进入下一级产生阻碍作用，造成气体产量严重不足，同时导致二级排气温度升高，活门、管道内产生积炭，造成活门工作不良，对空分设备的影响见表2
表2 挡流板断裂对空分设备的影响情况分析表
项 目 设计指标 实际指标
液化时间，h ≤8 12~18
分馏塔正常工作时高压，MPa 1．8~2．5 2．2~3
分馏塔中压，MPa 0．5~0．6 0．43~0．48
分馏塔低压，MPa 0．05~0．06 0．043~0．05
氧气产量， 50~55 40~46
氧气纯度，％02 99．2~99．7 99．2~99．4
Ⅲ’温度， -142 -155
纯化器加热时间，h 2．5—3 3—3．5
运行周期，d 60 30”40
皮带张紧度不足导致空压机机体振幅超标，酿成一级压缩系统相关机件的损坏，将使整套空分设备停运。更换气缸盖、活塞体、活塞杆及全部活门，所需费用近万元。如果造成气缸体及机身、曲轴连杆机构的报废，经济损失会更大。不少同行的空压机无端发生十字头损坏，连杆断裂，轴瓦紧固螺栓松动，从而导致恶性机械事故，其原因极有可能与传动皮带的张紧度不足有关。
5、结束语
在保证机械安装质量的情况下，通过定期对皮带的维护调整，空压机的运行一直很正常，同类机械故障再未出现，有效地保证了氧气供应，降低了运行费用，为进一步提高空压机的生产效率创造了良好条件，为预防运转机构的机械事故积累了经验，这将有利于空分设备的长期稳定运行。
作者简介：卫建婷(1966- )女，1989年7月毕业于太原工业大学机械系机械制造专业， 同年分配山西铝厂检修分厂 从事制氧设备的技术工作，工程师。