活塞式空气压缩机的振动分析与处理

  活塞式压缩机是通过气缸、气阀和活塞构成的不断变化的容积来完成工作的，本文将从惯性力、气流脉动等方面来分析其产生振动的原因，并从设备的安装、检修、维护和操作等方面提出了减小振动的有效方法。
    1.概述
    空气压缩机作为矿山风动设备、工具动力的提供者，被广泛应用。玉溪矿业大红山铜矿作为全国最大的井采矿山之一，专门设置了地表集中供风站，为井下风动设备提供高压用风。空压站主要安装有7 台D-100/8e 型活塞式空气压缩机，压缩机零部件使用寿命、连接件的强度和密封性受到其安装质量、气流的脉动和本身的惯性力所引起的机组和管道震动的影响，导致压缩机出现曲轴箱地脚螺栓松动、裂纹、中体支座螺栓振断、风包支撑点裂纹等一系列问题，严重影响压缩机的安全运行。因此，不仅设计部门要重点考虑减少压缩机震动的问题，我们使用单位也应在安装、检修、维护和操作中特别注意这一问题。
    2.振动分类及产生的原因
    活塞式压缩机的振动就其产生的原因可分为两大类：（1）惯性力引起的机械振动；（2）气流脉动引起的振动。它包括气柱共振和管道机械共振。
     2.1.由于惯性力引起的机械振动
    活塞式压缩机的惯性力分为两种：曲轴旋转的旋转惯性力和十字头组件、活塞往复运动的往复惯性力。其中，旋转惯性力Ir=Mr×R× 2（Mr 旋转运动件总质量，R 曲轴旋转半径，曲轴旋转角速度）；往复运动惯性力Is= Ms×R×2(cos+×cos2)（Ms 往复运动件总质量，R 曲轴旋转半径，曲轴旋转角速度，曲轴转角，=R/L 连杆长径比）。
    从计算公式可知，在设计时，可以通过曲拐错角、列和级的合理配置来减小或平衡往复惯性力，或是通过加平衡块来平衡旋转惯性力。但是，在实际工作中，总会有一部分无法达到平衡的往复惯性力，而这部分往复惯性力（或称为力矩）就是产生机组机械振动的根源。
    2.2. 气流脉动引起的振动
    活塞式压缩机在运转过程中，由于吸气、排气的间歇性使得管路中气流的速度和压力呈现出周期性的变化，这便是气流脉动现象。在设计过程中，我们要想降低气流脉动，可以采用多级配置的方式来减小压力差。
    2.2.1.气柱共振：管路系统内所容纳的气体称为气柱。因为气体具有一定的质量和弹性，可呈现压缩、膨胀的状态，而气柱本身可以视为类似弹簧的振动系统。在压缩机的吸气、排气的激发下，气柱便会形成振动。所以，气柱在接受激发后，把所形成的振动以声速向远方传播。气柱由于边界条件的存在会有自己一系列的固有频率K1，因而当激发主频率等于K1时，便会导致气柱共振的发生。
    2.2.2.管道机械共振：其实作为输送气流的管道，其本身也是一个弹性系统。这是由于气流脉动导致压力的脉动变化，从而引发管道截面变化处或是拐弯处的周期性振动力作用。在激振力作用下，管道就会发生振动。而当激发主频率等于管道固有频率1时，管道的机械振动便产生了。气柱共振、管道机械共振都与配管情况，管路始末端的边界条件有关。如果配管不好，可能会出现F1=K1=1的情况。既有气柱共振又有管道机械共振，这将使得管道难以工作，后果极其严重。
    3.减振方法
    活塞式压缩机惯性力与气流脉动无法避免，故机组与管道振动也是无法避免的，因而振动必须被控制在一定的范围内，以确保机组和管系的长周期使用而不被破坏。
    3.1. 安装和检修达到技术标准要求
    往复惯性（或称力矩）是引起机组机械振动的源头，安装、检修至关重要，它直接关系到振动的大小。大红山铜矿空压机就是因为安装时基础浇灌问题，使用中出现基础松动，从而加大机组的振动。为此，在安装与检修中应注意：
    3.1.1.压缩机的地基要稳固；
    3.1.2.基础必须单独设置，不能和其他物体连在一起，以免生产额外的振动；
    3.1.3.在主基础、进排气支座基础上各垫一块30mm 厚的钢板，增加基础的整体性与稳性；我矿在对压缩机振动大、基础松动处理时，在一级进气支座、二级排气支座及曲轴箱基础上各垫上30mm 的钢板，并与基础浇灌成一体，再在钢板上安装斜垫铁，使基础连成一体，增加了基础的稳固性。通过改造后，机组振动减小了很多，效果非常好。
    3.1.4.为了避免产生附加力而增加振动，压缩机的气缸、中体、曲轴箱等要保持同心，并达到一定的水平规范；
    3.1.5.连杆大、小头瓦、主轴瓦等与滑道的间隙要符合技术上的规范要求；
    3.1.6.在风包底座支撑点各增加一块钢板，以增大受力面积，减小振动；
    我矿2#风包的底座支撑点上曾经出现裂痕，究其原因，主要在于风包质量较大，加之振动，便在底座支撑点上形成集中受力点，导致风包裂纹。通过在支撑点处加装4 块200×300mm 的钢板后，重新安装风包，经过十多年的运行，效果较好。
    3.2.避免气柱共振
    3.2.1.在安装管道时，要根据管路的配置和尺寸算出管路气柱的固有频率，合气柱的固有频率K1要高于或者是低于F1的30%，或是计算出共振管的长度，使实际管长避开共振管长;
    3.2.2.可以把缓冲罐安装在气流脉动的发源处，它能缓和前后管道内的气流脉动，降低气体冲击，减小激发力。缓冲罐上接管的配置对压力脉动的衰减程度影响较大。
    3.3. 避免管路机械共振
    3.3.1.布置管路时，需算出其机械振动的固有频率，从而使其基本固有频率1比激发主频率F1高30%；应尽量减少弯头，特别避免急转弯，转弯的地方要配上适当支撑，并使曲率半径大一些；为防止管道振动过大产生磨损，应当在管道和支撑之间安装橡皮或木质衬垫；在生产中，有效抑制管道机械振动过大的最佳方法便是增加支撑并减小简支长度。
    3.3.2.在管路系统中安装管道伸缩器，减小热胀冷缩管道位移时对管道造成的振动；
    3.3.3.阀门因脉动气流冲击弯头而产生周期性变化的激振力，继而使管道产生振动。所以，在操作压缩机的过程中，应当尽量少用高压-低压级循环，避免节流，降低压力脉动的不均匀度，从而减小管道振动，延长管道使用寿命；
    3.3.4.可以在振幅最大的地方增设管架，依据激振力产生的方向来设计管架的强度与刚度；
    3.3.5.设置管卡不能强行固定在某一点上，而应分散固定在多个点，如靠近弯头的两端、三通交叉处附近的三个支管上，以便尽可能地降低管道附加应力；
    3.3.6.管道应在自有状态固定位置，尽量把管卡设置在振源点，切忌撇劲而增加附加载荷
    3.3.7.在具有振动的场合应避免管道与管道、管道与管架、管道与紧固螺栓等直接摩察；
    在生产过程中，很多因素可能引起振动的加剧，例如设备之间、管道之间振动的相互牵连。。因此，应尽量避免不同设备、管道使用同一支撑，同一厂房放置多台设备。

    活塞式压缩机的振动是正常现象，只有在使用中耐心维护，精心操作，把压缩机的振动降低到最小范围。这样，不仅能提高压缩机和管道的使用寿命，还能降低消耗，提高生产效率。