两级压缩螺杆空压机运行状态测试分析

丁小川 倪佳

摘  要：本次测试采集两款两级压缩螺杆空压机的振动信号，利用合适的信号处理及故障诊断方法对比分析两台设备的振动情况，空压机的型号分别是A15和C75，本次测试的主要目的在于对比分析A15和C75产品的振动，重点研究两台设备在运行加卸载工况运行性能，为后期产品的减振降噪设计提供理论和试验依据。

关键词：低压级;高压级;传感器;振动信号

1测试数据分析

1.1高低压级各测点竖直方向振动分析

首先分析两台设备高低压级四个测点竖直方向的振动情况。均方根值能较为客观地反映振动信号在时域上的能量分布情况，因此首先对采集到的原始信号提取均方根值。由于采集到的数据量较大，本报告中利用箱型图对四种状态下的均方根值进行统计分析。图1是两台设备低压级四个测点竖直方向振动信号的均方根值与工况之间的对应关系。

对于图1，我们主要观察几个方面：

第一，各测点均方根值在不同工况下的数值大小。从图1我们可以发现，所有4个测点，A15设备的振动能量均要明显大于C75设备。此外，C75设备在加载和卸载两种工况下振动能量略有区别，但总体差距不大。而A15设备在卸载工况下的振动情况明显比加载工况下要剧烈很多。

第二，各测点均方根值在不同工况下的分布情况，可直观理解为蓝色矩形盒的长度。从图中可以看出，C75设备各测点的蓝色矩形盒呈扁状，说明振动信号的均方根值分布较为集中，信号成分单一，振动情况较为稳定。相对而言，C75设备各测点的蓝色矩形盒长度要大很多，说明振动信号的均方根值分布较为分散，通常代表着振动信号的组成成分较为复杂。

第三，每种工况下异常值的分布情况，即图中红点的数目和数值。从四幅图中可以发现，有几种工况下出现一些红点落于矩形盒内限之外，但数量很少。考虑到实测数据通常具有一定的随机性且干扰成分，而加速度信号又对传递路径、背景噪声、传感器粗大误差等因素较为敏感，因此有零星的异常值也可以理解，这也说明两台设备在不同工况下运行并没有出现特别严重的故障。

从图2中可以看出，在电机端和近轴承端与低压级所呈现出的类似，而且由于电机端和近轴承端这两个测点本身挨得比较近，因此两处的信号特征也很相似。在转子端，仅有A15加载工况下的振动比较剧烈。在远轴承端，两台设备在两种工况下振动情况则差不多。

由于A15设备在电机端竖直方向的振动较大，因此我们将该位置的振动信号做频谱分析。

从图3中可以看出，2215Hz的频率成分能量较大，如此高频的成分不可能是设备各零部件正常运行所产生的，因此推测可能是设备某一固有频率被激发出来，或者是气流激振导致的频率成分。此外，在中低频域段有多簇能量较大的频率成分。如图4所示，能量较大的几个频率成分均是电机转频的高倍频。其中253.4Hz为电机转频的8倍频，由于该台设备阳转子齿数为4，阴转子齿数为6，所以253.4Hz也可能是阴阳转子啮合频率的二倍频。不过，我们可以观察到啮合频率的一倍频以及三倍频等高倍频并不突出，所以推测这些高频成分主要来源于电机振动，该台设备的电机可能存在较严重的不对中、安装定位精度过低等问题，建议重新装配并增加三方向约束方式。

特别说明的一点是，在本次测试采集到的所有振动信号中，A15设备卸载工况下低压级电机端竖直方向振动最为剧烈。而信号的主要能量集中在电机转频的几个高倍频成分上。其中，253.4Hz和380Hz分别是电机转频的8倍和12倍，同时也可以理解为阴阳转子啮合频率的二倍频和三倍频。啮合频率的一倍频不明显，而三倍频最大，这也不是正常现象。综合上述现象，推测电机安装存在较大的问题，导致电机振动不正常，同时还影响到了阴阳转子的啮合。

从图5中可以看出，相比起图3，此时2215Hz的频率成分能量也有所减弱，说明该成分主要还是由电机端的振动所激发出来的，推测是因为电机的振动过大。此外，振动信号的主要频率成分为转子一、二阶啮合频率，阴转子转频的高倍频，电机/阳转子转频的高倍频。同样，啮合频率的二倍频大于一倍频，说明阴阳转子的啮合状态不正常。我们推测电机装配存在较大的问题，导致振动过大，同时还影响到了阴阳两转子的啮合。

从图6中可以看出，信号中存在2215Hz和2253Hz两个能量较大的频率成分，推测与设备的固有频率相关。而在中低频率段，主要频率成分依然是电机转频的高倍频。为了描述方便，在本报告中将高压级电机转频标注为F1，将低压级电机转频标注为F2。从中可以看出，低压级电机转频的高倍频能量更大，说明低压级电机的问题更为严重。

3.2高低压级各测点轴向振动分析

从图7中可以看出，A15设备的振动幅值均要明显大于C75设备。其中，A15设备卸载工况下远轴承端轴向振动最为剧烈，因此我们首先对该通道信号进行频谱分析。

如图8所示，信号中主要的频率成为依然是电机转频的高倍频，而在高频域段出现一个1436Hz的频率成分，推测为设备轴向某一固有频率成分。此外，与图8所示的頻谱图上杂频较多，说明存在较为严重的摩擦或多点碰撞。

从图9中可以看出，主要频率成分即为2215Hz，该成分在图1和图5所示的电机端和转子端竖直方向振动信号中也很明显，推测是电机振动过大激发起了设备某一固有频率成分。值得注意的一点是，当存在能量较大的冲击性成分时，设备的固有频率成分才容易被激发出来。因此，我们推测电机在三方向上约束均没有做好，可能存在多点碰撞或摩擦，导致产生一系类冲击成分。

从图10可以看出，高压级各测点的振动情况与低压级近似，因此在本报告里便不再赘述。

3.3高低压级各测点径向振动分析

从图11可以看出，A15设备在各测点的振动依旧比C75要剧烈，其中GE256在卸载工况下低压级转子端的振动幅值最大。以上现象说明电机的振动存在较严重的问题，这和1.1节和1.2节所得到的结论完全相同。转子的啮合也不大正常，否则不应该出现那么多的高倍频成分，不过该问题很可能是电机振动所导致的，电机与转子连接存在较大的问题，如不对中、三方向约束效果较差等。

从图12中可以看出，在电机端、近轴承端、远轴承端，A15设备的振动幅值都小于C75。而在转子端，A15卸载工况下的振动较大，信号中存在幅值较大的转子啮合频率的高倍频，此外在低频域段存在大量低压级电机转频的高倍频。以上结果说明转子啮合存在一定问题，此外，还可以发现，低压级电机振动较为严重，导致在高压级这一侧依然能采集到大量低压级电机的振动信号，而在低压级那一侧则没有采集到高压级电机的振动信号。

2结果讨论

本报告分别对A15和C75两台设备多个测点的振动信号进行了对比分析，得出的结论是：C75设备在绝大部分测点的振动幅值均要明显小于A15设备，其中A15设备在低压级电机端的竖直方向上的振动最为剧烈，此外在转子端几个方向上的振动也较大。A15设备振动较大的原因在于：（1）在设备低压级和高压级各测点三方向的振动信号中，均存在幅值较大的低压级电机转频的高倍频，而高压级电机转频的高倍频在高压级的四个测点中也较明显，却在低压级的四个测点中不大明显。这些现象说明设备高低压级电机的振动极不正常，推测电机可能存在较严重的不对中、安装定位精度过低、三方向约束效果差等问题，其中低压级电机又比高压级电机更严重。（2）在部分测点的振动信号中发现高频的疑似固有频率成分，推测电机在三方向上约束均没有做好，可能存在多点碰撞或摩擦，导致产生一系类冲击成分，进而激发起固有频率。（3）对转子端的信号进行分析发现存在大量高幅值的啮合頻率高倍频，而啮合频率一倍频则不大明显，说明转子啮合存在问题，如磨损严重、齿面点蚀、安装误差导致啮合不合理、外部振动影响啮合等。由于A15设备是新装配的设备，因此我们还是默认设备内部的主要零部件不存在缺陷，而考虑到电机端振动剧烈，同时在转子端的振动信号中也发现了大量电机转频的高倍频，我们推测转子啮合出现问题的主要原因还是在于电机端振动过大，同时电机和转子安装存在问题。后期可以通过更换电机，或重新拆解组装，分析和研究电机运行问题。

参考文献

[1]陈文应.TSA-230系列螺杆式空气压缩机惯性故障原因分析及预防措施[J].铁道技术监督，2021，49（5）：35-37.

[2]王二明，赵军，尚昆.基于粒子群算法的双螺杆空压机混合建模[J].建模与仿真，2020（4）：430-438.