劉 鵑，何 忠

（1.廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院，廣西 柳州 545000；2.柳州市城中區(qū)工商業(yè)聯(lián)合會(huì) 廣西 柳州545001）

0 引言

某公司生產(chǎn)的LW-42/8型無(wú)油潤(rùn)滑空氣壓縮機(jī)具有運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、節(jié)能的特點(diǎn)。為了達(dá)到節(jié)能的目的，這一系列壓縮機(jī)采用部分頂開(kāi)吸氣閥來(lái)調(diào)節(jié)氣量，負(fù)荷控制邏輯次序是先同時(shí)頂開(kāi)一二級(jí)軸側(cè)吸氣閥，再頂開(kāi)一二級(jí)蓋側(cè)吸氣閥，實(shí)現(xiàn)0%、50%、100%的氣量調(diào)節(jié)[1]。但在氣量調(diào)節(jié)時(shí)主電機(jī)電流會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，特別是在50%負(fù)荷時(shí)，主電機(jī)超電流跳閘。為使機(jī)組正常運(yùn)行，不得不放棄了50%氣量調(diào)節(jié)。本文從機(jī)組結(jié)構(gòu)以及動(dòng)力計(jì)算等方面進(jìn)行分析，確定故障原因，尋求解決方案。

1 原因分析

1.1 結(jié)構(gòu)

LW-40/8型無(wú)油潤(rùn)滑空氣壓縮機(jī)型式為L(zhǎng)型、二級(jí)壓縮、往復(fù)活塞式、氣缸無(wú)油潤(rùn)滑，電機(jī)為14極異步電機(jī)，額定功率250 kW，轉(zhuǎn)速422 r/min，電壓380 V，主機(jī)與電機(jī)剛性直聯(lián)，壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

氣體簡(jiǎn)易流程為：空氣→進(jìn)氣消聲器→一級(jí)氣缸→中間冷卻器→二級(jí)氣缸→后冷卻器→儲(chǔ)氣罐→管網(wǎng)，如圖2所示。

圖2 氣體簡(jiǎn)易流程圖

氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖如圖3所示，氣量調(diào)節(jié)過(guò)程如下：當(dāng)系統(tǒng)壓力大于1.05倍排氣壓力時(shí)，軸側(cè)電磁閥通電打開(kāi)，一二級(jí)軸側(cè)吸氣閥停止進(jìn)氣，此時(shí)為50%氣量調(diào)節(jié)；假如系統(tǒng)壓力繼續(xù)上升，大于1.1倍排氣壓力時(shí)，蓋側(cè)電磁閥通電打開(kāi)，頂開(kāi)一二級(jí)蓋側(cè)吸氣閥，停止進(jìn)氣，此時(shí)為100%氣量調(diào)節(jié)；同樣地，當(dāng)系統(tǒng)壓力小于0.95倍排氣壓力時(shí)，軸側(cè)電磁閥通電關(guān)閉，一二級(jí)軸側(cè)吸氣閥打開(kāi)，持續(xù)進(jìn)氣，此時(shí)為50%氣量調(diào)節(jié)；假如系統(tǒng)壓力繼續(xù)下降，小于0.9倍排氣壓力時(shí)，蓋側(cè)電磁閥通電關(guān)閉，一二級(jí)蓋側(cè)吸氣閥打開(kāi)，持續(xù)進(jìn)氣，此時(shí)為100%氣量調(diào)節(jié)。系統(tǒng)就是在0.9～1.1倍排氣壓力的狀態(tài)下循環(huán)，保持節(jié)能運(yùn)行。

圖3 氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖

1.2 動(dòng)力計(jì)算及確定飛輪矩

飛輪是在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中用于儲(chǔ)存旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的一種機(jī)械裝置，是一個(gè)沿著固定軸旋轉(zhuǎn)的輪子或圓盤(pán)，飛輪矩就是所儲(chǔ)存的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。飛輪傾向于抵抗轉(zhuǎn)速的改變，當(dāng)動(dòng)力源對(duì)旋轉(zhuǎn)軸作用有一個(gè)變動(dòng)的力矩時(shí)，或是應(yīng)用在間歇性負(fù)載時(shí)，飛輪可以減小轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)更加平順。

經(jīng)動(dòng)力計(jì)算[1]，機(jī)組要求飛輪矩GD2≥ 440 kg·m2（旋轉(zhuǎn)不均勻度δ約為1/100），壓縮機(jī)機(jī)組的飛輪矩由電機(jī)飛輪矩與主機(jī)飛輪矩兩部分組成，電機(jī)廠(chǎng)提供的配套電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J≈50 kg·m2，則主電機(jī)飛輪矩GD2=4J≈200 kg·m2，由于聯(lián)軸器的直徑較?。ㄖ睆郊s為φ300），因此壓縮機(jī)飛輪矩可忽略不計(jì)，實(shí)際飛輪矩只有200 kg·m2，比機(jī)組要求的440 kg·m2少了 240 kg·m2。

1.3 故障原因

壓縮機(jī)若以電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，壓縮機(jī)的切向力圖即表示作用在電動(dòng)機(jī)軸上的旋轉(zhuǎn)阻力矩的變化，氣量調(diào)節(jié)時(shí)壓縮機(jī)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，由于氣量突然變化，電機(jī)由勻速運(yùn)行突然提速或降速，破壞了平穩(wěn)運(yùn)行的狀態(tài)，速度變化使電流產(chǎn)生波動(dòng)甚至超負(fù)荷（如速度變化太大），在50%氣量調(diào)節(jié)時(shí)，轉(zhuǎn)速瞬時(shí)變化最大，因此50%氣量調(diào)節(jié)時(shí)電流最大。而飛輪作為一個(gè)儲(chǔ)能的裝置，在速度變化時(shí)釋放能量，起到了緩沖速度變化、保持機(jī)組平穩(wěn)的作用。機(jī)組的飛輪矩不夠，則旋轉(zhuǎn)阻力矩變化過(guò)大，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)中的電流波動(dòng)和供電網(wǎng)中的電壓波動(dòng)[1]，從而破壞了電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。

經(jīng)分析認(rèn)為，造成壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)時(shí)主電機(jī)電流產(chǎn)生波動(dòng)甚至超負(fù)荷跳閘故障的主要原因是機(jī)組的飛輪矩不夠。壓縮機(jī)機(jī)組的飛輪矩由電機(jī)飛輪矩與主機(jī)飛輪矩兩部分組成，本機(jī)中主電機(jī)的飛輪矩僅為200 kg·m2，而壓縮機(jī)的飛輪矩又很小，整個(gè)機(jī)組的實(shí)際飛輪矩遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)期要求的440 kg·m2。

往復(fù)壓縮機(jī)飛輪矩與轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)不均勻度的關(guān)系為

一方面，飛輪矩與轉(zhuǎn)速n的平方成反比，由于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較低(422 r/min)，轉(zhuǎn)速低，對(duì)飛輪矩要求就大。另一方面，飛輪矩與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不均勻度δ成反比，傳動(dòng)方式為剛性聯(lián)軸器或懸臂電機(jī)時(shí)允許的旋轉(zhuǎn)不均勻度δ≤1/100。飛輪矩不夠造成機(jī)器的旋轉(zhuǎn)不均勻度δ增大(經(jīng)計(jì)算旋轉(zhuǎn)不均勻度δ約為1/45)，在運(yùn)動(dòng)部件上產(chǎn)生的附加動(dòng)載荷，引起電機(jī)電流脈動(dòng)。

而半負(fù)荷工況（50%氣量調(diào)節(jié)）時(shí)轉(zhuǎn)速瞬時(shí)變化最大，需要的能量最大，對(duì)壓縮機(jī)機(jī)組的飛輪矩要求最高，因此在半負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)出現(xiàn)主電機(jī)超電流跳閘。

2 解決辦法

根據(jù)以上分析計(jì)算，機(jī)組飛輪矩不夠，是造成壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)時(shí)主電機(jī)電流產(chǎn)生波動(dòng)故障的主要原因。解決故障最簡(jiǎn)單的辦法是通過(guò)修改負(fù)荷控制邏輯將一、二級(jí)頂開(kāi)吸氣閥的次序改為一、二級(jí)同時(shí)頂開(kāi)一個(gè)軸側(cè)和一個(gè)蓋側(cè)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，速度變化較同時(shí)頂開(kāi)一、二級(jí)軸側(cè)吸氣閥小，飛輪矩較原設(shè)計(jì)減少，50%氣量調(diào)節(jié)時(shí)電機(jī)不超負(fù)荷，但電機(jī)電流波動(dòng)還是很大[2]。因此，要從根本上解決壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)時(shí)主電機(jī)電流產(chǎn)生波動(dòng)的問(wèn)題，必須增加壓縮機(jī)的飛輪矩。下面結(jié)合工程實(shí)際提供三種處理方案。

（1）方案一：設(shè)計(jì)新飛輪

本機(jī)為剛性直聯(lián)，原聯(lián)軸器的飛輪矩很小，可忽略不計(jì)，而機(jī)組現(xiàn)缺少的飛輪矩為240 kg·m2，為滿(mǎn)足機(jī)組所需飛輪矩，現(xiàn)設(shè)計(jì)大飛輪作為新聯(lián)軸器（外圓直徑約為φ900），使新聯(lián)軸器的飛輪矩滿(mǎn)足機(jī)組所缺少的飛輪矩240 kg·m2。如圖4所示。此方案可作為出廠(chǎng)機(jī)型的改造方案。

圖4 設(shè)計(jì)大飛輪作為聯(lián)軸器

工程上應(yīng)用如圖5所示。

圖5 設(shè)計(jì)大飛輪作為聯(lián)軸器的機(jī)型

（2）方案二：使用同步電機(jī)

如圖6所示，該公司該系列壓縮機(jī)的另一機(jī)型，采用14極同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)LW-42/8型無(wú)油潤(rùn)滑空氣壓縮機(jī)，連接方式為轉(zhuǎn)子懸掛。同樣也進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)，但沒(méi)有出現(xiàn)此問(wèn)題，按電機(jī)廠(chǎng)提供的數(shù)據(jù)，所用同步電機(jī)飛輪矩為400 kg·m2，基本滿(mǎn)足機(jī)組所需飛輪矩。此方案的缺點(diǎn)是相對(duì)異步電機(jī)來(lái)說(shuō)，同步電機(jī)價(jià)格較高。目前已較少采用。

圖6 同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)示意圖

（3）方案三：更換電機(jī)，采用皮帶傳動(dòng)

如圖7所示，改用6極異步電機(jī)，額定功率250 kW，轉(zhuǎn)速985 r/min，電壓380 V，主機(jī)與電機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)聯(lián)接。皮帶傳動(dòng)時(shí)允許的旋轉(zhuǎn)不均勻度δ為1/30 ～ 1/40，則機(jī)組要求飛輪矩 GD2≥ 200 kg·m2。

首先是按所需的飛輪矩（GD2≥ 200 kg·m2）進(jìn)行大皮帶輪的初步設(shè)計(jì)，大皮帶輪兼做飛輪，選取盡可能大的皮帶輪直徑（外圓直徑約為φ900），保證飛輪矩滿(mǎn)足機(jī)組要求即可。然后通過(guò)設(shè)計(jì)合適的帶輪副使主機(jī)轉(zhuǎn)速降到422 r/min。此方案較前述方案一、二更優(yōu)化，電機(jī)價(jià)格最低，從而降低整機(jī)成本。在工程上得到推廣。

圖7 大皮帶輪兼做飛輪

工程上應(yīng)用如圖8所示。

圖8 大皮帶輪兼做飛輪的機(jī)型

3 結(jié)束語(yǔ)

上述三個(gè)方案都在工程上實(shí)踐過(guò)，機(jī)組所需飛輪矩都能滿(mǎn)足，都可以從根本上解決氣量調(diào)節(jié)時(shí)主電機(jī)電流會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)的問(wèn)題，機(jī)器性能得到保證，達(dá)到預(yù)期效果，成功實(shí)現(xiàn)0%、50%、100%的氣量調(diào)節(jié)，機(jī)器運(yùn)行情況良好，用戶(hù)十分滿(mǎn)意，證實(shí)以上故障分析是正確的，處理方法是行之有效的。

綜合比較三個(gè)方案，單從現(xiàn)有機(jī)型的改造來(lái)說(shuō)，方案一改造成本最低，用戶(hù)只需更換新設(shè)計(jì)的聯(lián)軸器，壓縮機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)可靠的氣量調(diào)節(jié)。如果是新設(shè)計(jì)的機(jī)器，則方案三成本最低，更值得推廣，該公司在新生產(chǎn)的類(lèi)似機(jī)型中，均采用方案三來(lái)設(shè)計(jì)傳動(dòng)方式，在保證機(jī)組可靠性的基礎(chǔ)上，降低了成本，提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。