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活塞式空氣壓縮機的振動與處理
活塞式空氣壓縮機的振動與處理
摘要：活塞式壓縮機是通過氣缸、氣閥和活塞構成的不斷變化的容積來完成工作的，本文將從慣性力、氣流脈動等方面來分析其產生振動的原因，并從設備的安裝、檢修、維護和操作等方面提出了減小振動的有效方法。
關鍵詞：活塞式壓縮機;管道;振動
1.概述
空氣壓縮機作為礦山風動設備、工具動力的提供者，被廣泛應用。玉溪礦業大紅山銅礦作為全國最大的井采礦山之一，專門設置了地表集中供風站，為井下風動設備提供高壓用風。
空壓站主要安裝有 7 臺 D-100/8e 型活塞式空氣壓縮機，壓縮機零部件使用壽命、連接件的強度和密封性受到其安裝質量、氣流的脈動和本身的慣性力所引起的機組和管道震動的影響，導致壓縮機出現曲軸箱地腳螺栓松動、裂紋、中體支座螺栓振斷、風包支撐點裂紋等一系列問題，嚴重影響壓縮機的安全運行。
因此，不僅設計部門要重點考慮減少壓縮機震動的問題，我們使用單位也應在安裝、檢修、維護和操作中特別注意這一問題。
2.振動分類及產生的原因
活塞式壓縮機的振動就其產生的原因可分為兩大類：(1)慣性力引起的機械振動;(2)氣流脈動引起的振動。它包括氣柱共振和管道機械共振。
2.1.由于慣性力引起的機械振動
從計算公式可知，在設計時，可以通過曲拐錯角、列和級的合理配置來減小或平衡往復慣性力，或是通過加平衡塊來平衡旋轉慣性力。但是，在實際工作中，總會有一部分無法達到平衡的往復慣性力，而這部分往復慣性力(或稱為力矩)就是產生機組機械振動的根源。
2.2. 氣流脈動引起的振動
活塞式壓縮機在運轉過程中，由于吸氣、排氣的間歇性使得管路中氣流的速度和壓力呈現出周期性的變化，這便是氣流脈動現象。在設計過程中，我們要想降低氣流脈動，可以采用多級配置的方式來減小壓力差。
2.2.1.氣柱共振：管路系統內所容納的氣體稱為氣柱。因為氣體具有一定的質量和彈性，可呈現壓縮、膨脹的狀態，而氣柱本身可以視為類似彈簧的振動系統。在壓縮機的吸氣、排氣的激發下，氣柱便會形成振動。
所以，氣柱在接受激發后，把所形成的振動以聲速向遠方傳播。氣柱由于邊界條件的存在會有自己一系列的固有頻率 K1，因而當激發主頻率等于K1時，便會導致氣柱共振的發生。
2.2.2.管道機械共振：其實作為輸送氣流的管道，其本身也是一個彈性系統。這是由于氣流脈動導致壓力的脈動變化，從而引發管道截面變化處或是拐彎處的周期性振動力作用。在激振力作用下，管道就會發生振動。
而當激發主頻率等于管道固有頻率1時，管道的機械振動便產生了。氣柱共振、管道機械共振都與配管情況，管路始末端的邊界條件有關。如果配管不好，可能會出現 F1=K1=1的情況。既有氣柱共振又有管道機械共振，這將使得管道難以工作，后果極其嚴重。
3.減振方法
活塞式壓縮機慣性力與氣流脈動無法避免，故機組與管道振動也是無法避免的，因而振動必須被控制在一定的范圍內，以確保機組和管系的長周期使用而不被破壞。
3.1. 安裝和檢修達到技術標準要求
往復慣性(或稱力矩)是引起機組機械振動的源頭，安裝、檢修至關重要，它直接關系到振動的大小。大紅山銅礦空壓機就是因為安裝時基礎澆灌問題，使用中出現基礎松動，從而加大機組的振動。為此，在安裝與檢修中應注意：
3.1.1.壓縮機的地基要穩固;
3.1.2.基礎必須單獨設置，不能和其他物體連在一起，以免生產額外的振動;
3.1.3.在主基礎、進排氣支座基礎上各墊一塊 30mm 厚的鋼板，增加基礎的整體性與穩性;我礦在對壓縮機振動大、基礎松動處理時，在一級進氣支座、二級排氣支座及曲軸箱基礎上各墊上 30mm 的鋼板，并與基礎澆灌成一體，再在鋼板上安裝斜墊鐵，使基礎連成一體，增加了基礎的穩固性。通過改造后，機組振動減小了很多，效果非常好。
3.1.4.為了避免產生附加力而增加振動，壓縮機的氣缸、中體、曲軸箱等要保持同心，并達到一定的水平規范;
3.1.5.連桿大、小頭瓦、主軸瓦等與滑道的間隙要符合技術上的規范要求;
3.1.6.在風包底座支撐點各增加一塊鋼板，以增大受力面積，減小振動;
我礦2#風包的底座支撐點上曾經出現裂痕，究其原因，主要在于風包質量較大，加之振動，便在底座支撐點上形成集中受力點，導致風包裂紋。通過在支撐點處加裝 4 塊200×300mm 的鋼板后，重新安裝風包，經過十多年的運行，效果較好。
3.2.避免氣柱共振
3.2.1.在安裝管道時，要根據管路的配置和尺寸算出管路氣柱的固有頻率，合氣柱的固有頻率K1要高于或者是低于F1的30%，或是計算出共振管的長度，使實際管長避開共振管長;
3.2.2.可以把緩沖罐安裝在氣流脈動的發源處，它能緩和前后管道內的氣流脈動，降低氣體沖擊，減小激發力。緩沖罐上接管的配置對壓力脈動的衰減程度影響較大，如圖 1：
圖 1
圖(a)的消振效果最差，圖(b)的消振效果可提高 15%-20%，圖(c)氣體流過的阻力(即壓力降)最大，在實際配管時要根據生產條件，功耗，許用壓降酌情考慮選用。
3.3. 避免管路機械共振
3.3.1.布置管路時，需算出其機械振動的固有頻率，從而使其基本固有頻率1比激發主頻率F1高30%;應盡量減少彎頭，特別避免急轉彎，轉彎的地方要配上適當支撐，并使曲率半徑大一些;為防止管道振動過大產生磨損，應當在管道和支撐之間安裝橡皮或木質襯墊;在生產中，有效抑制管道機械振動過大的最佳方法便是增加支撐并減小簡支長度。
3.3.2.在管路系統中安裝管道伸縮器，減小熱脹冷縮管道位移時對管道造成的振動;
3.3.3.閥門因脈動氣流沖擊彎頭而產生周期性變化的激振力，繼而使管道產生振動。所以，在操作壓縮機的過程中，應當盡量少用高壓-低壓級循環，避免節流，降低壓力脈動的不均勻度，從而減小管道振動，延長管道使用壽命;
3.3.4.可以在振幅最大的地方增設管架，依據激振力產生的方向來設計管架的強度與剛度;
3.3.5.設置管卡不能強行固定在某一點上，而應分散固定在多個點，如靠近彎頭的兩端、三通交叉處附近的三個支管上，以便盡可能地降低管道附加應力;
3.3.6.管道應在自有狀態固定位置，盡量把管卡設置在振源點，切忌撇勁而增加附加載荷
3.3.7.在具有振動的場合應避免管道與管道、管道與管架、管道與緊固螺栓等直接摩察;
在生產過程中，很多因素可能引起振動的加劇，例如設備之間、管道之間振動的相互牽連。。因此，應盡量避免不同設備、管道使用同一支撐，同一廠房放置多臺設備。
4.總結
活塞式壓縮機的振動是正常現象，只有在使用中耐心維護，精心操作，把壓縮機的振動降低到最小范圍。這樣，不僅能提高壓縮機和管道的使用壽命，還能降低消耗，提高生產效率。
參考文獻：
[1]陳宏均. 活塞式壓縮機使用技術手冊M. 北京： 機械工業出版社，1992.
[2]徐少明，金光熹.空氣壓縮機實用技術M. 北京： 機械工業出版社，1994.
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