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【摘 要】伴随工业透平风机大型化、高速化的开展，高速旋转机械间的联接疑问越来越遭到职业的重视。高速膜片联轴器因为具有杰出的适应性，尤其是运用金属膜片的弹性变形来抵偿轴线间的轴向、角向和径向相对位移，改善机组的作业条件，变成高速旋转机械之间联接常用的一种办法。
【关键词】膜片联轴器；毛病确诊；不平衡；膜片刚度；离心紧缩机
一、机组试车方案及膜片联轴器结构
1、试车方案。根据机组的设计参数和机械运转试验要求，液力耦合器和变速箱之间采用齿式联轴器联接，变速箱和离心压缩机之间采用膜片联轴器联接，试车参数见表1，机组测点布置图见图1，振动探头采用本特利3300系列，在2mm工作范围内误差不大于5%。
2、膜片联轴器结构。膜片联轴器一般由半联器、中间节、膜片组、冠状衬套、冠状垫片、带销螺栓和锁紧螺母以及垫圈等组成，膜片联轴器结构见图2。膜片组是联轴器的核心部件，由一定数量的薄金属膜片叠合而成，膜片厚度一般为0.2～0.6mm，当机组存在轴向、径向和角向偏移时，膜片产生波状变形，膜片一部分伸长，另一部分压缩引起弹性变形，设计时以膜片组特定的三个方向的合适刚度来满足机组工况要求。膜片形状主要有圆环式、轮幅式、连杆式、多边式和束腰式，本机组膜片为束腰式结构，在高速联轴器上使用较多。
二、故障原因分析
离心压缩机在第一次试车时出现联轴器端一测点振动值最高达190μm，自由端两测点振动在30～60μm之间波动，振动趋势和升速曲线见图3。结合试车经验分别复检该机组的轴瓦间隙、轴承过盈、轴系找正、变速器操平等项目，结果各项指标均在正常范围内，接着又对台位基础进行加固，更换轴瓦和研磨瓦块后，再次试车也未能改变轴振故障。对转子重新校正高速动平衡，转子振动均在标准范围内并达到优良水平。所以排除了机组本身以及转子对风机振动的影响。
对参与试车的变速器进行单独试车，变速器振动速度约1.8mm/s，振动良好。对变速器高速轴轴头进行打表检查，发现跳动超差为0.13mm，更换变速器高速轴重新试车，振动依然超标。对联轴器进行打表检查，跳动最大约0.38mm，对联轴器安装进行检查，发现有膜片扭曲现象。在试车中发现在9000r/min以下试车中，各测点振动良好，但在10000r/min以上各点振动突然增大，并出现振动波动现象。对试车中监测系统S8000图谱进行分析，图4和图5分别为风机整改后再次试车过程中S8000所采集的振动趋势和频谱图。
通过图4和图5可以看出：在低转速下风机振动情况良好、稳定，在10000r/min以上时，联轴器侧探头振动出现较大的周期性跳動，最大约140μm，从振动频谱图上可以看出联轴器侧振动主要表现为1倍频、2倍频，并伴有其他倍频成分和分量。该转子质量452kg，共有7级叶轮，转子轴颈为80mm，轴承采用轻载可倾瓦轴承，联轴器中间段长度为452mm，质量为13kg，由于转子较轻，轴距和联轴器较长，在高速旋转下，转子对联轴器的几何不平衡量和装配不对中非常敏感，联轴器的振动就成为转子的主振源，加之联轴器加工误差和安装误差产生的膜片扭曲变形也是导致振动波形周期性突跳的原因。为了进一步确定故障，对高速膜片联轴器进行振动分析。
三、高速膜片联轴器振动分析
联轴器的振动分为轴向振动和横向振动，轴向振动是中间轴的集中质量与两端弹性膜片产生的振动系统，在受到激振力作用下产生的，由于是轴向振动，对机组转子系统振幅的影响不敏感，本文主要分析膜片联轴器的横向振动形式，图6为膜片联轴器横向振动模型，联轴器工作过程中，由于径向和角向的交替作用可能使联轴器发生振动，如果转子质量较轻，则联轴器的振动将会成为转子系统的主振源。
横向振动的振动频率可以按照下式计算：
式中：M为联轴器中间轴作用在支承点上的有效质量，kg；K为联轴器横向刚度，N/m。根据计算可得该联轴器的横向振动频率为：
该转子试车转速为12270r/min，工频为204.5Hz，联轴器横向振动频率为252.4Hz。由于理论计算存在误差，可以发现联轴器横向振动频率与转子工频率较为接近，要求联轴器的横向振动频率必须远离转子的转速频率[7]。
四、解决措施
1、加厚膜片组的膜片厚度，提高联轴器横向刚度。由式（1）可见，影响联轴器横向振动频率的因素主要是中间轴的质量和联轴器的横向刚度，与膜片的刚度成正比，与中间轴的质量成反比。中间轴的质量加工成型后无法改变，只能改变联轴器的刚度，也就是增厚膜片组。膜片组由以前的10mm增大为12mm，中间轴和两端半联器之间刚度提高。可以认为整个系统为刚性二自由度的弹簧—质量系统，通过增大膜片组厚度，有效减少联轴器对转子振动频率的影响。
2、联轴器打表调整，找最佳位置重新安装，减少联轴器加工误差和不平衡对风机振动造成的影响。在试车现场首先对机组联轴器找正情况进行复检，机组找正状况较好，回装联轴器后进行盘车，对联轴器外圆进行打表检查，发现外圆跳动超差，由于联轴器无标记字头，安装位置无法确认，因此采用联轴器联接后打表，根据打表情况，拆开中间轴旋转一定角度后再次进行联接打表，最终找到最佳几何中心位置后进行回装，见图7。机组打表调整过程中联轴器外圆的跳动值见表2，联轴器的安装位置为表2中第四次调整的位置，联轴器外圆跳动最小。
3、改变螺栓安装方向和制造误差造成的膜片扭曲变形现象
膜片联轴器靠螺栓和膜片来传递扭矩，膜片组上螺栓孔装有冠状衬套和冠状垫圈，衬套和带销螺栓配合为较小的间隙配合，同心度和配合面要求非常高，半联器和中间轴之间的同心度靠衬套和带销螺栓定位，如果安装方向相反，加上垫圈厚度，造成定位面较短，同心度差，并且膜片组也会出现扭曲现象。在高速旋转的机组中，膜片扭曲变形造成同心较差，严重影响机组轴振稳定性，这也是试车过程中机组在9000r/min转速下振动良好，高于该转速下振动波动的诱因之一。按照带销螺栓销子长度，采取正反相间的安装方式，调整垫圈与紧固螺母安装在同一侧，确保定位准确。整改前的螺栓安装方向见图8，整改后的螺栓安装方向见图9，确保带销螺栓的定位长度最大，保证高速选装下良好的定位和同心。
按照上述分析通过对风机增加联轴器膜片组厚度，改变原有膜片联接螺栓的安装方向以及联轴器外圆打表找最佳位置，整改后再次进行试车，风机轴振稳定在12μm左右，达到API617-2002《石油、化学和气体工业用轴流、离心压缩机及膨胀机——压缩机》标准要求，风机试车各测点振动趋势见图10。
结束语
综上所述，高速膜片联轴器设计中要提高螺栓及膜片的刚度，避免联轴器的横向振动特性靠近转子系统的转速频率，可以消除转子在高速情况下振动不稳定的问题。高速联轴器制造过程中要严格确保联接螺栓内孔质量和止口加工质量，如果选用锥孔与主轴锥面配合的半联器，采用液压打压的方式进行安装前，一定要检查锥孔联轴器和主轴锥面之间的接触面积。在安装过程中要确保螺栓安装正确，安装后膜片不得出现扭曲变形，尽量确保螺栓连接件的总质心落在膜片联轴器膜片组的中间位置[10-11]。
参考文献：
[1]王志超.某化工公司烃压缩机组的汽轮机的振动异常的分析与诊断[D].华东理工大学，2014.
[2]冯永和.离心压缩机汽轮机（103JT）的振动故障分析和研究[D].兰州理工大学，2014.
[3]杨林辉.引风机变频改造后振动特性分析与动平衡研究[D].昆明理工大学，2014.
[4]许小刚.离心通风机故障诊断方法及失速预警研究[D].华北电力大学，2014.
【关键词】膜片联轴器；毛病确诊；不平衡；膜片刚度；离心紧缩机
一、机组试车方案及膜片联轴器结构
1、试车方案。根据机组的设计参数和机械运转试验要求，液力耦合器和变速箱之间采用齿式联轴器联接，变速箱和离心压缩机之间采用膜片联轴器联接，试车参数见表1，机组测点布置图见图1，振动探头采用本特利3300系列，在2mm工作范围内误差不大于5%。
2、膜片联轴器结构。膜片联轴器一般由半联器、中间节、膜片组、冠状衬套、冠状垫片、带销螺栓和锁紧螺母以及垫圈等组成，膜片联轴器结构见图2。膜片组是联轴器的核心部件，由一定数量的薄金属膜片叠合而成，膜片厚度一般为0.2～0.6mm，当机组存在轴向、径向和角向偏移时，膜片产生波状变形，膜片一部分伸长，另一部分压缩引起弹性变形，设计时以膜片组特定的三个方向的合适刚度来满足机组工况要求。膜片形状主要有圆环式、轮幅式、连杆式、多边式和束腰式，本机组膜片为束腰式结构，在高速联轴器上使用较多。
二、故障原因分析
离心压缩机在第一次试车时出现联轴器端一测点振动值最高达190μm，自由端两测点振动在30～60μm之间波动，振动趋势和升速曲线见图3。结合试车经验分别复检该机组的轴瓦间隙、轴承过盈、轴系找正、变速器操平等项目，结果各项指标均在正常范围内，接着又对台位基础进行加固，更换轴瓦和研磨瓦块后，再次试车也未能改变轴振故障。对转子重新校正高速动平衡，转子振动均在标准范围内并达到优良水平。所以排除了机组本身以及转子对风机振动的影响。
对参与试车的变速器进行单独试车，变速器振动速度约1.8mm/s，振动良好。对变速器高速轴轴头进行打表检查，发现跳动超差为0.13mm，更换变速器高速轴重新试车，振动依然超标。对联轴器进行打表检查，跳动最大约0.38mm，对联轴器安装进行检查，发现有膜片扭曲现象。在试车中发现在9000r/min以下试车中，各测点振动良好，但在10000r/min以上各点振动突然增大，并出现振动波动现象。对试车中监测系统S8000图谱进行分析，图4和图5分别为风机整改后再次试车过程中S8000所采集的振动趋势和频谱图。
通过图4和图5可以看出：在低转速下风机振动情况良好、稳定，在10000r/min以上时，联轴器侧探头振动出现较大的周期性跳動，最大约140μm，从振动频谱图上可以看出联轴器侧振动主要表现为1倍频、2倍频，并伴有其他倍频成分和分量。该转子质量452kg，共有7级叶轮，转子轴颈为80mm，轴承采用轻载可倾瓦轴承，联轴器中间段长度为452mm，质量为13kg，由于转子较轻，轴距和联轴器较长，在高速旋转下，转子对联轴器的几何不平衡量和装配不对中非常敏感，联轴器的振动就成为转子的主振源，加之联轴器加工误差和安装误差产生的膜片扭曲变形也是导致振动波形周期性突跳的原因。为了进一步确定故障，对高速膜片联轴器进行振动分析。
三、高速膜片联轴器振动分析
联轴器的振动分为轴向振动和横向振动，轴向振动是中间轴的集中质量与两端弹性膜片产生的振动系统，在受到激振力作用下产生的，由于是轴向振动，对机组转子系统振幅的影响不敏感，本文主要分析膜片联轴器的横向振动形式，图6为膜片联轴器横向振动模型，联轴器工作过程中，由于径向和角向的交替作用可能使联轴器发生振动，如果转子质量较轻，则联轴器的振动将会成为转子系统的主振源。
横向振动的振动频率可以按照下式计算：
式中：M为联轴器中间轴作用在支承点上的有效质量，kg；K为联轴器横向刚度，N/m。根据计算可得该联轴器的横向振动频率为：
该转子试车转速为12270r/min，工频为204.5Hz，联轴器横向振动频率为252.4Hz。由于理论计算存在误差，可以发现联轴器横向振动频率与转子工频率较为接近，要求联轴器的横向振动频率必须远离转子的转速频率[7]。
四、解决措施
1、加厚膜片组的膜片厚度，提高联轴器横向刚度。由式（1）可见，影响联轴器横向振动频率的因素主要是中间轴的质量和联轴器的横向刚度，与膜片的刚度成正比，与中间轴的质量成反比。中间轴的质量加工成型后无法改变，只能改变联轴器的刚度，也就是增厚膜片组。膜片组由以前的10mm增大为12mm，中间轴和两端半联器之间刚度提高。可以认为整个系统为刚性二自由度的弹簧—质量系统，通过增大膜片组厚度，有效减少联轴器对转子振动频率的影响。
2、联轴器打表调整，找最佳位置重新安装，减少联轴器加工误差和不平衡对风机振动造成的影响。在试车现场首先对机组联轴器找正情况进行复检，机组找正状况较好，回装联轴器后进行盘车，对联轴器外圆进行打表检查，发现外圆跳动超差，由于联轴器无标记字头，安装位置无法确认，因此采用联轴器联接后打表，根据打表情况，拆开中间轴旋转一定角度后再次进行联接打表，最终找到最佳几何中心位置后进行回装，见图7。机组打表调整过程中联轴器外圆的跳动值见表2，联轴器的安装位置为表2中第四次调整的位置，联轴器外圆跳动最小。
3、改变螺栓安装方向和制造误差造成的膜片扭曲变形现象
膜片联轴器靠螺栓和膜片来传递扭矩，膜片组上螺栓孔装有冠状衬套和冠状垫圈，衬套和带销螺栓配合为较小的间隙配合，同心度和配合面要求非常高，半联器和中间轴之间的同心度靠衬套和带销螺栓定位，如果安装方向相反，加上垫圈厚度，造成定位面较短，同心度差，并且膜片组也会出现扭曲现象。在高速旋转的机组中，膜片扭曲变形造成同心较差，严重影响机组轴振稳定性，这也是试车过程中机组在9000r/min转速下振动良好，高于该转速下振动波动的诱因之一。按照带销螺栓销子长度，采取正反相间的安装方式，调整垫圈与紧固螺母安装在同一侧，确保定位准确。整改前的螺栓安装方向见图8，整改后的螺栓安装方向见图9，确保带销螺栓的定位长度最大，保证高速选装下良好的定位和同心。
按照上述分析通过对风机增加联轴器膜片组厚度，改变原有膜片联接螺栓的安装方向以及联轴器外圆打表找最佳位置，整改后再次进行试车，风机轴振稳定在12μm左右，达到API617-2002《石油、化学和气体工业用轴流、离心压缩机及膨胀机——压缩机》标准要求，风机试车各测点振动趋势见图10。
结束语
综上所述，高速膜片联轴器设计中要提高螺栓及膜片的刚度，避免联轴器的横向振动特性靠近转子系统的转速频率，可以消除转子在高速情况下振动不稳定的问题。高速联轴器制造过程中要严格确保联接螺栓内孔质量和止口加工质量，如果选用锥孔与主轴锥面配合的半联器，采用液压打压的方式进行安装前，一定要检查锥孔联轴器和主轴锥面之间的接触面积。在安装过程中要确保螺栓安装正确，安装后膜片不得出现扭曲变形，尽量确保螺栓连接件的总质心落在膜片联轴器膜片组的中间位置[10-11]。
参考文献：
[1]王志超.某化工公司烃压缩机组的汽轮机的振动异常的分析与诊断[D].华东理工大学，2014.
[2]冯永和.离心压缩机汽轮机（103JT）的振动故障分析和研究[D].兰州理工大学，2014.
[3]杨林辉.引风机变频改造后振动特性分析与动平衡研究[D].昆明理工大学，2014.
[4]许小刚.离心通风机故障诊断方法及失速预警研究[D].华北电力大学，2014.