軸流風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障分析與處理

1、1、 設(shè)備參數(shù)與結(jié)構(gòu)風(fēng)機(jī)型號(hào)W12g12.5，葉輪直徑 D2 =1250mm，最高轉(zhuǎn)速n=2550r/min,設(shè)計(jì)性能參數(shù)為：風(fēng)量 Q=235440m3/h,全壓p=11 000Pa，進(jìn)口溫度t=150，進(jìn)口密度=0.763kg/m 3 ，輸送介質(zhì)為轉(zhuǎn)爐煤氣（干法除塵）。風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)臺(tái)布置見圖1。該風(fēng)機(jī)主要由轉(zhuǎn)子和定子組成，轉(zhuǎn)子包括主軸、葉輪、聯(lián)軸器、固定端軸承（以下簡(jiǎn)稱軸承1）和非固定端軸承（以下簡(jiǎn)稱軸承2），定子包括進(jìn)風(fēng)箱（含進(jìn)口導(dǎo)葉和軸承I的底座）、機(jī)殼（含后導(dǎo)葉和軸承II的底座）、擴(kuò)壓器和鋼制風(fēng)機(jī)底座。顯然，與一般離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)不同的是，軸承I的底座和軸承II的底座均未與混凝土基礎(chǔ)直接

2、接觸。為完成運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)過程，由增速機(jī)通過長(zhǎng)度為3.3m的加長(zhǎng)型空心軸將兩臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)串聯(lián)。2、 振動(dòng)特點(diǎn)根據(jù)轉(zhuǎn)爐各冶煉階段（準(zhǔn)備、預(yù)熱/降罩、吹煉、補(bǔ)吹、出鋼、清理爐口、加廢鋼兌鐵）的不同，該風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況頻繁變換。因此，不僅要滿足各冶煉階段所需性能參數(shù)以及防泄漏、防爆的要求，還要滿足3538min內(nèi)低、高速頻繁調(diào)速運(yùn)行的要求。所以，制造廠需對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的出廠運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。然而，該風(fēng)機(jī)在運(yùn)行實(shí)驗(yàn)中卻發(fā)生了嚴(yán)重的振動(dòng)問題，振動(dòng)數(shù)據(jù)見表1，尤其進(jìn)行的所有實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速還遠(yuǎn)達(dá)不到最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速2 550r/min，顯然，這個(gè)振動(dòng)問題的分析和處理十分具有挑戰(zhàn)性。由表1可分析其振動(dòng)特點(diǎn)如下：1）風(fēng)機(jī)振動(dòng)與轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)性強(qiáng)

3、，轉(zhuǎn)速越高，振動(dòng)越大；2）風(fēng)機(jī)升/降速過程中，在同一轉(zhuǎn)速的振動(dòng)特性相同，具有重復(fù)性；3）風(fēng)機(jī)軸承 I 與軸承 II 振動(dòng)相差不大，即振動(dòng)數(shù)量級(jí)相同；在2 320r/min以上，風(fēng)機(jī)軸承I與軸承II相比，前者垂直方向振動(dòng)小于后者，而水平方向振動(dòng)大于后者，顯示二者在垂直和水平方向的剛度存在差異；4）增速機(jī)振動(dòng)與轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，在輸出軸反轉(zhuǎn)2 400r/min時(shí)達(dá)到10.0mm/s,由此增加了振動(dòng)問題的復(fù)雜性；5）受電機(jī)功率限制，最高轉(zhuǎn)速只有達(dá)到正轉(zhuǎn)2 349r/min和反轉(zhuǎn)2 400r/min，不可能實(shí)施沖轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)；6）風(fēng)機(jī)最高線速度為 167m/s,但在試驗(yàn)中無(wú)法實(shí)施，需由次高轉(zhuǎn)速判斷最高轉(zhuǎn)速時(shí)的振

4、動(dòng)特性。三、振動(dòng)檢測(cè)分析風(fēng)機(jī)主要有動(dòng)不平衡、不對(duì)中、軸承故障、轉(zhuǎn)子零部件部分松動(dòng)或脫落、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近臨界轉(zhuǎn)速、共振等八大類振動(dòng)問題 ，但具體表現(xiàn)在不同的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)上，其振動(dòng)征兆會(huì)有所區(qū)別，尤其是振動(dòng)由多種因素共同作用時(shí)，則大大增加了診斷和分析的復(fù)雜性。對(duì)于本例，不排除為多種因素的復(fù)合作用，為此，在振動(dòng)頻譜分析、轉(zhuǎn)子模態(tài)測(cè)試等方面都進(jìn)行了相應(yīng)的分析工作。本例采用的測(cè)試儀器和傳感器有八通道數(shù)據(jù)采集箱、四通道信號(hào)調(diào)理儀、激振器、功率放大器、速度傳感器、加速度傳感器、力錘及力傳感器；所應(yīng)用的軟件有SsCras信號(hào)與系統(tǒng)分析、SinSwt 正弦掃頻動(dòng)力特性及 MaCras 機(jī)械及結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。1、增速機(jī)振

5、動(dòng)首先解決增速機(jī)振動(dòng)問題。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)增速機(jī)滑動(dòng)軸承重新澆瓦、加工，同時(shí)將增速機(jī)高、低速端聯(lián)軸器與其齒輪軸重新進(jìn)行動(dòng)平衡校正。增速機(jī)經(jīng)過維修后其高速輸出端帶負(fù)荷運(yùn)行到2 400r/min時(shí)振動(dòng)速度僅為2.5mm/s，表明增速機(jī)振動(dòng)已經(jīng)排除。但在后續(xù)的風(fēng)機(jī)試驗(yàn)中（風(fēng)機(jī)振動(dòng)見表1），則說(shuō)明風(fēng)機(jī)振動(dòng)此時(shí)已經(jīng)與增速機(jī)無(wú)關(guān)聯(lián)。2、振動(dòng)頻譜分析各試驗(yàn)轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)頻率分析見表2。正轉(zhuǎn)2 349r/min時(shí)的振動(dòng)頻譜見圖2（其余轉(zhuǎn)速的振動(dòng)頻譜略去），其中：圖2（a）、2（b）為軸承I的垂直、水平振動(dòng)頻譜，圖2（c）、2（d）為軸承II的垂直、水平振動(dòng)頻譜。由此分析：升速2 000r/min以后振動(dòng)明顯增加，頻

6、譜以工頻分量為主，基本沒有2倍頻分量且基礎(chǔ)振動(dòng)不大，可以排除軸系對(duì)中及基礎(chǔ)安裝不牢固的可能，但提高轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡品質(zhì)等級(jí)對(duì)解決問題是有利的；再升高轉(zhuǎn)子速度后，出現(xiàn)幅值較低的2倍頻、3倍頻和4倍頻分量，不排除葉輪內(nèi)焊渣、氧化皮或其它異物未清理干凈的因素。3、檢測(cè)共振問題由于無(wú)論整機(jī)或單獨(dú)吊出轉(zhuǎn)子組試驗(yàn)，上述振動(dòng)特性基本一致，所以懷疑存在共振的可能。為此，采用了兩種測(cè)試方法互為補(bǔ)充。第一種方法：采用正弦掃描法測(cè)試轉(zhuǎn)子、機(jī)殼內(nèi)筒和機(jī)殼外筒的共振頻率。掃描時(shí)進(jìn)風(fēng)箱、機(jī)殼上蓋打開，拆除擴(kuò)壓器，轉(zhuǎn)子維持正常安裝狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果見表3和圖3。顯然，轉(zhuǎn)子 一階彎曲振動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速實(shí)測(cè)結(jié)果為55Hz×60=3

7、300r/min，與理論計(jì)算結(jié)果3 335 r/min基本一致，說(shuō)明2 400r/min附近的振動(dòng)與轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)；而轉(zhuǎn)子41Hz不能確認(rèn)為獨(dú)立的固有頻率，可以認(rèn)為其處于55Hz的頻譜邊帶范圍之內(nèi)；此外，機(jī)殼內(nèi)筒、機(jī)殼外筒均檢測(cè)出41Hz的頻率成分，表明存在結(jié)構(gòu)共振的可能。第二種方法：采用錘擊法測(cè)試定子結(jié)構(gòu)的共振頻率。機(jī)殼和風(fēng)機(jī)底座敲擊點(diǎn)位置見圖4。敲擊時(shí)，進(jìn)風(fēng)箱、機(jī)殼上蓋打開，拆除擴(kuò)壓器，轉(zhuǎn)子維持正常安裝狀態(tài)。 在圖 4 中的 G1 、G2 、G3 、G4 點(diǎn)為機(jī)殼內(nèi)筒和機(jī)殼外筒的敲擊部位，分兩種情況：一是未加臨時(shí)支撐板；二是增加三個(gè)臨時(shí)支撐板，以對(duì)比增加臨時(shí)支撐板后其共振頻率的變化情況。

8、前者共振頻譜見圖5，分別測(cè)得共振頻率為 41、40.5、40、40.5Hz，而后者與前者相比，其共振頻譜和共振頻率基本不變，說(shuō)明增加臨時(shí)支撐板后對(duì)機(jī)殼的共振頻率不影響。 在圖4中D1 D7 點(diǎn)為鋼制風(fēng)機(jī)底座的敲擊部位，只測(cè)得D2 、D3 、D4 三個(gè)點(diǎn)存在41Hz左右的頻率。 另外，由于進(jìn)風(fēng)箱附近軸承I所在的位置也表現(xiàn)出剛性不足，則對(duì)其敲擊檢測(cè)，結(jié)果為軸承I的底架在水平方向也存在41.5Hz的固有頻率。 結(jié)合上述兩種方法的檢測(cè)結(jié)果可以認(rèn)為，在頻率41Hz附近發(fā)生了定子的結(jié)構(gòu)共振。根據(jù)該風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其剛度弱點(diǎn)位置為：后導(dǎo)葉水平/垂直剛度（但增加有限數(shù)量的后導(dǎo)葉是無(wú)效的）、軸承I底架的水平剛度

9、、軸承II底架的水平/垂直剛度4、軸系模態(tài)試驗(yàn)?zāi)B(tài)是風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一階模態(tài)具有特定的固有頻率和模態(tài)振型。本例分別對(duì)空心傳動(dòng)軸和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子采用敲擊法進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)分析，得到其模態(tài)頻率和振型見表4和圖6。在圖6（a）6（d）中，左側(cè)為增速機(jī)輸出端，右側(cè)為風(fēng)機(jī)聯(lián)軸器端，在圖6（e）6（j）中，左側(cè)為風(fēng)機(jī)聯(lián)軸器端，右側(cè)為軸承II的端部。由此知道，空心傳動(dòng)軸與風(fēng)機(jī)振動(dòng)無(wú)關(guān)，而轉(zhuǎn)子一階彎曲振動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速也已經(jīng)遠(yuǎn)離工頻，這與上述結(jié)果是相符的。四、振動(dòng)處理措施 綜合分析上述試驗(yàn)結(jié)果可以認(rèn)為，本例為一個(gè)復(fù)合因素即包括定子結(jié)構(gòu)共振、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速頻率邊帶過寬、葉輪不平衡共同作用的振動(dòng)問題，并提出如下處理措施：

10、1）定子結(jié)構(gòu)共振的處理在原則上只需要改變定子的剛度或質(zhì)量即可，但由于該風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特性，具體實(shí)施時(shí)難度很大。對(duì)機(jī)殼而言，要增加后導(dǎo)葉剛度，僅增加三個(gè)支撐板是無(wú)效的，而增加后導(dǎo)葉厚度卻又增加了機(jī)殼中氣流的堵塞而影響風(fēng)機(jī)性能。經(jīng)過多次改進(jìn)和反復(fù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過改變其支撐方式、軸承II底架的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、焊接方式等最終也只能有限的提高其固有頻率，結(jié)果是振動(dòng)問題僅部分減輕而未根本好轉(zhuǎn)；2）由理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)試可知，轉(zhuǎn)子的一階彎曲振動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于工頻，但因其頻譜邊帶過寬，在40Hz附近也表現(xiàn)為存在共振點(diǎn)。經(jīng)過分析，通過在主軸最薄弱處調(diào)整軸徑可以保證轉(zhuǎn)子在2 349r/min附近進(jìn)行動(dòng)平衡校正；3）實(shí)際上轉(zhuǎn)子

11、動(dòng)平衡問題是最先考慮的，但無(wú)論整機(jī)或單獨(dú)吊出轉(zhuǎn)子組實(shí)驗(yàn)，因振動(dòng)嚴(yán)重都始終無(wú)法完成理想的平衡校正；特別是停機(jī)一段時(shí)間后，平衡好的轉(zhuǎn)子又可能出現(xiàn)平衡問題，為此也曾分析葉輪是否在高速時(shí)存在過大變形的情況。分析制造工藝后發(fā)現(xiàn)，葉輪輪轂環(huán)形內(nèi)錐體存在少量氧化皮并在實(shí)驗(yàn)過程中不定期脫落，致使葉輪平衡經(jīng)常處于不定常狀態(tài)，最后該問題通過工藝手段徹底清除氧化皮后才得以解決。五、處理效果通過分步實(shí)施上述幾個(gè)措施，最終解決了該風(fēng)機(jī)的振動(dòng)問題，例如，風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)2 349r/min時(shí)軸承I和軸承II的水平振動(dòng)速度均小于2.5mm/s，并根據(jù)振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速上升的關(guān)聯(lián)性明確判斷出該風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速2 550r/min時(shí)的振動(dòng)速度不可能超過3.0mm/s。目前這種風(fēng)機(jī)共三臺(tái)已經(jīng)在用戶現(xiàn)場(chǎng)順利投運(yùn)，效果令人滿意。六、結(jié)論針對(duì)轉(zhuǎn)爐煤氣軸流風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障采用了若干振動(dòng)檢測(cè)和分析方法，