風(fēng)機旋轉(zhuǎn)失速的故障診斷與處理

1、風(fēng)機旋轉(zhuǎn)失速的故障診斷與處理路俏俏 胡軍摘要：介紹了風(fēng)機旋轉(zhuǎn)失速的故障機理及振動特征，并對某鋼廠煉鐵廢氣風(fēng)機旋轉(zhuǎn)失速故障進(jìn)行了精密診斷，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機入口管網(wǎng)設(shè)計不合理是導(dǎo)致其旋轉(zhuǎn)失速的根本原因。關(guān)鍵詞：離心通風(fēng)機；旋轉(zhuǎn)失速；管網(wǎng)設(shè)計Fault Diagnosis and Processing on Rotating Stall of Centrifugal FanAbstract Introduce the fault mechanism and vibration character on Rotating Stall . Give Precise Diagnosis on an Exhaust

2、 Gas Centrifugal Fan of a Stell Mill and find that the fundamental cause is the Pipeline illogical design.Key words : Centrifugal Fan ; Rotating Stall ; Pipeline Network Design1 風(fēng)機旋轉(zhuǎn)失速的機理研究1.1 風(fēng)機旋轉(zhuǎn)失速的機理1圖1 旋轉(zhuǎn)失速的形成風(fēng)機的葉輪結(jié)構(gòu)、尺寸都是按額定流量設(shè)計的。當(dāng)風(fēng)機在正常流量下工作時，氣體進(jìn)入葉輪的方向與葉片進(jìn)口安裝角一致，氣體可以平穩(wěn)地進(jìn)入葉輪，如圖1(a)所示，氣流相對速度為，入口徑向

3、流速為。當(dāng)進(jìn)入葉輪的氣體流量小于額定流量時，氣體進(jìn)入葉輪的徑向速度減小為，氣體進(jìn)入葉輪的相對速度的方向角減小到，因而與葉片進(jìn)口安裝角不相一致。此時氣體將沖擊葉片的工作面(凸面),在葉片的凹面附近形成氣流蝸旋，漩渦逐漸增多使流道有效流通面積減小。由于制造、安裝維護(hù)和工況等方面的原因，進(jìn)入風(fēng)機的氣流在各個通道內(nèi)的分配并不均勻，氣流蝸旋的多少也有差別。如果某一流道(圖1b中的流道2)氣流蝸旋較多，則通過這個流道的氣量就要減少，多余的氣量將轉(zhuǎn)向鄰近流道(流道1和流道3)。在折向前面的流道(流道1)時，因為進(jìn)入的氣體沖在葉片的凹面上，原來凹面上的氣流蝸旋有一部分被沖掉，這個流道里的氣流會趨于通暢。而折向

4、后面流道(流道3)的氣流則沖在葉片的凸面上，使得葉片凹面的氣流產(chǎn)生更多的蝸旋，堵塞了流道的有效流通面積，迫使流道中的氣流又折向鄰近的流道。如此輪番發(fā)展，由漩渦組成的氣流團(tuán)(稱為失速團(tuán)或失速區(qū))將沿著葉輪旋轉(zhuǎn)的相反方向在各個流道內(nèi)出現(xiàn)。因為失速區(qū)在反方向傳播速度小于葉輪的旋轉(zhuǎn)速度，所以，從葉輪之外的絕對參考系來看，失速區(qū)還是沿著葉輪旋轉(zhuǎn)的方向轉(zhuǎn)動，這就是旋轉(zhuǎn)失速的機理。旋轉(zhuǎn)失速在葉輪內(nèi)產(chǎn)生的壓力波動是激勵轉(zhuǎn)子發(fā)生異常振動的激勵力，激勵力的大小與氣體的分子量有關(guān)，如果氣體的分子量較大，激勵力也較大，對機器的運行影響也就比較大，而失速區(qū)的傳播速度參考Cossar的實驗數(shù)據(jù)基本在0.2-0.5x（轉(zhuǎn)頻

5、）之間1。 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)失速頻率從固定于葉輪的相對坐標(biāo)系來看，旋轉(zhuǎn)脫離團(tuán)以的角頻率旋轉(zhuǎn)。而從葉輪之外的絕對坐標(biāo)系來看，旋轉(zhuǎn)脫離團(tuán)是以(-)的頻率旋轉(zhuǎn)的，其方向與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相同。因此，流體機械發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時，轉(zhuǎn)子的異常振動同時有和(-)兩個特征頻率。2 某鋼廠煉鐵廢氣風(fēng)機旋轉(zhuǎn)失速診斷實例廢氣風(fēng)機是煉鐵廠的關(guān)鍵設(shè)備之一，為防止風(fēng)機意外故障停機給生產(chǎn)帶來不必要的損失，廢氣風(fēng)機設(shè)計采用了冗余設(shè)計的思想，即布置兩個風(fēng)機，風(fēng)機1和風(fēng)機2，正常情況下，只有一臺風(fēng)機工作，另一臺風(fēng)機作為備用風(fēng)機，如圖2所示。 圖2 風(fēng)機空間布置示意圖 圖3 初次改造后的管網(wǎng)示意圖2.1 風(fēng)機的故障史與維修經(jīng)歷分析風(fēng)機2一直工作

6、正常。風(fēng)機1開啟后起初運行平穩(wěn)，一段時間(約半小時)就會因振動超過停機線而跳閘，每次啟動風(fēng)機1都有相同的規(guī)律。經(jīng)初次論證，認(rèn)為可能是由出口氣流不暢造成的(考慮到風(fēng)機2之所以能夠正常工作，是因為其出口管網(wǎng)有一段長L1的氣流緩沖區(qū)，而風(fēng)機1沒有)。于是參照風(fēng)機2的管網(wǎng)情況，延長風(fēng)機1出風(fēng)管的長度致L2，如圖3所示。管網(wǎng)經(jīng)初次改造完成后，故障沒有好轉(zhuǎn)。分析如下：(1) 風(fēng)機1每次啟動后初期運行穩(wěn)定，但經(jīng)歷一段時間以后就會因振動過大而造成跳閘，可以基本排除因機械故障造成的跳閘。因為如果是機械故障所致，如軸承故障，則在風(fēng)機達(dá)到穩(wěn)定運行速度以后，故障就會暴露出來，一般不會隨時間的推移而迅速加劇。因而考慮從

7、流體的角度去分析原因。(2) 風(fēng)機流體類故障大部分是由于進(jìn)風(fēng)口氣流不暢或氣量不足等原因所致，出風(fēng)口的改造效果并不明顯。2.2 測試方案風(fēng)機的結(jié)構(gòu)簡單，振動的特征頻率也并不復(fù)雜，因而振動測試分析方法對風(fēng)機來說是非常有效的。設(shè)備簡圖及測點圖如圖4所示。圖4 風(fēng)機1簡圖及測點圖基本參數(shù)l 轉(zhuǎn)速 RPM = 980 r/min =16.3 Hzl 測點2軸承型號 SKF22230l 測點2軸承故障特征頻率(Hz)轉(zhuǎn)頻保持架滾動體外圈內(nèi)圈16.427.06456.86134.22177.76l 使用儀器CSI2130振動分析儀2.3 數(shù)據(jù)采集與分析(1) 瀑布圖分析該風(fēng)機從啟動到故障停機歷時相對較短，很

8、容易捕捉到從啟動到故障停機全過程的振動信息，考慮采取瀑布圖分析方法。瀑布圖是指將不同時刻的振動信號對應(yīng)有反映轉(zhuǎn)子頻域特性的頻譜圖按時間順序排列而形成的三維時間譜陣圖。它的水平軸為頻率f，垂直軸為時間，鉛直軸為譜值，描述的是頻譜隨時間的變化情況。瀑布圖與伯德圖以及極坐標(biāo)圖不同在于它不是對某一頻帶幅值的描述，而是對全頻帶的響應(yīng)進(jìn)行描述，這樣便可以在速度或其他參量變化的過程中，觀察到許多頻率分量下轉(zhuǎn)子的動態(tài)響應(yīng)過程。記錄從風(fēng)機啟動后正常運轉(zhuǎn)到故障停機的全過程的瀑布圖，并摘取其部分譜線，記錄如圖5、6所示。0.2-0.5x 圖5前期瀑布圖 圖6 中后期瀑布圖由瀑布圖圖5至圖6的變化過程可以看出：初期風(fēng)

9、機運行平穩(wěn)，隨著時間的延續(xù)，低頻幅值逐漸增大，主要集中在0.2-0.5x RPM之間。現(xiàn)場可明顯感覺到機殼振動加劇，噪聲增大，有旋轉(zhuǎn)失速的特征。(2) 倒頻譜分析倒頻譜分析是近代信號處理科學(xué)的一項新技術(shù)，它可以處理復(fù)雜頻譜圖上的周期結(jié)構(gòu)。倒頻譜分析也稱二次頻譜分析。通過對信號的功率普作倒頻譜分析使得對低頻的幅值分量有較高的加權(quán)，可以清楚地識別信號的組成，突出感興趣的周期成分。選擇測點2的數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行倒頻譜分析如圖7所示。測點2原始時域信號和低通濾波后波形圖7 倒頻譜及其局部放大圖由倒頻譜分析可知，風(fēng)機存在頻率分別為 = 7.42HZ和 = 8.72HZ的低頻振動，且頻率+ = 16.14HZ

10、，與風(fēng)機的轉(zhuǎn)頻( f = 16.3HZ )基本相等，且 = 0.45f ，在0.2-0.5x RPM之間1，與旋轉(zhuǎn)失速的故障特征頻率符合，根據(jù)旋轉(zhuǎn)失速頻率=氣體脫離團(tuán)的倒數(shù)*實際工作流量/設(shè)計流量*轉(zhuǎn)頻可以確定失速時產(chǎn)生了三至四個脫離團(tuán),診斷風(fēng)機發(fā)生了旋轉(zhuǎn)失速。頻率134.82HZ與風(fēng)機軸承SKF22230在轉(zhuǎn)速為980轉(zhuǎn)/min下的外圈故障頻率吻合，且該頻率受到轉(zhuǎn)頻的調(diào)制，可以說明該軸承有外圈松動的故障。究其原因，認(rèn)為旋轉(zhuǎn)失速產(chǎn)生的異常振動破壞了軸承的裝配，導(dǎo)致外圈松動。我們將分析結(jié)果告訴現(xiàn)場。之后現(xiàn)場停機檢修，并給軸承蓋加一個銅片、緊固軸承蓋螺栓后振動值有所下降。又運行一段時間后，在5月份

11、將此軸承換掉。發(fā)現(xiàn)該軸承外圈有明顯的滾動體壓痕，外圈潤滑工作面大面積脫落，滾動體在軸向方向也磨損較嚴(yán)重。圖8測點2垂直方向頻譜圖2.4 發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速的根本原因分析進(jìn)風(fēng)口流量減小是造成風(fēng)機旋轉(zhuǎn)失速的常見原因。依照這一思路，對風(fēng)機的進(jìn)口管網(wǎng)進(jìn)行了認(rèn)真檢查，并對風(fēng)機1和風(fēng)機2的管網(wǎng)情況作了詳細(xì)對比，分析如下。管道直徑1m左右，在距離風(fēng)機1氣體入口約為1m處有一較大的彎道，如圖7所示。為保證氣流順暢，氣流入口距離彎道的距離應(yīng)大于1.5倍管道直徑。該管網(wǎng)的設(shè)計顯然違背了這一理論。由于風(fēng)機1入口吸引力較大，而后續(xù)氣流因為管道的原因不能及時補充上來，致使風(fēng)機入口氣壓逐漸減小，小于風(fēng)機的設(shè)計流量，造成旋轉(zhuǎn)失速

12、。因為風(fēng)機2前面有一段相對較長的氣體緩沖區(qū)，不會產(chǎn)生氣量供應(yīng)不足的情況，因而可以正常地工作，沒有發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速故障。 圖8 改造前風(fēng)機廢氣入口管網(wǎng) 圖9 改造后風(fēng)機廢氣入口管網(wǎng)2.5 生產(chǎn)驗證按照風(fēng)機管網(wǎng)設(shè)計理論，將風(fēng)機1進(jìn)風(fēng)口處的彎道做適當(dāng)調(diào)整，問題解決。調(diào)整后的效果圖如圖8所示，調(diào)整后的示意圖如圖9所示。 圖10 改造后風(fēng)機入口管網(wǎng)對比示意圖3 總結(jié)旋轉(zhuǎn)失速雖是流體設(shè)備的常見故障，但對于冶金企業(yè)各類風(fēng)機的多種故障模式來講還是個不常見的個案，只有掌握了其產(chǎn)生機理和故障特征，才能找到故障產(chǎn)生的根本原因，并采取相應(yīng)的措施，避免故障的再發(fā)生和發(fā)展。要做到這一點需要排除其他干擾因素如出口不暢，軸承故障等。當(dāng)時現(xiàn)場由于沒找到原因曾決定更改撤銷停機連鎖如果那樣做會使旋轉(zhuǎn)失速發(fā)展為深度喘振，后果不堪設(shè)想。同時，管網(wǎng)設(shè)計是風(fēng)機安裝的一個重要環(huán)節(jié)，若管網(wǎng)設(shè)計不當(dāng)使氣體流通受阻，進(jìn)風(fēng)機很容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速故障，影響正常工作。最后我們應(yīng)該看到維修包含的技術(shù)層面的因素涵蓋了從設(shè)計、制造、加工、安裝、使用、維護(hù)各個環(huán)節(jié)，作為保障設(shè)備穩(wěn)定運行的最后一道屏障，僅僅做到恢復(fù)原功能是不夠的，應(yīng)該更強調(diào)深層次維修技術(shù)，作排除以上提到各