薛旭利

（首鋼長治鋼鐵有限公司，山西長治 046031）

1 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡技術(shù)概況

現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡技術(shù)是對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備在其工礦相同或轉(zhuǎn)速相近，對(duì)主設(shè)備不揭蓋、不拆卸的情況下，進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試、頻譜分析、平衡校驗(yàn)的一種動(dòng)平衡校驗(yàn)方法。動(dòng)平衡的基本原理是通過給旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備特定位置焊接固定配重，通過增加配重質(zhì)量，臨時(shí)改變旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備質(zhì)量分布位置，測(cè)量由質(zhì)量分布不均引起支撐部位軸承的振動(dòng)幅值變化和振動(dòng)相位角。根據(jù)影響系數(shù)法，由增加配重質(zhì)量的變化，計(jì)算確定出旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備實(shí)際校正的質(zhì)量及固定位置。

工建公司根據(jù)設(shè)備檢修需要，于2019 年4 月購置了德國SCHENCK 公司生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡儀（SmartBalancer）一臺(tái)，用于首鋼長治鋼鐵有限公司（以下簡稱“長鋼”）煉鋼廠運(yùn)轉(zhuǎn)一次除塵風(fēng)機(jī)、軋鋼廠高速線材吐絲機(jī)、TRT 等旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的在線動(dòng)平衡試驗(yàn)，并及時(shí)排除了設(shè)備振動(dòng)的故障，有力地保障了生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定、順利運(yùn)行。

2 旋轉(zhuǎn)設(shè)備的故障識(shí)別

旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷是將運(yùn)行中的設(shè)備看成“活”的狀態(tài)物，對(duì)設(shè)備的振動(dòng)參數(shù)信息進(jìn)行采集、處理、分析、預(yù)判，確定故障原因并采取合適的修復(fù)方法處理。

2.1 旋轉(zhuǎn)設(shè)備的故障類型

旋轉(zhuǎn)設(shè)備的故障類型很多，如轉(zhuǎn)子不平衡故障、聯(lián)軸器不對(duì)中故障、基礎(chǔ)地腳螺絲松動(dòng)故障、轉(zhuǎn)子或軸存在橫向裂紋、支承滑動(dòng)（滾動(dòng)）軸承故障、轉(zhuǎn)子與靜止件摩擦的故障等。但導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)超高或者持續(xù)增高的情況，應(yīng)該首先考慮動(dòng)平衡失衡的問題，因?yàn)閯?dòng)平衡失衡是旋轉(zhuǎn)設(shè)備常見的、多發(fā)性故障。

如果旋轉(zhuǎn)設(shè)備發(fā)生聯(lián)軸器不對(duì)中、基礎(chǔ)地腳螺絲松動(dòng)和轉(zhuǎn)子或軸存在橫向裂紋、支承滑動(dòng)（滾動(dòng)）軸承故障等隱患問題引起機(jī)械設(shè)備振動(dòng)時(shí)，無法采取現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡技術(shù)消除設(shè)備振動(dòng)隱患，而需要通過其他方式解決處理。所以在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)平衡校驗(yàn)時(shí)，要通過頻譜分析方法、相位分析方法結(jié)合機(jī)械設(shè)備故障診斷的經(jīng)驗(yàn)，判斷、識(shí)別振動(dòng)故障的類別，采取對(duì)應(yīng)的措施消除設(shè)備隱患。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡儀在旋轉(zhuǎn)設(shè)備上的應(yīng)用

對(duì)因動(dòng)不平衡引起旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)異常時(shí)，頻譜及相位變化的特征要點(diǎn)如下：不平衡主要引起基頻振動(dòng)，振動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，并在通過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)有峰值出現(xiàn)；不平衡量增大，則引起水平、垂直等徑向振幅同時(shí)增大，而軸向振幅變化不大；不平衡引起的基頻振動(dòng)分量與轉(zhuǎn)軸相位之間的角度（基頻分量的相位）保持不變，水平方向與垂直方向振動(dòng)相位相差約90。

在故障診斷中，只有熟悉和了解設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理、工作特性、使用和維修情況、掌握必備的理論知識(shí)、積累現(xiàn)場(chǎng)診斷的經(jīng)驗(yàn)技能，才能夠快速判定處理設(shè)備故障問題，解決設(shè)備故障制約生產(chǎn)的矛盾。

使用在線動(dòng)平衡儀對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備校驗(yàn)之前，還需要根據(jù)旋轉(zhuǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)工況條件，準(zhǔn)備動(dòng)平衡所需的物料、選出此次動(dòng)平衡校驗(yàn)的測(cè)量基點(diǎn)、合理的校正平面和動(dòng)平衡校驗(yàn)時(shí)的轉(zhuǎn)速等各項(xiàng)工作。準(zhǔn)備合適，才能保證動(dòng)平衡校驗(yàn)工作省時(shí)、省力、高效地完成。

3 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡的應(yīng)用

3.1 振動(dòng)測(cè)試及故障診斷

現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡校驗(yàn)的方法是在旋轉(zhuǎn)設(shè)備支承位置上用磁電式速度傳感器測(cè)量振動(dòng)，光電信號(hào)鍵相傳感器測(cè)量相位基準(zhǔn)和轉(zhuǎn)速。設(shè)備按設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)后，可將振動(dòng)狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量信號(hào)，再經(jīng)過在線動(dòng)平衡儀測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算、分析，得出校正平面上不平衡量的大小和相位角度，最終得出測(cè)量校驗(yàn)結(jié)果。

長鋼軋鋼廠高速線材設(shè)備為國產(chǎn)仿摩根五代改進(jìn)設(shè)備，2012 年建成投產(chǎn)運(yùn)行，設(shè)計(jì)運(yùn)行速度為95 m/s，實(shí)際穩(wěn)定總軋速度為81 m/s，主要產(chǎn)品品種為5.5～14 mm 全系列精品線材和中碳鋼（30#～60#系列、SWRH42ACB 系列）、高碳預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼 絞 線（SWRH77BG、SWRH82B 特 等 系 列）、冷 墩 鋼（SWRCH22A）、爆破線（BP05）合金焊線等線材產(chǎn)品。該生產(chǎn)線重要成圈設(shè)備吐絲機(jī)裝配為哈爾濱哈飛工業(yè)有限責(zé)任公司制造的國產(chǎn)仿摩根五代機(jī)型（圖1），投產(chǎn)后使用有7 年，在吐絲機(jī)的日常維護(hù)和維修中，吐絲管、吐絲盤、吐絲錐都屬于經(jīng)常更換的易損件，這些部件的更換都可能導(dǎo)致吐絲機(jī)整體不平衡現(xiàn)象發(fā)生。日常滿負(fù)荷生產(chǎn)狀態(tài)下，吐絲管、吐絲盤等部件的磨損、吐絲錐在冷熱反復(fù)變化的工況下出現(xiàn)變形和外表氧化掉皮等情況，可使吐絲機(jī)平衡系統(tǒng)逐漸被破壞，振動(dòng)逐步增大，并還可能導(dǎo)致支撐軸承出現(xiàn)疲勞破壞。

圖1 長鋼軋鋼廠高線吐絲機(jī)現(xiàn)場(chǎng)

2019 年7 月28 日，將外修后的吐絲機(jī)上線使用后，吐絲機(jī)振動(dòng)超出范圍，不能滿足工藝生產(chǎn)要求。吐絲機(jī)在轉(zhuǎn)速為1420 r/min時(shí)，在線動(dòng)平衡儀測(cè)量通頻振動(dòng)幅值為12.733 mm/s，超過廠家規(guī)定的預(yù)警值4.5 mm/s。1 倍頻率的振動(dòng)峰值為17.356 mm/s，在頻譜圖中占主導(dǎo)地位，并且振動(dòng)相位穩(wěn)定（圖2）。根據(jù)故障診斷經(jīng)驗(yàn)，先檢查吐絲機(jī)連接部位及底座地腳螺絲無松動(dòng)現(xiàn)象，再結(jié)合對(duì)頻譜圖的分析，判斷是吐絲機(jī)更換吐絲管或?qū)ν陆z盤面修理后，破壞了吐絲機(jī)整體的動(dòng)平衡效果，導(dǎo)致其在運(yùn)行中振動(dòng)幅值變大、振動(dòng)異常，影響生產(chǎn)運(yùn)行。因此使用在線動(dòng)平衡儀對(duì)吐絲機(jī)進(jìn)行動(dòng)平衡校驗(yàn)，排除吐絲機(jī)振動(dòng)故障。

圖2 長鋼軋鋼廠高線吐絲機(jī)振動(dòng)頻譜圖

3.2 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡實(shí)施

圖3 為吐絲機(jī)安裝示意圖。吐絲機(jī)結(jié)構(gòu)屬于懸臂轉(zhuǎn)子，有兩個(gè)可以校正的平面，即近端平面和遠(yuǎn)端平面（吐絲盤面）。查閱相關(guān)資料結(jié)合動(dòng)平衡實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在兩校正平面上單獨(dú)做動(dòng)平衡校驗(yàn)或在兩個(gè)平面內(nèi)同時(shí)做動(dòng)平衡校驗(yàn)，都可以減少吐絲機(jī)的不平衡量，減小因不平衡引起的振動(dòng)過大的問題。為簡化動(dòng)平衡流程，節(jié)約檢修時(shí)間，故對(duì)吐絲機(jī)吐絲盤單面實(shí)施動(dòng)平衡校驗(yàn)，采用磁電式速度傳感器測(cè)量大端軸承處水平方向徑向振動(dòng)速度，光電信號(hào)鍵相傳感器所提供的鍵相脈沖信號(hào)作為振動(dòng)相位的參考基準(zhǔn)。

傳動(dòng)計(jì)算：查閱吐絲機(jī)裝配圖紙，得知吐絲機(jī)裝配輸入齒輪軸齒數(shù)為63 個(gè)，輸出齒輪軸齒數(shù)為41 個(gè)，增速比為1.537。電機(jī)轉(zhuǎn)速為920 r/min 時(shí)，吐絲機(jī)轉(zhuǎn)速為1420 r/min。

吐絲機(jī)的轉(zhuǎn)速為1420 r/min 時(shí)測(cè)量的初始振動(dòng)峰值為10.443 mm/s 和振動(dòng)相位為340（圖4）。

在去除配重的情況下，在線動(dòng)平衡儀經(jīng)過幾次動(dòng)平衡校驗(yàn)后，通過數(shù)據(jù)分析計(jì)算出在配重相位128的位置增加5.5 g 配重（圖6）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在130位置增加7 g 配重后，重新提高吐絲機(jī)轉(zhuǎn)速到1420 r/min，通頻振動(dòng)幅值降至1.332 mm/s，低于4.5 mm/s 廠家設(shè)定的預(yù)警值，達(dá)到使用要求，不再繼續(xù)進(jìn)行動(dòng)平衡校驗(yàn)。

圖3 長鋼軋鋼廠高線吐絲機(jī)安裝示意

圖4 測(cè)量吐絲機(jī)初始振動(dòng)峰值和相位

在線動(dòng)平衡校驗(yàn)后，高線吐絲機(jī)的振動(dòng)頻1 倍頻的振動(dòng)值分量明顯減小，且振動(dòng)相位穩(wěn)定（圖7）。

吐絲機(jī)運(yùn)行幾年后，會(huì)因?yàn)楦鞣N因素導(dǎo)致吐絲機(jī)振動(dòng)，經(jīng)過分析排除其他振動(dòng)原因后，對(duì)吐絲機(jī)實(shí)施在線動(dòng)平衡校驗(yàn)，能夠消除設(shè)備振動(dòng)異常，達(dá)到廠家預(yù)定值。若均采用返廠維修做動(dòng)平衡校驗(yàn)或邀請(qǐng)廠家上門做動(dòng)平衡校驗(yàn)，送修時(shí)間長、服務(wù)費(fèi)用高，影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

圖5 試重后測(cè)量吐絲機(jī)振動(dòng)峰值和相位

圖6 增加配重后吐絲機(jī)振動(dòng)峰值和相位

圖7 校驗(yàn)后吐絲機(jī)振動(dòng)頻譜圖

利用在線動(dòng)平衡儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備不脫離現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)平衡校驗(yàn)這一科學(xué)的設(shè)備維修技術(shù)，能夠解決高線吐絲機(jī)振動(dòng)異常問題。實(shí)踐表明，應(yīng)積極采用、推廣科學(xué)科學(xué)的維修技術(shù)和維修方式，加強(qiáng)設(shè)備的現(xiàn)代化管理力度，保證設(shè)備技術(shù)狀況達(dá)到最佳、壽命周期內(nèi)費(fèi)用降到最低。

4 長鋼公司應(yīng)用案例

長鋼公司煉鋼廠運(yùn)轉(zhuǎn)一次除塵風(fēng)機(jī)是除塵設(shè)備的重要設(shè)備。2019 年5 月維修人員點(diǎn)檢過程中發(fā)現(xiàn)1#除塵風(fēng)機(jī)振動(dòng)異常，振動(dòng)幅值為10.64 mm/s。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合設(shè)備使用工況條件，分析可能是由葉輪結(jié)渣引起的不平衡故障，故使用高壓水槍沖洗轉(zhuǎn)子結(jié)渣污垢后，采用在線動(dòng)平衡技術(shù)對(duì)除塵風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行動(dòng)平衡校驗(yàn)，在線動(dòng)平衡校驗(yàn)過程中，共加配重711 g，振動(dòng)幅值降至0.003 mm/s（圖8），達(dá)到設(shè)備運(yùn)行要求，在線使用時(shí)間達(dá)1 個(gè)月。

動(dòng)平衡技術(shù)還可以應(yīng)用在對(duì)焦化廠臥螺離心機(jī)、煉鐵廠TRT、熱風(fēng)爐風(fēng)機(jī)等設(shè)備上進(jìn)行動(dòng)平衡校驗(yàn)。

對(duì)在線旋轉(zhuǎn)設(shè)備診斷分析是由不平衡原因引起的設(shè)備故障，實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡校驗(yàn)排除故障，是一種既能減小人工勞動(dòng)強(qiáng)度又能縮減檢修時(shí)間的好方法。

5 結(jié)論

設(shè)備出現(xiàn)振動(dòng)故障以后，需要?jiǎng)悠胶鈨x測(cè)量轉(zhuǎn)子的振動(dòng)參數(shù)，通過頻譜分析、相位分析確認(rèn)引起轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障的原因，判定由不平衡因素引起的振動(dòng)時(shí)，采取現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡校驗(yàn)可以達(dá)到比較滿意的效果。如果不經(jīng)過判斷轉(zhuǎn)子故障的類別而盲目地使用動(dòng)平衡儀對(duì)事故轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡校驗(yàn)，不僅達(dá)不到預(yù)期效果，而且還有可能導(dǎo)致檢修時(shí)間的延遲、影響生產(chǎn)運(yùn)行。

總之，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡技術(shù)在設(shè)備檢修中的應(yīng)用很有成效，如煉鋼廠除塵風(fēng)機(jī)、高線吐絲機(jī)、煉鐵TRT 等關(guān)鍵設(shè)備，葉輪的承載面極易磨損及粘灰結(jié)垢，造成失衡現(xiàn)象。清除結(jié)渣污垢后，利用在線動(dòng)平衡技術(shù)分析校驗(yàn)，設(shè)備仍然可以長時(shí)間地正常運(yùn)行。

圖8 煉鋼廠一次除塵風(fēng)機(jī)動(dòng)平衡實(shí)例