師忠玉

（山西大唐國(guó)際運(yùn)城發(fā)電有限責(zé)任公司，山西運(yùn)城044602）

1 設(shè)備現(xiàn)況

某離心式風(fēng)機(jī)用于向鍋爐等離子點(diǎn)火裝置輸送載體風(fēng)，使煤粉的燃燒速度加快，達(dá)到點(diǎn)火并加速煤粉燃燒的目的。風(fēng)機(jī)與電機(jī)直連，軸系為懸臂轉(zhuǎn)子，電動(dòng)機(jī)底座和風(fēng)機(jī)殼體均安裝在混凝土基礎(chǔ)上。設(shè)備參數(shù)如下：電動(dòng)機(jī)額定電壓380 V，額定功率15 kW，轉(zhuǎn)速2 985 r/min，風(fēng)機(jī)流量2 295 m3/h，全壓10 634 Pa。

2 振動(dòng)試驗(yàn)分析過(guò)程

2.1 振動(dòng)異常情況

設(shè)備正常運(yùn)行中振動(dòng)超標(biāo)但是振動(dòng)數(shù)值穩(wěn)定，用手持式測(cè)振儀進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，數(shù)值最大位置為電機(jī)軸向，振動(dòng)幅值為180μm，其次為電機(jī)驅(qū)動(dòng)端垂直方向，振動(dòng)幅值為100μm。對(duì)該設(shè)備進(jìn)行監(jiān)督運(yùn)行，計(jì)劃利用停運(yùn)機(jī)會(huì)進(jìn)行檢查處理。

在對(duì)設(shè)備定期巡檢中，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)聲音異常，用手持式測(cè)振儀測(cè)試電機(jī)軸向振動(dòng)幅值為200μm，電機(jī)驅(qū)動(dòng)端垂直方向振動(dòng)幅值為530μm。隨后停運(yùn)此風(fēng)機(jī)，在轉(zhuǎn)軸裸露部位表面粘貼鍵相標(biāo)記，再次啟動(dòng)后采用測(cè)振儀進(jìn)行測(cè)試。振動(dòng)傳感器采用國(guó)產(chǎn)速度傳感器，測(cè)振點(diǎn)位置在電機(jī)自由端和電機(jī)驅(qū)動(dòng)端，測(cè)量水平、垂直和軸向3個(gè)方向的振動(dòng)，振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 振動(dòng)數(shù)據(jù)列表

2.2 振動(dòng)試驗(yàn)情況

2.2.1 靜平衡試驗(yàn)

該離心式風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)底座高度400 mm，同類(lèi)型設(shè)備還有3臺(tái)，振動(dòng)均正常，說(shuō)明設(shè)備結(jié)構(gòu)剛度正常。振動(dòng)為工頻振動(dòng)，測(cè)量電動(dòng)機(jī)和底座無(wú)差別振動(dòng)，說(shuō)明連接剛度正常[1]。因?yàn)榇嗽O(shè)備正常運(yùn)行中振動(dòng)較大且穩(wěn)定，分析有一定的原始質(zhì)量不平衡，且在葉輪上加重容易實(shí)現(xiàn)，故第一步采用平衡減小激振力的方法，目的是觀察加重后的振動(dòng)變化。對(duì)于此類(lèi)小型風(fēng)機(jī)，長(zhǎng)徑比較小，轉(zhuǎn)子的不平衡測(cè)試可以采用靜平衡的方法，第一次試加重一般可以將振動(dòng)降低至理想的范圍內(nèi)。靜平衡試驗(yàn)方法如下。

a）先將圓周分成8或12等份。

b）用一小塊磁鐵，分別加至各等分點(diǎn)上，這樣輪盤(pán)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)不同的角度。重復(fù)2～3次，確定每次加重轉(zhuǎn)動(dòng)的角度基本相同。

c）在磁鐵上再逐漸加小鐵塊，加重位置為轉(zhuǎn)動(dòng)角度最小的等分點(diǎn)上，直至轉(zhuǎn)動(dòng)角度達(dá)到最大的角度為止。

d）稱(chēng)量所加的所有鐵塊的質(zhì)量，其質(zhì)量的1/2即為靜平衡所加的質(zhì)量，加重位置為單獨(dú)加磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)角度最小的等分點(diǎn)處。

e）重復(fù)上述步驟，直至加重后輪盤(pán)各等分點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)相同角度為止。

靜平衡試驗(yàn)注意事項(xiàng)：一是要注意磁鐵周?chē)荒苡需F磁性物體；二是磁鐵體積要盡量小，保證每次的加重位置以及各點(diǎn)的加重半徑一致；三是在每一個(gè)等分點(diǎn)上加重，相對(duì)固定坐標(biāo)系每一次加重的角度應(yīng)固定；四是要避免因環(huán)境空氣流動(dòng)影響平衡效果；五是要對(duì)順轉(zhuǎn)動(dòng)方向和逆轉(zhuǎn)動(dòng)方向分別進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)，兩個(gè)方向的加重誤差應(yīng)較小。

按照上述靜平衡方法，計(jì)算出平衡加重質(zhì)量為4.5 g，說(shuō)明軸系原始不平衡量較小。第一次實(shí)際試加質(zhì)量為4.3 g，加重后振動(dòng)不降反增，振動(dòng)仍是以工頻為主，且工頻振動(dòng)相位變化不大，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)端垂直方向振動(dòng)幅值增加了50μm，電機(jī)軸向振動(dòng)幅值增加了100μm。

2.2.2 動(dòng)平衡試驗(yàn)

根據(jù)第一次試加重后的振動(dòng)數(shù)據(jù)，計(jì)算出了第二次的加重量，清除第一次加重的物體，之后在相反位置加重質(zhì)量3.5 g，與原始振動(dòng)比較也是不降反增，振動(dòng)仍是以工頻為主，且工頻振動(dòng)相位變化不大，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)端垂直方向振動(dòng)幅值增加了20μm，電機(jī)軸向振動(dòng)幅值增加了50μm。

通過(guò)2次平衡加重，出現(xiàn)了矛盾的結(jié)果，影響系數(shù)發(fā)生了較大的變化[2]。如果按照此方法繼續(xù)加重，預(yù)計(jì)將會(huì)在兩個(gè)相反的加重位置交替加重，而且原始振動(dòng)也不會(huì)降低。

根據(jù)兩次加重的結(jié)果，說(shuō)明了質(zhì)量不平衡不是造成振動(dòng)大的主要原因。

2.2.3 結(jié)構(gòu)自振頻率試驗(yàn)

圖1為停運(yùn)惰走過(guò)程電機(jī)軸向振動(dòng)波德圖。由圖1分析可知，風(fēng)機(jī)停運(yùn)降速過(guò)程中，在工作轉(zhuǎn)速附近（2 920 r/min）存在共振現(xiàn)象，是轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速還是電機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)共振，需要進(jìn)行區(qū)分。

圖1 振動(dòng)波德圖

電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)葉輪總質(zhì)量約150 kg，為改變結(jié)構(gòu)自振頻率，在電機(jī)頂部臨時(shí)增加30 kg鐵塊，并與電機(jī)固定為一體。再次啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，振動(dòng)沒(méi)有發(fā)生變化。停運(yùn)風(fēng)機(jī)，在停機(jī)過(guò)程轉(zhuǎn)速為2 920 r/min時(shí)仍存在共振現(xiàn)象，說(shuō)明此共振現(xiàn)象不是電機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)共振，只能是軸系臨界轉(zhuǎn)速共振。測(cè)試同類(lèi)型的3臺(tái)風(fēng)機(jī)，在工作轉(zhuǎn)速附近均沒(méi)有共振現(xiàn)象，說(shuō)明正常情況下轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)高于工作轉(zhuǎn)速。

2.3 初步分析

正常情況下，轉(zhuǎn)軸自由振動(dòng)的固有頻率是固定的，轉(zhuǎn)軸固有頻率隨抗彎剛度的增大而增大，隨轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)軸質(zhì)量的增加而減小[3]，引起該風(fēng)機(jī)固有頻率改變的因素只能是抗彎剛度的變化。轉(zhuǎn)軸的抗彎剛度與2個(gè)物理指標(biāo)有關(guān)，一是彈性模量，由物體本身的材料決定；二是慣性矩，由物體的形狀決定。裂紋可以引起轉(zhuǎn)子固有頻率的降低，造成共振轉(zhuǎn)速點(diǎn)的下移[4]。具體此風(fēng)機(jī)而言，只能是慣性矩改變，所以將葉輪與軸的連接緊力和裂紋這兩方面作為排查的重點(diǎn)。

根據(jù)有關(guān)資料[5]，當(dāng)轉(zhuǎn)軸存在橫向裂紋時(shí)，具有以下特征：一是振動(dòng)隨運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)而發(fā)生變化；二是裂紋引起的是普通強(qiáng)迫振動(dòng)；三是轉(zhuǎn)子平衡難度大，加重響應(yīng)明顯降低；四是會(huì)產(chǎn)生倍頻振動(dòng)；五是振動(dòng)熱變量顯著增大。對(duì)于此風(fēng)機(jī)而言，與前3個(gè)特征比較吻合。

3 檢查處理結(jié)果

通過(guò)外觀檢查，在風(fēng)機(jī)葉輪根部與軸套焊接的位置發(fā)現(xiàn)一橫向裂紋，約占周長(zhǎng)的1/3。將裂紋打磨補(bǔ)焊后，再次啟動(dòng)后風(fēng)機(jī)振動(dòng)正常，葉輪裂紋補(bǔ)焊后振動(dòng)數(shù)據(jù)如表2所示，觀察風(fēng)機(jī)停運(yùn)過(guò)程，在轉(zhuǎn)速2 920 r/min附近已沒(méi)有共振現(xiàn)象。

表2 葉輪裂紋補(bǔ)焊后振動(dòng)數(shù)據(jù)

4 葉輪根部裂紋引起振動(dòng)的機(jī)理分析

轉(zhuǎn)軸的裂紋為橫向，是由彎曲應(yīng)力主導(dǎo)的。轉(zhuǎn)軸存在橫向裂紋，必然會(huì)造成轉(zhuǎn)軸抗彎剛度的降低，一方面造成轉(zhuǎn)子不平衡的靈敏度增大，使轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)中的撓曲增大，表現(xiàn)為振動(dòng)的增大；另一方面會(huì)使轉(zhuǎn)軸自由振動(dòng)的固有頻率降低，共振轉(zhuǎn)速降低。通過(guò)此風(fēng)機(jī)的消振，以上2條都得到了驗(yàn)證。

5 結(jié)論

a）該風(fēng)機(jī)異常振動(dòng)的原因是風(fēng)機(jī)葉輪根部軸套原始焊接部位產(chǎn)生了裂紋。

b）對(duì)振動(dòng)故障的診斷，旋轉(zhuǎn)設(shè)備停機(jī)惰走的振動(dòng)數(shù)據(jù)有時(shí)很重要。通過(guò)該風(fēng)機(jī)惰走共振區(qū)間的變化，確定了故障診斷和檢查的重點(diǎn)。

c）某些振動(dòng)故障的診斷，容易將轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)共振混淆，為確定振動(dòng)原因需要進(jìn)行區(qū)分，本文通過(guò)改變結(jié)構(gòu)自振頻率的方法進(jìn)行了區(qū)分。

d）振動(dòng)的發(fā)生和變化歷史，對(duì)于故障診斷異常重要。對(duì)該風(fēng)機(jī)進(jìn)行回顧，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，先是振動(dòng)較大且穩(wěn)定地運(yùn)行，說(shuō)明此時(shí)已經(jīng)有裂紋的發(fā)生且裂紋比較穩(wěn)定，此時(shí)的振動(dòng)原因不是質(zhì)量不平衡。在后來(lái)的某一時(shí)間段振動(dòng)發(fā)生了較大的變化，說(shuō)明此時(shí)裂紋已經(jīng)擴(kuò)展，設(shè)備因振動(dòng)大已無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行。

e）現(xiàn)場(chǎng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)異常，若動(dòng)平衡過(guò)程中每次加重的影響系數(shù)存在較大變化，應(yīng)暫停動(dòng)平衡并排查引起影響系數(shù)變化的原因。