轴流风机振动故障分析与处理

轴流风机振动故障分析与处理

一、设备参数与结构

风机型号W12g12.5，叶轮直径D2 =1250mm，最高转速n=2550r/min,设计性能参数为：风量Q=235440m3/h,全压p=11 000Pa，进口温度t=150℃，进口密度ρ=0.763kg/m 3 ，输送介质为转炉煤气（干法除尘）。

风机结构和试验台布置见图1。该风机主要由转子和定子组成，转子包括主轴、叶轮、联轴器、固定端轴承（以下简称轴承1）和非固定端轴承（以下简称轴承2），定子包括进风箱（含进口导叶和轴承I的底座）、机壳（含后导叶和轴承II的底座）、扩压器和钢制风机底座。显然，与一般离心风机结构不同的是，轴承I的底座和轴承II的底座均未与混凝土基础直接接触。为完成运转试验过程，由增速机通过长度为3.3m的加长型空心轴将两台直流电动机串联。

二、振动特点

根据转炉各冶炼阶段（准备、预热/降罩、吹炼、补吹、出钢、清理炉口、加废钢兑铁）的不同，该风机的运行工况频繁变换。因此，不仅要满足各冶炼阶段所需性能参数以及防泄漏、防爆的要求，还要满足35～38min内低、高速频繁调速运行的要求。所以，制造厂需对其进行严格的出厂运行实验。然而，该风机在运行实验中却发生了严重的振动问题，振动数据见表1，尤其进行的所有实验转速还远达不到最高设计转速2 550r/min，显然，这个振动问题的分析和处理十分具有挑战性。

由表1可分析其振动特点如下：

1）风机振动与转速关联性强，转速越高，振动越大；

2）风机升/降速过程中，在同一转速的振动特性相同，具有重复性；

3）风机轴承I 与轴承II 振动相差不大，即振动数量级相同；在2 320r/min 以上，风机轴承I与轴承II相比，前者垂直方向振动小于后者，而水平方向振动大于后者，显示二者在垂直和水平方向的刚度存在差异；

4）增速机振动与转速关联性强，在输出轴反转2 400r/min时达到10.0mm/s,由此增加了振动问题的复杂性；

5）受电机功率限制，最高转速只有达到正转2 349r/min和反转2 400r/min，不可能实施冲转实验；

6）风机最高线速度为167m/s,但在试验中无法实施，需由次高转速判断最高转速时的振动特性。

三、振动检测分析

风机主要有动不平衡、不对中、轴承故障、转子零部件部分松动或脱落、转子转速接近临界转速、共振等八大类振动问题，但具体表现在不同的风机结构

上，其振动征兆会有所区别，尤其是振动由多种因素共同作用时，则大大增加了诊断和分析的复杂性。对于本例，不排除为多种因素的复合作用，为此，在振动频谱分析、转子模态测试等方面都进行了相应的分析工作。

本例采用的测试仪器和传感器有八通道数据采集箱、四通道信号调理仪、激振器、功率放大器、速度传感器、加速度传感器、力锤及力传感器；所应用的软件有SsCras信号与系统分析、SinSwt 正弦扫频动力特性及MaCras 机械及结构模态分析。

1、增速机振动

首先解决增速机振动问题。根据经验，对增速机滑动轴承重新浇瓦、加工，同时将增速机高、低速端联轴器与其齿轮轴重新进行动平衡校正。增速机经过维修后其高速输出端带负荷运行到2 400r/min时振动速度仅为2.5mm/s，表明增速机振动已经排除。但在后续的风机试验中（风机振动见表1），则说明风机振动此时已经与增速机无关联。

2、振动频谱分析

各试验转速下的振动频率分析见表2。正转2 349r/min时的振动频谱见图2（其余转速的振动频谱略去），其中：图2（a）、2（b）为轴承I的垂直、水平振动频谱，图2（c）、2（d）为轴承II的垂直、水平振动频谱。由此分析：升速2 000r/min以后振动明显增加，频谱以工频分量为主，基本没有2倍频分量且基础振动不大，可以排除轴系对中及基础安装不牢固的可能，但提高转子动平衡品质等级对解决问题是有利的；再升高转子速度后，出现幅值较低的2倍频、3倍频和4倍频分量，不排除叶轮内焊渣、氧化皮或其它异物未清理干净的因素。

3、检测共振问题

由于无论整机或单独吊出转子组试验，上述振动特性基本一致，所以怀疑存

在共振的可能。为此，采用了两种测试方法互为补充。

第一种方法：采用正弦扫描法测试转子、机壳内筒和机壳外筒的共振频率。扫描时进风箱、机壳上盖打开，拆除扩压器，转子维持正常安装状态。测试结果见表3和图3。显然，转子一阶弯曲振动临界转速实测结果为55Hz×60=3 300r/min，与理论计算结果3 335 r/min基本一致，说明2 400r/min附近的振动与转子临界转速无关；而转子41Hz不能确认为独立的固有频率，可以认为其处于55Hz的频谱边带范围之内；此外，机壳内筒、机壳外筒均检测出41Hz的频率成分，表明存在结构共振的可能。

第二种方法：采用锤击法测试定子结构的共振频率。

机壳和风机底座敲击点位置见图4。敲击时，进风箱、机壳上盖打开，拆除

扩压器，转子维持正常安装状态。

在图4 中的G1 、G2 、G3 、G4 点为机壳内筒和机壳外筒的敲击部位，分两种情况：一是未加临时支撑板；二是增加三个临时支撑板，以对比增加临时支撑板后其共振频率的变化情况。前者共振频谱见图5，分别测得共振频率为41、40.5、40、40.5Hz，而后者与前者相比，其共振频谱和共振频率基本不变，说明增加临时支撑板后对机壳的共振频率不影响。在图4中D1 ～D7 点为钢制风机底座的敲击部位，只测得D2 、D3 、D4 三个点存在41Hz左右的频率。

另外，由于进风箱附近轴承I所在的位置也表现出刚性不足，则对其敲击检测，结果为轴承I的底架在水平方向也存在41.5Hz的固有频率。

结合上述两种方法的检测结果可以认为，在频率41Hz附近发生了定子的结构共振。根据该风机的结构特点，其刚度弱点位置为：后导叶水平/垂直刚度（但增加有限数量的后导叶是无效的）、轴承I底架的水平刚度、轴承II底架的水平/垂直刚度

4、轴系模态试验

模态是风机结构的固有振动特性，每一阶模态具有特定的固有频率和模态振型。本例分别对空心传动轴和风机转子采用敲击法进行模态试验分析，得到其模态频率和振型见表4和图6。在图6（a）～6（d）中，左侧为增速机输出端，右侧为风机联轴器端，在图6（e）～6（j）中，左侧为风机联轴器端，右侧为轴承II的端部。由此知道，空心传动轴与风机振动无关，而转子一阶弯曲振动临界转速也已经远离工频，这与上述结果是相符的。