冷卻循環(huán)除塵風機故障診斷

杭 磊 展 宇

（上海寶鋼工業(yè)技術服務有限公司 上海）

1.概述

2011年9月6日，冷卻循環(huán)除塵風機在轉子現場動平衡后第7天，突然因振動增大觸發(fā)風機在線振動監(jiān)控跳機保護，機組停機。該風機結構為雙支撐雙吸離心式，主動力為三相異步電機，功率355 kW，轉速997 r/min。電機和風機兩側軸承均為軸瓦式滑動軸承，電機與風機通過彈性柱銷聯軸器連接。

對跳機保護動作后的除塵風機進行診斷測試，使用儀器為Telesen8823數采器、CSI2130振動測試分析儀、激光轉速表。機組測點布置見圖1。

2.故障分析與診斷

監(jiān)測風機兩側軸承座水平方向振動，以振動速度有效值作為狀態(tài)報警和跳機保護參量，分別為狀態(tài)報警值4.5 mm/s和跳機保護值6 mm/s。由于在線振動監(jiān)測系統沒有數據記錄功能（僅有振動值實時顯示、振值超標報警和跳機保護功能），不能確認風機跳機前后振動值變化情況，即不能確認是監(jiān)測系統受到干擾或傳感器故障引發(fā)信號失真而誤動作，或是風機振動烈度超標而跳機保護。

圖1 機組測點布置

如果是風機在線振動監(jiān)測系統受到干擾或傳感器故障引發(fā)信號失真而誤動作，只需使用離線振動測試儀器監(jiān)控風機從啟動至額定轉速過程的振動值變化即可進行排除；如果是風機振動烈度超標，導致風機振動大的可能原因有風機轉子和軸承、軸承座緊固及基礎、電機轉子和軸承、電機地腳緊固及基礎、機組聯軸器及對中出現了故障，根據設備結構尺寸、運行參數和檢修記錄，上述可能故障可逐項排除，最終確定故障原因。

首先，冷卻循環(huán)除塵風機7天前（2011年8月30日）剛因風機葉輪磨損進行了補焊和轉子平衡校正，振動值符合絕對標準的優(yōu)良級別（表1，風機在線儀表顯示的振動數據與離線儀表測試值相當）。風機軸承座緊固螺栓、電機地腳緊固螺栓不可能在機組振動很小的情況下自行松動；而電機、風機基礎也不可能在小振動、短時間里發(fā)生嚴重的沉降、開裂、松動的情況；最后，即使機組彈性柱銷聯軸器及對中存在問題，也不可能在7天內嚴重劣化導致振動烈度超過6 mm/s。因此，風機軸承座緊固及基礎故障、電機地腳緊固及基礎故障、機組聯軸器及對中故障等可以排除。

其次，在冷卻循環(huán)除塵風機跳機前后，電機和風機4個軸瓦的溫度一直保持穩(wěn)定，未出現波動。滑動軸承最嚴重、最常見的故障是潤滑油不足或缺失引起的瓦軸邊界摩擦和干摩擦，而風機是在運行7天后發(fā)生振動增大，即便是風機因潤滑油缺失引起故障，也應是一個漸變過程，即從潤滑油內部液體摩擦到瓦軸邊界摩擦，再到瓦軸干摩擦。在此過程中，軸瓦的溫度首先上升，接著進入瓦軸干摩擦狀態(tài)時，軸承振動才會迅速增大。故電機和風機軸承發(fā)生故障引起機組振動大跳機可能性不大。

表1 機組振動值 mm/s

最后，異步電機轉子和風機轉子相比，質量、直徑、轉動慣量均遠遠小于風機，就是小質量、小轉動慣量的電機轉子單獨發(fā)生故障，也很難在電機軸承的約束下通過彈性聯軸器將振動毫無損失地傳遞給風機并造成大質量、大轉動慣量的風機振動烈度超過6 mm/s。只有大質量、大轉動慣量的風機轉子本身發(fā)生故障才有可能在風機軸承座上產生如此強烈的振動。所以，如果風機振動烈度確實超過跳機值，那么不管電機轉子是否存在故障，風機轉子一定存在問題并引起風機軸承座振動異常。查閱風機檢修檔案，風機轉子不平衡是風機投運至今常發(fā)且唯一的故障。結合此次風機水平振動值7天內從0.66 mm/s上升至6 mm/s以上的現象，認為風機轉子部位有物體脫落或異物掛繞，導致其不平衡的可能性最大。據此，采用在線動平衡儀器，全程監(jiān)控和記錄風機從啟動至額定轉速過程中轉頻振動值和相位的變化，通過風機一次啟動，完成故障判定、風機轉子不平衡參數獲取。

3.故障判斷與驗證

根據綜合分析，無論風機故障是在線振動監(jiān)測系統受到干擾或傳感器故障引發(fā)信號失真而誤動作，還是振動烈度超過了跳機保護值，只需使用測振儀和動平衡儀全程監(jiān)控一次風機從啟動至額定轉速過程中振動幅值和相位的變化即可確認，同時為排除風機不平衡故障獲取施工數據。

風機重新啟動后監(jiān)測結果顯示，隨著風機轉速升高，風機振動值（水平方向）不斷增大。當接近997 r/min的額定轉速時，風機振動達到30.5 mm/s高值后跳機。監(jiān)測過程中，在線振動監(jiān)測系統、離線測振儀Telesen8823和CSI2130動平衡儀三者的振動實時值相當。因此，在線振動監(jiān)測系統發(fā)生故障的可能性排除，而風機轉子本體存在故障引發(fā)風機振動異常得以確認。

進一步分析，在線振動監(jiān)測系統和離線測振儀Telesen8823顯示的振動數值為0～1000 Hz頻率段所有振動的速度有效值的通頻值，而CSI2130動平衡儀顯示的僅僅是風機轉頻振動的速度有效值，但三者的實時值基本相同，這說明在風機啟動過程中，風機轉頻振動自始至終是能量占絕對地位的主振動，即風機轉頻振動是唯一振動。符合轉頻振動為主、振動與轉速密切關聯特征的轉子故障有不平衡、共振等。

如果是風機轉子部位有物體脫落或異物掛繞導致其不平衡，根據該風機7天前的動平衡經驗系數（位置正確的情況下，在葉輪最外緣處加上700 g質量的配重，風機轉頻振動從2 mm/s下降至0.05 mm/s），脫落或掛繞的物體折合在葉輪最外緣處的質量約11 000 g，這是一個相當大的質量塊。風機葉輪上所有平衡配重塊脫落也不過2800 g，而能被風機吸入并掛繞在風機轉子上的集塵布袋、紙張、抹布等異物也難達到這個質量。因此有可能是風機轉子局部開裂脫落。

仔細查看從啟動至額定轉速過程中動平衡儀器記錄的轉頻振動值。記錄顯示，風機轉速250 r/min時轉頻振動值0.38 mm/s，500 r/min時轉頻振動值1.62 mm/s，750 r/min時轉頻振動值3.93 mm/s，而當風機轉速進入900～997 r/min區(qū)間時，轉頻振動值迅速從5.86 mm/s上升至30.5 mm/s。可以看出，風機在轉速0～900 r/min區(qū)間時，轉子屬于剛性轉子失衡狀態(tài)（高度符合風機振幅與轉速的平方成正比的特性），而進入900～997 r/min區(qū)間時已處于非剛性轉子失衡狀態(tài)（完全不符合剛性轉子失衡時振幅與轉速的平方成正比的變化關系），這與以往冷卻循環(huán)除塵風機在額定轉速內一直處于剛性狀態(tài)完全不同。

風機在500 r/min時仍處于剛性轉子運行狀態(tài)，此時轉頻振動值1.62 mm/s，故可推斷出風機轉子若能在剛性狀態(tài)下達到額定轉速時的振動值約為6.44 mm/s，而風機最終的振動值高達30.5mm/s，遠遠超過了這一預期值，由此肯定風機已進入了一階臨界轉速的共振區(qū)間，據此認為，風機轉子一階固有頻率下移并接近原設計的額定工作頻率，引發(fā)共振。

分析造成轉子固有頻率下降的原因：影響轉子固有頻率的兩個參數是轉子剛度和轉子質量，當轉子剛度下降或者質量增大時，轉子固有頻率就會下降。在轉子剛度不變的情況下，風機轉子即使掛繞110 kg（按照11 000 g極限質量的10倍估算）異物，相對12 000 kg的風機轉子來說，增重還不足1%，其對風機轉子固有頻率的影響微乎其微。所以，一定是風機轉子剛度下降造成了冷卻循環(huán)除塵風機轉子固有頻率的下降。而風機轉軸、中盤等轉子承重主架構存在裂紋是引起轉子剛度下降的最可能原因。風機存在巨大的故障隱患，不能繼續(xù)運行，必須對風機轉子進行全面探傷檢查。

將風機轉子吊出檢查發(fā)現，風機葉輪中盤在粉塵的長期磨損下厚度變薄，徑向截面積變小，承載能力下降，在原有的拉應力作用下開裂，造成風機轉子剛度下降嚴重，這與上述診斷一致。