風機振動故障分析

楊龍

摘 要：簡單介紹通風機振動的概念及評定標準，進而分析歸納風機振動的類型及表征，最后介紹振動故障的排查診斷方法。

關鍵詞：離心式通風機；振動；原因表征；故障診斷

1、概述

通風機是依靠輸入的機械能，將機械能轉化為氣體壓力，并向外輸送氣體的一種機械，它是一種靠外界能量從動的流體類機械。目前通風機廣泛的應用于鋼鐵冶金、石油化工、火力發電、煤氣回收、污水處理及核電等多種行業及領域中。據相關調查所得，目前國內大型風機企業的收入有百分之九十五來自于鋼鐵、石化、火電和水泥四大行業。在轉爐冶煉凈汽化系統中風機機械是必不可少的，主要用于管道系統中煙氣、粉塵等混合氣體雜質的抽排輸送，已達到煤氣回收和環保除塵的效果。該類風機一般采用離心式通風機，風量可達10萬M3/h，轉速在600-3000r/min之間，原動機一般選用6kv或10kv高壓驅動、功率達1000KW的電動機。風機作為一種高速運轉在復雜環境中的大型機械，在運行過程中最常出現的故障就是振動。

本文以鋼鐵冶煉中轉爐煤氣回收及除塵風機為研究對象，從風機本體及驅動電機等方面全面分析風機系統振動的原因、各類振動的現象表征和頻譜表征及振動故障排查處理方法。

2、風機振動的概念及評定標準

2.1電動機的振動表示及限值

在工業現場中表示振動的參數一般有三個：振動幅值（mm）、振動速度（mm/s）和振動加速度（mm/s2）。在GB 10068-2000中給定的對振動無特殊要求的電機不同軸中心高的振動強度參考標準，見表1。

在實際中電機振動的判斷主要依據是振動烈度[1]。振動烈度即電機軸承振動速度的有效值，它既代表了振動系統的能量，也反映了振動過程的時間歷程，因此，目前振動速度被認為是能夠全面描述振動過程的量值[2]。但對于JS、JR等老系列的電動機也可用老標準振動幅值（雙位移）作為考核依據，表2給出了不同轉速下老系列電機的振幅限值。振動加速度一般只在做振動頻譜分析的時候有所納入

2.2風機機械的振動限值

風機機械振動和電機振動的概念和測量是一致的，在ISO10816-1中給出了機器機械振動的參考標準，見表3。

其中，I類機械指發動機和機器的單獨部件。它們完整地聯接到正常運行狀況的整機上（15KW以下的電機是這一類機器的典型例子）。II類機械指無專門基礎的中型機器（具有15～75KW輸出功率的電機），在專門基礎上剛性安裝的發動機或機器（300KW以下）。III類機械指具有旋轉質量安裝在剛性的重型基礎上的大型原動機和其它大型機器，基礎在振動測量方向上相對是剛性的。IV類機械指具有旋轉質量安裝在基礎上的大型原動機和其它大型機器，其基礎在振動測量方向上相對是柔性的（例如輸出功率大于10MW的汽輪發電機組和燃氣輪機）。

區域A表示優，新交付使用的機器的振動通常屬于該區域。區域B表示良，通常認為振動值在該區域的機器可不受限制地長期運行。區域C表示較差，通常認為振動值在該區域的機器不適宜于長期持續運行。一般來說，該機器可在這種狀態下運行有限時間，直到有采取補救措施的合適時機為止。區域D表示差，振動值在這一區域中通常被認為振動劇烈，足以引起機器損壞。

綜上所述，本文所研究的風機機械應該屬于III類機械，其運行正常振動速度應小于4.5mm/s，當振動大于4.5mm/s時就應安排下線檢修。

3、風機系統振動的類型及表現特征

風機系統基本由風機機械、原動電機和連接部件聯軸器構成。可以從其構成分析其振動的原因，即風機本體的振動、驅動電機振動和二者配合連接引起的振動。風機本體的振動主要來源于風機轉子不平衡、流體介質負載不均造成的喘振、軸承座及滑動軸承潤滑不當及磨損引起的振動、還有基礎部件松動引起的振動及機械共振。電動機振動主要源于電磁振動、軸承損壞及轉軸彎曲引起振動、還有機械部件振動。連接部位振動住要源于兩者配合調整不到位引起的振動及聯軸器本身引起的振動。歸納總結大致可以把振動分為以下七類：轉子不平衡、風機出口壓力與入口風量不對稱引起的喘振、風機軸承異常振動、電動機電磁振動、軸心線不對中引起的振動、螺栓松動及基礎劣化引起的振動、機械共振。

（1）轉子不平衡。由于風機轉子在高溫、潮濕、雜質量大、甚至具有腐蝕性的復雜混合氣體介質中高速旋轉，運行一段時間后，轉子表面難免會附著一定量的雜質顆粒或者受到沖擊磨損。轉子表面有的部位遭到腐蝕磨損而有的部位堆積雜質顆粒，必然導致轉子質量不平衡，在高速旋轉時就會引起風機振動，表現為其振動值隨運行時間延長逐漸增大。也有因為轉子上的零部件脫落或葉輪流道有異物附著、卡塞造成的突發性不平[3]。所以風機轉子按周期的清理檢修十分必要。同樣驅動電機的轉子也可能出現不平衡，電機轉子不平衡引起的振動主要表現為徑向振動，且振動隨轉速的增加而增大，與負載無關。大電機一般在出廠前或者周期保養時都會做轉子動平衡實驗。

（2）風機出口壓力與入口風量不平衡引起的喘振。喘振是風機運行中的特殊現象，風機喘振主要是由于出口壓力與風機入口風量失去對應所致。當管網異常等原因導致出口壓力很高而入口風量很小使得風機葉片部分或全部進入失速區，這時風機一會向負載排氣，一會又向負載吸氣，風機就會出現喘振。風機喘振最直接的表現就是風量、出口壓力、電機電流出現大幅波動，劇烈震動并伴有異常噪聲[4]。

（3）風機軸承問題引起的振動。高壓大型風機的裝配一般都采用滑動方式裝配，所以風機的裝配和潤滑十分重要。風機檢修完裝配時 兩端必須保持水平且軸瓦的瓦襯一般都需要進行研刮。軸瓦研刮的目的是為了使瓦襯形成圓的幾何形狀，使軸瓦與軸徑間存在鍥形縫隙，以保證軸徑旋轉時，摩擦面間能形成鍥形油膜，使軸徑在油膜的浮力作用下運轉，以減輕與瓦襯的摩擦，降低其磨損與動力的消耗，軸瓦的檢查與研刮可采用著色法或干研法。另外風機運行過程中必須保證供油充足，防止因潤滑不良造成軸瓦及軸徑的磨損，從而引起風機振動。同樣電機的軸承也可能出現磨損、表面剝落點蝕、破碎等異常故障。不論滑動軸承還是滾動軸承出現問題最直觀的反映為軸承溫度急劇升高。

（4）驅動電機的電磁振動。在確保軸承質量和動平衡的前提下，籠型三相異步電動機的主要振動源是磁場相互作用產生隨時間和空間變化的電磁力引起的電磁振動[5]。具體來說，電磁振動有定子三相磁場不對稱引起的振動，氣隙偏心引起的振動和電機轉子異常引起的振動。定子電磁振動的主要特征為振動頻率為電源頻率的2倍，切斷電源后電機振動立即消失。氣隙偏心有兩種情況：一種是靜態不均勻，主要是由于電動機定子中心與轉子軸心不重和引起的；另一種是動態不均勻，主要是由于轉軸撓曲或轉子鐵心不圓造成的。轉子回路異常將產生不平衡的電磁力，從而產生振動，該類振動的主要特征是振動隨負載增加而增加，當負載超過50%以上時較為顯著。

（5）軸心線不對中引起的振動。安裝時電動機與風機本體的軸心線必須一致重合，因為聯軸器問題或者調整不到位，兩者軸心線錯位時，電動機在運行過程中就會受到來自聯軸器的作用力，從而產生振動。軸心線不對中引起的振動主要有3個特點：一是軸向振動較大，二是越靠近聯軸器振動越大，三是振動中2倍旋轉頻率的成分增加，同時伴有基頻和3倍頻[6]。

（6）螺栓松動及基礎劣化引起的振動。基礎灌漿不良，地腳螺栓松動，墊片松動，基座連接不牢固都將引起機械振動。該類振動的主要特征是有問題的地腳螺栓處振動最大，且以徑向分量最大，振動頻率為轉速的奇數倍頻率組合。一般都認為基礎劣化的可能微乎其微，但不能完全排除，筆者就有過因電機基礎預埋螺栓斷裂引起電機振動的教訓。

（7）共振。共振是指一物理系統在特定頻率下，比其他頻率以更大的振幅做振動的情形，此特定頻率稱之為共振頻率。風機在旋轉時處于臨界速度時即發生最大的撓度變形，此時就會發生共振。增大通風機的轉子重量或減小軸的直徑都可以使軸的臨界速度降低，從而避開了共振點，同樣可以通過改變機殼、基礎等，改變設備固有的共振頻率。

4、風機的運行檢修

由于風機轉子所處的運行環境比較惡劣，且突發故障造成的后果比較嚴重，所以風機一般都要進行周期性的清理檢修。周期清理檢修重點對轉子進行沖洗清理及常規檢查緊固，同時每次檢修完畢的恢復都是一次重裝上線，軸瓦的研刮、軸心線的對中調平都是必須的。故下面的故障排查對風機轉子漸進式的不平衡，風機軸承異常，軸心線不對中及聯軸器異常，螺栓松動等引起的振動不再詳述。

5、風機振動故障診斷的一般步驟

引起風機振動的原因有很多，一般可以通過直觀經驗按由易到難的順序逐步排查淘汰。

（1）測量風機兩側軸承座及電機兩端的軸向水平、軸線垂直、徑向振動值，通過各測量點的對比，初步聚焦振源是風機還是電機。如果振值由大到小的排列是風機側、電機負荷側、電機非負荷側，那么基本可以斷定振源是風機本體。如果無法通過直觀的比較得出結論，可以斷開電源拆開聯軸器，使電動機與風機分離，單獨試驗電動機，測量電機是否振動。

（2）一般機械負載振動的概率要遠大于電機振動的概率。風機本體的振動除了第四節所述的常規原因外，還可能因為突發性的轉子不平衡等其它機械因素引發的振動。

（3）利用調節風機管網前后閥門開度對風機進行氣流激振試驗，在調節閥門不同的開度下，改變管道流量壓力，測量風機的振動值，判別風機振動是否由喘振引起的。

（4）電機振動的分析。電機的振動可以通過瞬時停電法來區分是機械原因還是電氣原因引起的，停電瞬間，如若電機振動明顯減弱，則說明是電氣原因為主，否則，機械原因的可能性大。電機的振動最有可能是內部軸承異常引起的，軸承問題除了振動的判斷還可以通過聽音來判斷。

（5）電機的電磁振動。首先檢查三相電源是否平衡，現在一般都是變頻器驅動，電源的問題幾乎可以排除。其次檢查三相電流及三相繞組的電阻值是否平衡，如果不平衡，就需要專業檢修單位對電機進行解體檢查檢修，徹底解決電機內部的問題，并做轉子動平衡實驗，確保電機軸沒有問題。

（6）風機本體、電機、聯軸器經檢查如果都正常，最后就需要懷疑基礎了，對基礎的水平面，強度進行檢查檢測。

6、結束語

隨著信號檢測技術和計算機技術的高速發展，大量的振動數據監測分析軟件應運而生，當直觀經驗無法做出準確判斷時可以借助軟件工具進行精密分析。但故障診斷系統更多的是根據振動波形圖、頻譜圖、軸心軌跡圖等測量結果給出很多可能，通常是診而未斷，扎實的理論依據和豐富的實踐經驗將幫助我們做出準確判斷。

參考文獻：

[1]商景泰. 通風機手冊[M].北京：機械工業出版社，1994.

[2]崔文珍，張秋云. 離心式通風機的振動分析與治理[J].機械應用與研究，2010，（3）.

[3]屈紹山， 王亞娟. 風機振動故障的診斷[C].// 全國火電100-200MW級機組技術協作會年會論文集.2009.

[4]劉新華. 離心風機喘振現象的分析與控制[J].中國電子商務，2010，（4）.

[5]莊火庚. 籠型三相異步電動機的電磁振動計算方法的研究[J].電機與控制應用，2016，43（4）.

[6]姬廣勤，徐興科，趙以萬. 引風機振動故障的診斷與分析[J].風機技術，2006，（6）.