利用相位分析技術診斷鍋爐風機高振動故障探討

陳明華，楊在江，肖宇，葉劍

（中海油能源發展裝備技術有限公司機電中心，天津 300452）

鍋爐應風機是某油礦油氣處理廠的關鍵設備，由一臺異步電動機直接驅動。機組長期整體高振動，風機非驅動端軸承頻繁故障，嚴重影響鍋爐及工廠的穩定生產。廠方監測工程師對風機進行了定期振動數據采集和分析，對軸承的振動變化趨勢進行了監測，但一直未能確定軸承頻繁故障的原因。為此，廠方委托我公司進行現場故障分析。

1 設備基本信息及首次數據測試情況

經現場勘查后，對正在運行的設備進行了首次數據測試，測試參數包括加速度及速度的頻率和振動幅值。設備測點示意圖及測試數據如圖1和表1所示。

圖1 設備測點示意圖

電機和風機振動主要表現水平方向，振動值均在6mm/s以上，頻譜圖中以一倍工頻為主（圖2），電機時域波形清晰可見正弦波（圖3），風機兩端測點水平振動頻譜不僅有占主導的一倍工頻峰值，還存在工頻的高次諧波（圖4）。電機垂直方向和軸向振動值為水平方向一半左右，但頻譜特點與水平方向一致。同樣，風機兩端垂直方向和軸向振動值約為水平方向的一半，頻譜特點與水平方向一致。根據上述信息，顯然不能準確分析設備高振動故障原因，只能初步判斷電機轉子或風機存在不平衡、軸彎曲故障，機組存在角度不對中故障，或機組底座剛性不足、風機軸承座松動、風機軸承跑圈的多種可能性。

表1 測試數據

2 對機組全面測試，對測試數據進行分析

圖2

圖3

圖4

圖5

為確定設備高振動和軸承頻繁故障的原因，進行了所有測點加速度和速度頻譜、幅值、絕對相位三個振動參數的全面測試，并測試了多組數據。測試的頻譜與幅值數據與首次測試數據相比，并沒有顯著變化。其中值得關注的是，風機非驅動端的加速度是域波形圖顯示軸承存在顯著的沖擊現象（圖5）。

對于相位數據，為簡化數據表，取其中兩次測試的相位數據，詳見表2。

測試第4點水平、垂直絕對相位圖分別如圖6。

圖6

對上述相位數據表、相位圖和加速度時域波形分析可知：（1）設備測點1/2/3點的水平、垂直、軸向兩次測試數據變化均在30度以內，相位穩定；設備測點4點測試水平、垂直、軸向數據變化較大，分別為62度、42度、71度，相位變化不穩定。在第四點的相位圖（圖6）中可見，多次測試的數據存在大幅度跳動，四點水平方向跳動值已超過180度，相位極不穩定。（2）機組兩次測試1/2/3點水平和垂直相位差在71～107度，在90度上下19度范圍內波動，較為穩定。（3）電機兩端兩次軸向測點的相位差為1度、13度，相位穩定，屬于同相振動；三點四點軸向相位差為53度，相位不穩定。（4）聯軸器兩端兩次測試數據的軸向相位差為13度、23度，相位穩定，且為同相振動。（5）第四點加速與時域波形顯示，軸承沖擊峰明顯為4.245g，周期為30HZ。

3 根據分析數據，整理設備故障特征，診斷故障原因

（1）結合首次測試數據，可得到以下診斷特征信息：①電機振動以一倍工頻為主，諧波次數低、峰值很小；水平方向是垂直方向振動的2倍左右。電機兩端水平方向與垂直方向相位差約90度。電機兩端對應的水平、垂直、軸向分別為同相振動，顯示電機轉子為剛性回轉運動。由此，可排除，軸彎曲、底座鋼結構剛性不足及鋼結構的緊固螺栓松動的可能性。②電機與風機轉子軸向為同相振動。由此可排除不對中的可能性。③風機兩端振動以一倍工頻為主，諧波次數高、峰值明顯；水平方向振動是垂直方向、軸向振動的兩倍。電機驅動端三個方向相位相對穩定，水平方向與垂直方向的相位差穩定在90度左右；但電機非驅動端三個方向相位極不穩定，存在絕對相位值的大幅度跳動。現場檢查風機轉子軸承座螺栓緊固情況，均處于緊固狀態。由此，排除風機軸承座松動問題。④風機軸承存在顯著的工頻沖擊峰值。

表2

（2）綜上可得出，設備高振動及風機軸承頻繁故障的原因為：①電機轉子不平衡，且以靜不平衡為主；建議轉子在生產允許的條件下做轉子動平衡。②風機非驅動端軸承存在跑圈故障，建議檢查軸承與軸承座裝配配合情況，如軸承座孔尺寸偏差較大，建議更換。

4 后續維修情況及思考

（1）后續維修情況：工廠采納建議后，對非驅動端軸承軸承裝配情況進行了檢查，更換了軸承座；并在工廠停工期間對轉子做了動平衡。設備振動的狀況得到了顯著改善，消除了生產重大隱患。

（2）思考：通過相位分析，能夠了解機組各轉子的振動形態和各測點之間的相對運動（時空）關系，是設備故障準確定位的有效工具。