雙級動葉引風機軸頸松動引發兩倍頻振動分析探討

無錫利信能源科技有限公司 張志亮

1 故障現象

江蘇利港電力有限公司#5鍋爐吸、增風機二合一改造后配備了兩臺上海鼓風機廠SAF 型電站雙級動葉可調軸流式引風機，設計轉速747r/min。為防止風機機殼的振動和噪聲傳遞至進氣箱和擴壓器乃至管道，進氣箱和擴壓器通過撓性聯接（圍帶）同風機機殼相連接。該風機安裝后振動一直偏大，后返廠修理發現動葉裝配混亂，遂重新對葉片進行了調整及對葉輪進行了動平衡，后運行振動情況較穩定。

2020年9月17日，#5爐引風機A 在運行過程中振動逐漸增大并呈擴大趨勢，離線的振動監測數據顯示軸承箱振幅45μm 至90μm，振速2.9mm/s 至7.0mm/s，并隨運行時間有明顯增大趨勢，頻譜分析主要為兩倍頻。9月21日風機單側運行，停運引風機A 進行簡單宏觀檢查未發現明顯異常。9月22日再次啟動后，通過切換該風機自動為手動發現動葉不調整的情況下該風機的振動穩定，說明振動隨葉片開度調節相關性很大。檢查歷史趨勢，發現該風機在8月機組小修啟動后振動變化趨勢已與動葉調節相關性較大，振動亦有上升的發展趨勢，至9月17日振動突然就開始呈現不斷擴大趨勢。9月23日起已將負荷響應速率由13MW/min 降到了2MW/min，隨著風機開度變化放緩振動變化也有所緩解。9月27日對風機各支撐件及風機外殼振動測量匯總如表1。

表1 風機各支撐件及風機外殼振動測量匯總表

圖1 風機振動正常及異常頻譜圖

8月18日狀態監測的風機正常頻譜圖見圖1a)，9月30振動異常后的頻譜見圖1b)。10月1日機組調停后對該風機進行了解體檢查，發現了二級葉輪推力盤加固用的四個固定導桿中有一根斷裂，其它三根均有不同程度的松動現象，該推力盤固定導桿是后期為防止推力盤異常轉動而加裝的，當時分析這可能是致使振動異常的主要原因，后重新做了四個導桿并焊接加固處理，同時對軸承箱進行了解體檢查并更換了主軸軸承。

10月5日機組啟動后發現振動呈逐漸增大趨勢且依舊與動葉調整相關，證明問題還沒有徹底解決，10月12日進行單側風機運行，停運該引風機再次解體檢查處理，發現二級葉輪與主軸的并冒螺栓有兩三毫米的轉動痕跡，繼續解體葉輪發現主軸軸徑與葉輪配合間隙存在松動現象，而之前發現的推力盤導桿斷裂也有了作用力的解釋，隨即進行了修復處理。10月16日風機復位后振動頻譜如圖2所示，兩倍頻幾乎消失，振動也不再隨動調開度變化而改變，但多倍頻的出現及較大的工頻說明風機又存在著動平衡、機械松動等異常，這些還需要后期進一步處理。

2 原因分析

由于風機的軸承座是在煙道中布置，反映風機的在線振動測點也分別布置在軸承座兩側水平和垂直方向上，離線的狀態監測振動測點只布置了一個在第一級葉輪側的軸承座水平方向上。通過進氣箱、擴壓器及風機機殼振動測試結果(表1)及頻譜分析，并參考相關論文排除如下異常原因：現場沒有異常氣流“吼聲”，振動主要發生在風機機殼處，可排除氣流脈動、喘振因素；一些文獻資料反映大容量軸流的外形尺寸較大而支撐材料往往比較薄弱，橫向剛度較差，易引起較大的橫向振動，本風機機殼的水平振動比垂直方向要大些，不排除風機的橫向剛度弱的現象，但如沒有其它激振源的情況下振動往往以工頻為主；風機支撐處的振動均較小，可排除基礎松動現象及因松動而造成的局部共振等的影響[1-2]；異常振動的頻譜分析也沒有發現高倍頻或軸承故障頻率，也可排除軸承故障的影響[3-4]。

該風機的振動變化主要發生在動葉調節過程中，特別是動葉不斷開大則振動就會呈發散型增大。風機自動運行狀態下的振動波動正比風機動葉開度變化，可以判斷激振源就與動葉相關，“激勵”的源頭可能是動葉開度存在不一致現象，也可能存在其它轉子部件松動而引起動葉做功異常變化的因素。10月1日解體檢查發現的推力盤固定導桿斷裂問題雖然也可以解釋以上振動變化現象，但導致其斷裂和松動的原因還是10月12日再次解體發現的二級葉輪主軸軸徑與葉輪配合間隙存在松動造成。

該引風機實際轉速為747r/min，單級葉輪的葉片為22片，正常的葉片通過頻率為747×22=16434rpm。最近一次8月18日狀態監測數據的振動頻譜（圖1a），通頻振幅11μm，振速0.7mm/s，一二三四倍頻均有些。9月17日異常產生后其振動頻譜分析主要為兩倍頻異常增大。葉片通過頻率也可在頻譜圖上發現，但與工頻及其它頻率一樣，與兩倍頻相比在頻譜圖中所占份額極少見（圖1b）。

動調風機的的轉子上活動部件較多，結構布置比較復雜，安裝要求也較嚴格，些許松動、卡澀就會引起較大的振動。實際振動的產生往往都是各種因素綜合引起，這需從振動的原理結合設備的實際結構布置及檢修檢查到的異常去尋找答案。本風機振動頻譜分析異常頻率主要為兩倍頻，而激發出大幅值的兩倍頻的振動主要原因是軸系對中的異常變化引起，包括軸承不對中和聯軸器不對中；另外就是結構特征振動或開列的結構或軸承座產生的松動等。

2.1 軸承不對中

主要原因是軸承歪裝在軸上或其它原因引起軸承歪斜在軸上，一些事例表明這樣的狀態將產生明顯的軸向振動，但通過對風機各支撐件及風機外殼振動測量數據分析，軸向振動并不明顯，通過對軸承箱解體檢查也未發現軸承歪裝。

2.2 聯軸器不對中

風機轉子是通過風機側的半聯軸器、電機側的半聯軸器和中間軸與驅動電機連接，中間軸長達近5米，且本風機采用的是有彈性膜片連接的剛撓性聯軸器傳遞扭距，其本身就具有誤差補償、吸振等特點，該聯軸器使各跨轉子相對獨立，消減彼此間的相互影響[5]，也就是說靜態對中即使有點出入，但因彈性膜片聯軸器接納不對中的能力較大，兩段軸之間影響較小。盡管如此，本次風機異常振動發生后每次揭蓋檢查均校正對中情況，對中數據都在合格范圍之內，外觀檢查聯軸器彈性膜片無異常破損，基本排除靜態對中不良的影響。

圖2 10月16日風機復位后振動頻譜

2.3 結構特征振動或開列的結構或軸承座產生的松動

2.3.1 結構特征振動產生探討—兩倍頻產生的原因簡析

該風機的主軸和滾動軸承同置于一鑄鐵箱體-軸承箱內，此箱體同心地安裝在風機下半機殼中并用螺栓固定。在主軸的兩端各裝一個滾柱軸承用以承受徑向力，為了承受軸向力，在近聯軸器端裝有一個向心推力球軸承以承受逆氣流方向的軸向力。風機扭矩通過剛撓性聯軸器連接一根長軸傳遞，軸系支撐結構見圖3。

圖3 引風機軸系支撐結構示意圖

如上的軸承支撐結構，支撐點2承受了全部的軸向推力，且支點2和支點3的軸承外圈是通過壓緊彈簧相靠，有一定擺動間隙，這樣的支撐系統當受到外來干擾因素易激發以推力軸承支點2處為支點的擺動振動。由于葉輪上的每個葉片因為葉型、角度等差異而所受逆氣流方向的反作用力不同或本身煙氣流場不均等使得葉輪旋轉產生一定的振動，二級葉輪軸頸的松動擴大了這樣的振動，同時軸頸的松動也也會改變葉輪的回轉中心，破壞轉子的動平衡狀態，如上布置的雙轉子結構情況就以支點2處產生了左右擺動的力偶不平衡現象，又因為一級葉輪側通過剛撓性聯軸器連接了較重的傳遞紐距的長軸，剛撓性聯軸器本身就具有誤差補償、吸振等特點，風機側的振動擬通過聯軸器傳遞到連接長軸上，但被彈性膜片的彈性變形補償了所聯兩軸的相對位移，致使聯軸器以彈性膜片為紐帶，兩側的剛性聯軸器產生相對位置的變化[6]，致使在以上支撐結構下產生類似對中不良現象的發生，理論上其支承點1、3處水平振動的相位是相差180度，圖4描述了水平不對中產生兩倍頻的現象。當處理好葉輪軸徑松動的問題后，其產生的激振源消失，風機運行后頻譜顯示兩倍頻也幾乎消失。

圖4 平行不對中產生旋轉頻率兩倍頻的徑向振動

2.3.2 開列的結構或軸承座的松動或其它因素造成軸承箱支撐變形

開列的結構或軸承座的松動或其它因素造成軸承箱支撐變形后引起軸系的對中不良，從而產生了兩倍頻的振動。本風機在異常發生后檢修過程中著重檢查了諸如結構裂紋或軸承座裂紋、軸承座固定螺栓有無松動等，均未發現異常。從平常運行及修后振動情況分析，也基本排除其它因素造成支撐變形。

3 結語

大功率雙級動調吸風機整體結構尺寸大、橫向剛性較差，較易引起風機的橫向振動，又因其風機結構復雜，葉輪上活動部件較多，安裝要求也較嚴格，些許松動、卡澀就會引起較大的振動。本風機從振動現象到兩次解體檢修過程說明振處理振動的復雜性，軸頸松動現象可說是設備經常發生的異常現象之一，但兩倍頻的出現就需詳細了解設備結構布置、解體檢查情況，再結合設備的支撐和剛撓性聯軸器傳動特點等分析特征頻譜產生的主要原因。本文希望對類似風機的異常振動處理提供參考。