基于振動理論的風機裂紋故障診斷

師忠玉

（山西大唐國際運城發電有限責任公司，山西運城044602）

1 設備現況

某離心式風機用于向鍋爐等離子點火裝置輸送載體風，使煤粉的燃燒速度加快，達到點火并加速煤粉燃燒的目的。風機與電機直連，軸系為懸臂轉子，電動機底座和風機殼體均安裝在混凝土基礎上。設備參數如下：電動機額定電壓380 V，額定功率15 kW，轉速2 985 r/min，風機流量2 295 m3/h，全壓10 634 Pa。

2 振動試驗分析過程

2.1 振動異常情況

設備正常運行中振動超標但是振動數值穩定，用手持式測振儀進行振動測試，數值最大位置為電機軸向，振動幅值為180μm，其次為電機驅動端垂直方向，振動幅值為100μm。對該設備進行監督運行，計劃利用停運機會進行檢查處理。

在對設備定期巡檢中，發現風機聲音異常，用手持式測振儀測試電機軸向振動幅值為200μm，電機驅動端垂直方向振動幅值為530μm。隨后停運此風機，在轉軸裸露部位表面粘貼鍵相標記，再次啟動后采用測振儀進行測試。振動傳感器采用國產速度傳感器，測振點位置在電機自由端和電機驅動端，測量水平、垂直和軸向3個方向的振動，振動測試數據如表1所示。

表1 振動數據列表

2.2 振動試驗情況

2.2.1 靜平衡試驗

該離心式風機電動機底座高度400 mm，同類型設備還有3臺，振動均正常，說明設備結構剛度正常。振動為工頻振動，測量電動機和底座無差別振動，說明連接剛度正常[1]。因為此設備正常運行中振動較大且穩定，分析有一定的原始質量不平衡，且在葉輪上加重容易實現，故第一步采用平衡減小激振力的方法，目的是觀察加重后的振動變化。對于此類小型風機，長徑比較小，轉子的不平衡測試可以采用靜平衡的方法，第一次試加重一般可以將振動降低至理想的范圍內。靜平衡試驗方法如下。

a）先將圓周分成8或12等份。

b）用一小塊磁鐵，分別加至各等分點上，這樣輪盤會轉動不同的角度。重復2～3次，確定每次加重轉動的角度基本相同。

c）在磁鐵上再逐漸加小鐵塊，加重位置為轉動角度最小的等分點上，直至轉動角度達到最大的角度為止。

d）稱量所加的所有鐵塊的質量，其質量的1/2即為靜平衡所加的質量，加重位置為單獨加磁鐵轉動角度最小的等分點處。

e）重復上述步驟，直至加重后輪盤各等分點轉動相同角度為止。

靜平衡試驗注意事項：一是要注意磁鐵周圍不能有鐵磁性物體；二是磁鐵體積要盡量小，保證每次的加重位置以及各點的加重半徑一致；三是在每一個等分點上加重，相對固定坐標系每一次加重的角度應固定；四是要避免因環境空氣流動影響平衡效果；五是要對順轉動方向和逆轉動方向分別進行靜平衡試驗，兩個方向的加重誤差應較小。

按照上述靜平衡方法，計算出平衡加重質量為4.5 g，說明軸系原始不平衡量較小。第一次實際試加質量為4.3 g，加重后振動不降反增，振動仍是以工頻為主，且工頻振動相位變化不大，其中電機驅動端垂直方向振動幅值增加了50μm，電機軸向振動幅值增加了100μm。

2.2.2 動平衡試驗

根據第一次試加重后的振動數據，計算出了第二次的加重量，清除第一次加重的物體，之后在相反位置加重質量3.5 g，與原始振動比較也是不降反增，振動仍是以工頻為主，且工頻振動相位變化不大，其中電機驅動端垂直方向振動幅值增加了20μm，電機軸向振動幅值增加了50μm。

通過2次平衡加重，出現了矛盾的結果，影響系數發生了較大的變化[2]。如果按照此方法繼續加重，預計將會在兩個相反的加重位置交替加重，而且原始振動也不會降低。

根據兩次加重的結果，說明了質量不平衡不是造成振動大的主要原因。

2.2.3 結構自振頻率試驗

圖1為停運惰走過程電機軸向振動波德圖。由圖1分析可知，風機停運降速過程中，在工作轉速附近（2 920 r/min）存在共振現象，是轉子臨界轉速還是電機基礎系統結構共振，需要進行區分。

圖1 振動波德圖

電動機和風機葉輪總質量約150 kg，為改變結構自振頻率，在電機頂部臨時增加30 kg鐵塊，并與電機固定為一體。再次啟動風機，振動沒有發生變化。停運風機，在停機過程轉速為2 920 r/min時仍存在共振現象，說明此共振現象不是電機基礎系統的結構共振，只能是軸系臨界轉速共振。測試同類型的3臺風機，在工作轉速附近均沒有共振現象，說明正常情況下轉子的臨界轉速應高于工作轉速。

2.3 初步分析

正常情況下，轉軸自由振動的固有頻率是固定的，轉軸固有頻率隨抗彎剛度的增大而增大，隨轉軸長度、轉軸質量的增加而減小[3]，引起該風機固有頻率改變的因素只能是抗彎剛度的變化。轉軸的抗彎剛度與2個物理指標有關，一是彈性模量，由物體本身的材料決定；二是慣性矩，由物體的形狀決定。裂紋可以引起轉子固有頻率的降低，造成共振轉速點的下移[4]。具體此風機而言，只能是慣性矩改變，所以將葉輪與軸的連接緊力和裂紋這兩方面作為排查的重點。

根據有關資料[5]，當轉軸存在橫向裂紋時，具有以下特征：一是振動隨運行時間增長而發生變化；二是裂紋引起的是普通強迫振動；三是轉子平衡難度大，加重響應明顯降低；四是會產生倍頻振動；五是振動熱變量顯著增大。對于此風機而言，與前3個特征比較吻合。

3 檢查處理結果

通過外觀檢查，在風機葉輪根部與軸套焊接的位置發現一橫向裂紋，約占周長的1/3。將裂紋打磨補焊后，再次啟動后風機振動正常，葉輪裂紋補焊后振動數據如表2所示，觀察風機停運過程，在轉速2 920 r/min附近已沒有共振現象。

表2 葉輪裂紋補焊后振動數據

4 葉輪根部裂紋引起振動的機理分析

轉軸的裂紋為橫向，是由彎曲應力主導的。轉軸存在橫向裂紋，必然會造成轉軸抗彎剛度的降低，一方面造成轉子不平衡的靈敏度增大，使轉子在旋轉中的撓曲增大，表現為振動的增大；另一方面會使轉軸自由振動的固有頻率降低，共振轉速降低。通過此風機的消振，以上2條都得到了驗證。

5 結論

a）該風機異常振動的原因是風機葉輪根部軸套原始焊接部位產生了裂紋。

b）對振動故障的診斷，旋轉設備停機惰走的振動數據有時很重要。通過該風機惰走共振區間的變化，確定了故障診斷和檢查的重點。

c）某些振動故障的診斷，容易將轉子臨界轉速和結構共振混淆，為確定振動原因需要進行區分，本文通過改變結構自振頻率的方法進行了區分。

d）振動的發生和變化歷史，對于故障診斷異常重要。對該風機進行回顧，隨著時間的增長，先是振動較大且穩定地運行，說明此時已經有裂紋的發生且裂紋比較穩定，此時的振動原因不是質量不平衡。在后來的某一時間段振動發生了較大的變化，說明此時裂紋已經擴展，設備因振動大已無法繼續運行。

e）現場旋轉設備的振動異常，若動平衡過程中每次加重的影響系數存在較大變化，應暫停動平衡并排查引起影響系數變化的原因。