一起高轉(zhuǎn)速離心通風機振動故障診斷及思考

黃溢鋒

（南通大通寶富風機有限公司通風機研究所，江蘇 南通 226000）

離心通風機是工業(yè)及民用領(lǐng)域最為常見的通用透平設(shè)備之一，其主要作用是輸送系統(tǒng)所需氣體。通風機主要通過葉輪旋轉(zhuǎn)做功，旋轉(zhuǎn)機械運行時均存在振動，但過高的振動不但影響設(shè)備的使用壽命，也直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以國內(nèi)外對通風機振動的限值要求逐步在提升，如JB/T 8689—2014 《通風機振動檢測及其限值》中要求剛性支撐的轉(zhuǎn)子振動速度有效值RMS≤4.6 mm/s，而ISO 14694：2003《工業(yè)通風機——平衡品質(zhì)與振動等級規(guī)范》中的要求更高，且國內(nèi)等同引用的標準也即將發(fā)布實施。

隨著系統(tǒng)對風機做功能力要求的提高，需要通風機線速度相應(yīng)提高，葉輪直徑大、高轉(zhuǎn)速（3 000 r/min）的通風機的需求也隨之增多。伴隨著轉(zhuǎn)速的提高，風機振動超標故障也更容易出現(xiàn)，因此對通風機的振動故障快速診斷及對產(chǎn)品設(shè)計的改進尤為重要。頻譜分析儀器通過對振動信號的FFT（快速傅里葉轉(zhuǎn)變）可呈現(xiàn)不同頻率上的振動值。通過對振動頻譜的分析，可以較準確地判斷振動原因，便于快速診斷。目前頻譜分析儀或具有頻譜分析功能的設(shè)備已逐步普及，例如諸多現(xiàn)場動平衡儀就帶頻譜分析功能。

1 通風機振動的幾種主因

通風機振動原因一般有以下幾種：①設(shè)計原因。如轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速接近工作轉(zhuǎn)速、葉輪及支架強度或剛度不足、熱膨脹考慮不足導致的熱不對中等情況。②部件制作原因。如旋轉(zhuǎn)件加工偏心，制作缺陷導致強度、剛度不足，焊接件應(yīng)力集中導致變形，輪轂內(nèi)孔與主軸配合間隙過大，軸承座前后孔不同心，支架上的軸承座、電機地腳安裝面不平等情況。③裝配精度原因。如聯(lián)軸器不對中，葉輪、軸承未鎖緊，軸承座、電機地腳未緊固，軸承座或電機地腳虛腳等情況。④不平衡。葉輪、聯(lián)軸器或轉(zhuǎn)子整體剩余不平衡量過大。⑤其他原因。如使用工況處于風機小流量喘振區(qū)、進出管路因素造成的喘振、隔振措施不足等情況。

2 幾種典型振動頻譜特征

以下圖中n為工作轉(zhuǎn)頻，橫坐標為轉(zhuǎn)頻，縱坐標為振動速度有效值（RMS）。

不平衡原因頻譜如圖1 所示，其特征是1 倍頻諧振突出，水平振動值突出。

圖1 不平衡原因頻譜

不對中原因頻譜如圖2 所示，特征是2 倍頻諧振突出，伴隨1～5 倍頻的諧振；軸向振動值突出。

圖2 不對中原因頻譜

機械松動原因頻譜如圖3 所示，特征是多倍頻諧振大。

圖3 機械松動原因頻譜

3 一起綜合因素的通風機振動故障診斷

某離心風機，葉輪直徑為1 060 mm，轉(zhuǎn)速為2 980 r/min，稀油潤滑整體軸承座懸臂支撐結(jié)構(gòu)，使用聯(lián)軸器傳動，自由端前軸承（靠近葉輪）為NJ2320，固定端后軸承為6320。試車時振動值超標，前后軸承處垂直方向為5.6 mm/s、水平方向達8 mm/s。經(jīng)頻譜分析，發(fā)現(xiàn)兩軸承均存在多倍頻的諧振，其中前幾倍頻較大。初步判斷為軸承松動問題。

拆解檢查發(fā)現(xiàn)，軸承外圓的直徑比基準值為-0.05 mm，超過該軸承外圓0～-0.03 mm 標準公差范圍，重新調(diào)整軸承外圈與軸承座內(nèi)孔間隙后再試車，初期，兩軸承處垂直振動明顯減小，均小于2 mm/s，但前軸承處水平振動值大于6 mm/s，仍超標，且前軸承溫度較高。頻譜顯示兩軸承仍為多倍頻振動值偏高，且2 倍頻突出，但軸向振動不大。隨著試車時間增加，垂直、水平方向振動均加大，呈現(xiàn)多倍頻諧振。懷疑軸承壓緊度不足，打開軸承箱檢查發(fā)現(xiàn)，前軸承的鋼保持架已斷裂成多段，油池底部出現(xiàn)許多黑色鐵屑，軸承內(nèi)圈有明顯的高溫灼痕。

更換了一只新的黃銅保持架軸承后試車，垂直振動合格，水平振動仍超標，前軸承頻譜顯示1 倍頻振動值高，并伴有多倍頻較小諧振。同時，垂直和水平方向相位約成90°，判斷為不平衡。

使用現(xiàn)場動平衡儀進行現(xiàn)場單面平衡，在葉輪輪蓋上相應(yīng)相位焊接了一塊28 g 的平衡塊，試車振動值均達標（<2.8 mm/s）。

4 分析及改進

經(jīng)重新的校核和分析，此次屬于軸承及不平衡綜合因素導致的振動問題。

軸承方面，此風機前軸承使用的NJ2320 軸承為寬系列滾子軸承，其一般用于承受大徑向力，承載時為線接觸，對安裝尺寸要求很高。而此風機葉輪質(zhì)量不大，使用軸承選型軟件進行負載核算，發(fā)現(xiàn)此軸承的實際徑向載荷為2.1 kN，遠小于軸承要求的最小載荷6.14 kN，結(jié)果為“不適合使用”。對于軸承選用，人們往往存在一定的誤區(qū)，認為軸承大些好，承載越大越安全，但實際上，有些軸承太大反而更容易失效，如此例中的滾子軸承；如果載荷太小，會造成滾動體在滾道內(nèi)滑動，且此軸承為線性接觸，極易造成滾動體磨損、軸承失效。雖此次經(jīng)處理后振動合格，但軸承選用仍不合理，壽命存在問題，后續(xù)重新選擇并更換了合適的軸承。

不平衡方面原因如下：①葉輪與主軸配合存在間隙，此風機葉輪材質(zhì)為不銹鋼，不銹鋼配合面比較容易咬合，所以在安裝時，安裝人員將軸孔進行了手工打磨，經(jīng)測量，輪轂孔徑為85 mm+0.03～0.07 mm，因離心力與轉(zhuǎn)速比的平方成正比，葉輪在高速旋轉(zhuǎn)時離心力會使軸孔產(chǎn)生徑向擴張，使間隙進一步擴大，偏心距也會增大，造成不平衡。如果打磨造成了錐孔，甚至會造成葉輪傾斜，形成力偶不平衡，那就需要進行雙面動平衡，更難以處理。②葉輪在平衡機上平衡時，使用平衡軸裝配平衡，在間隙、質(zhì)量等方面與實際轉(zhuǎn)子存在一定差異，且平衡機轉(zhuǎn)速較低，不平衡力與轉(zhuǎn)速比成平方放大，如果精度稍差，在高速時就會體現(xiàn)更明顯。③較高轉(zhuǎn)速的風機設(shè)計時使用了普通強度材料，為滿足強度要求，材料較厚，整體偏重，激振力大。

對于高轉(zhuǎn)速風機，設(shè)計制造過程中需要注意如下幾點：①輪轂與主軸配合間隙需要盡可能小，減少間隙引起的偏心距，同時加工精度及粗糙度要更高，以便于安裝。特殊材質(zhì)或高溫的風機可使用錐形軸、孔加預(yù)緊力配合。②葉輪設(shè)計時可使用高強度材料，以減輕葉輪質(zhì)量，減小激振力。③支架應(yīng)比低轉(zhuǎn)速風機進一步加強，以提升整體剛度。④軸承選用不是“越大越好”，適合才是最好的。

5 結(jié)束語

產(chǎn)生振動的因素較多，單一因素造成的振動較易判斷，但綜合因素引起的振動較難判斷。可將其分解為不同的因素分步處理。

充分利用頻譜分析的方法進行診斷可大大提高準確性和效率。

對于高轉(zhuǎn)速風機，要進一步考慮加工精度、配合間隙、平衡精度等因素，設(shè)計時需要盡可能減少轉(zhuǎn)子質(zhì)量，整體剛度需足夠，從多角度減少不平衡量或抵御激振力。