離心式風機振動原因分析與檢修

□ 閆俊杰 □ 姚云輝 □ 李 鵬

中國石化催化劑有限公司長嶺分公司 湖南岳陽 414000

1 離心式風機概述

離心式風機是催化劑企業常用的重要設備,在生產中主要用于焙燒爐燃氣助燃及系統通風與除塵等。當離心式風機出現軸承振動偏大、軸承運行溫度偏高、響聲異常等故障現象時,如不能準確判斷并及時處理,故障將會進一步嚴重,造成整條生產線甚至整套裝置停工,嚴重影響生產的正常進行。

在日常生產中,離心式風機軸承振動及軸承運行溫度偏高是常見的故障現象。當離心式風機出現軸承振動偏大及軸承運行溫度偏高故障現象時,檢修人員可以通過軸承運行聲響、振動、溫升等可觀察的現象和測得的數據,來分析離心式風機振動及軸承運行溫度偏高的原因,并制訂相應的檢修方案。一般用手持式測振儀測量振動,用紅外測溫儀測量軸承運行溫度。

2 離心式風機結構

離心式風機通常由集流器、葉輪、機殼、傳動部件、基座、電機等組成,如圖1所示。

集流器將氣流均勻導向至葉輪,使氣流流動阻力最小。目前,催化劑廠通常采用的集流器結構為圓弧形。

葉輪是離心式風機唯一的運轉部件,葉輪旋轉對氣流做功,使通過離心式風機的氣流壓力升高。

離心式風機的機殼為蝸卷形,由兩塊側板和一個蝸卷形板組成,蝸卷形板與葉輪之間的截面積沿蝸卷旋轉方向逐漸增大,目的是盡量減少氣流在機殼內的流動損失。

傳動部件包括主軸和軸承,有的離心式風機還包括聯軸器和皮帶輪。傳動部件用于連接離心式風機與電機。

基座是離心式風機的支撐部件,一般采用鑄件或用型鋼焊接而成。

3 離心式風機工作原理

離心式風機工作時,葉輪高速旋轉,充滿在葉輪中的氣流在離心力作用下被甩向葉輪外側,使空氣受到壓縮,壓力升高,并匯集到蝸卷形的機殼內。在經過斷面逐漸擴大的機殼時,氣流速度逐漸降低,氣流的一部分動能轉換為靜壓,最后氣流以一定的壓力由機殼的排氣口排出。與此同時,由于葉輪內的氣流被排出,葉輪中心區域形成負壓,進氣口外的氣流在壓力差作用下,從進風口流入。由于葉輪連續旋轉,氣流不斷地被吸入和壓出,從而形成連續的具有一定壓力的氣流輸出。

4 振動原因分析

離心式風機的振動一般表現為軸承部位的振動,通常運用測振儀、測溫儀、聽診器測得軸承箱處軸承的振動和溫度,同時結合軸承運轉聲響來分析軸承振動的原因。通過大量檢修案例總結,筆者總結引起軸承振動的原因有五方面。

(1) 轉子質量不平衡引起的振動。在現場發生的軸承振動中,屬于轉子質量不平衡引起的振動占多數。造成轉子質量不平衡的原因主要有轉子葉片表面有不均勻積灰或附著物,葉輪背板積料,葉輪檢修后未做動、靜平衡導致葉輪不平衡,葉輪零件松動或連接件不緊固,葉輪磨損或腐蝕。

轉子質量不平衡引起的振動在水平方向最大,軸向則很小,并且葉輪端軸承振動大于電機端軸承振動,振動比較穩定,對負荷變化不敏感,振幅隨轉速升高而增大。

(2) 軸承故障引起的振動。一種為軸承裝配不良引起的振動。如果主軸頸或主軸肩臺加工不良,那么主軸頸彎曲,軸承安裝傾斜,造成與軸心線不重合,使軸承每轉一圈產生一次交變的軸向力,造成軸承的固定圓螺母松動,產生局部振動。軸承裝配不良引起的振動的特征為振動以軸向為最大。另一種為軸承表面損壞引起的振動。軸承由于制造質量差、潤滑不良、異物進入、與軸承箱間隙不合標準等,會出現磨損、銹蝕、脫皮剝落、碎裂,進而造成損壞,滾動體相互撞擊而產生的高頻沖擊振動將傳給軸承箱,可以通過測振儀測得軸承箱的振動。這種振動穩定性波動大,并且與負荷無關,振動在水平、豎直、軸向三個方向均有可能最大,振動的精密診斷要借助頻譜分析。運用頻譜分析,可以準確判斷軸承損壞的位置和程度。對振動監測,可以判斷出軸承絕大多數故障,再輔以聲響、溫度、金屬磨耗監測,可以在早期預查出軸承的故障缺陷。

(3) 聯軸器異常引起的振動。聯軸器安裝不正,聯軸器彈性圈損壞,離心式風機主軸和電機軸同軸度差,這些都會引起離心式風機及電機振動。這種振動的特征為振動不穩定,隨負荷變化劇烈,空轉時小,滿載時大;同軸度偏差越大,振動越大;電機單獨運行,振動消失。

(4) 軸承箱基座剛度不足引起的振動?；A灌漿不良,地腳螺栓松動,墊片松動,基座腐蝕開裂及連接不牢固,這些都會引起劇烈的強迫共振現象。這種振動的特征為有問題的地腳螺栓處基座振動最大,并且以徑向分量為最大。

(5) 動、靜部分之間接觸引起的振動。動、靜之間接觸包括葉輪口環和機殼口環摩擦、主軸與密封裝置之間摩擦等。這種振動的特征為振動不穩定,振動與轉速無關,摩擦嚴重時會發生反向渦動。

5 檢修實例

5.1 轉子質量不平衡

2018年4月16日,在日常點檢中發現某離心式風機軸承箱的振動大。測得葉輪端承力軸承水平方向振動最大為16.2 mm/s,軸向振動最小為9.1 mm/s,軸承溫度為41 ℃,運行聲響正常。將離心式風機的頻率由45 Hz降低至20 Hz,振動減小至6.8 mm/s。通過相關數據和軸承運行情況,筆者判斷是葉輪質量不平衡引起振動。拆開葉輪后,發現葉輪背板積料嚴重,如圖2所示,導致葉輪質量不平衡,引起振動。清理完積料并復位后,離心式風機開機運行正常,承力軸承振動最大為3.1 mm/s,見表1。

表1 轉子質量不平衡軸承振動 mm·s-1

圖2 葉輪背板積料

5.2 軸承異常

2017年11月8日,某離心式風機出現軸承振動大,軸承運行聲響異常的現象。測得電機端軸承軸向振動最大為6.2 mm/s,溫度為45 ℃,運行過程中軸承處有周期性“嗬羅、嗬羅”聲。通過相關數據及軸承運行情況,筆者判斷軸承出現疲勞損傷。解體后,發現軸承滾道及滾珠出現疲勞剝落,如圖3所示。更換軸承后,離心式風機運行正常,軸承最大振動為2.3 mm/s,溫度為37 ℃,見表2。

5.3 聯軸器異常

2017年9月,某離心式風機在運行中振動大,測得電機端軸承軸向振動為12 mm/s,水平方向振動為10.2 mm/s,豎直方向振動為9.8 mm/s,軸承溫度為40 ℃。電機軸承振動同樣偏大。在故障判斷過程中,發現空轉時振動小,滿載時振動大,振動比較穩定。當電機單獨運行時,電機軸承振動正常。電機軸和離心式風機主軸同軸度為0.06 mm,符合要求。根據以上情況,判斷是聯軸器異常引起振動。拆卸電機后,發現聯軸器彈性圈部分損壞。更換彈性圈后,離心式風機運行正常,葉輪端軸承最大振動減小3.3 mm/s,見表3。

圖3 軸承疲勞損傷

表2 軸承疲勞損傷軸承振動 mm·s-1

表3 聯軸器異常軸承振動 mm·s-1

5.4 軸承箱基座剛度不足

某離心式風機在運行過程中振動大,測得電機端軸承豎直方向振動最大為8.2 mm/s,軸向振動最小為5.2 mm/s,軸承溫度為38 ℃。幾次檢查軸承及地腳螺栓安裝,都未發現異常。離心式風機葉輪質量靜平衡檢測也沒有問題,但振動一直消除不了。筆者對軸承振動數據及運行情況進行分析,認為是基座剛度不足造成離心式風機振動大。原基座安裝如圖4所示。經過現場檢查分析,認為基座本身存在缺陷,在基座安裝時對主要承力點沒有加墊鐵,加之離心式風機的電機主機總負載達到20 kN,導致離心式風機在運行過程中基座剛度較差,進而產生振動。

圖4 原基座安裝

筆者在基座底部主要承力點1～6加裝墊鐵。因為基座地腳螺栓與主要承力點距離較遠,加裝墊鐵能使整個基座與基礎之間更加牢固。同時,在底部鋼梁上焊接四根M18螺栓,再在底部鋼梁上加壓兩根鋼梁,將基座主要承力的底部鋼梁向下壓緊。改進后基座安裝如圖5所示。改進后離心式風機運行正常,軸向最大振動減小為3.3 mm/s,見表4。

圖5 改進后基座安裝

6 結束語

離心式風機振動大是催化劑企業常見的故障情況,通過測量離心式風機軸承的振動、溫度和運行聲響,可以快速有效地判斷故障原因,并制訂相應的檢修方案。在實際生產中,應用筆者所介紹的方法可以有效解決大部分離心式風機振動大的故障,避免離心式風機故障惡化,保證生產正常平穩進行。所介紹的方法還可以延伸應用于其它轉動設備的故障判斷。

表4 軸承箱基座剛度不足軸承振動 mm·s-1