鍋爐風(fēng)機(jī)振動現(xiàn)場處理

常 強(qiáng)

（東北電力科學(xué)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006）

對于大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備如果在軸承振動過大的情況下長期運(yùn)行,就會造成設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞。以往對于鍋爐三大風(fēng)機(jī)（送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)）的振動監(jiān)測與處理未引起足夠的重視。近年來隨著對設(shè)備安全與健康水平的要求越來越高,旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動在線監(jiān)測與保護(hù)系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)中的普遍應(yīng)用,鍋爐風(fēng)機(jī)的振動狀況越來越受到人們的重視。

隨著現(xiàn)代火電機(jī)組容量的增大,由于風(fēng)機(jī)振動過大導(dǎo)致機(jī)組不能啟動或帶負(fù)荷受到嚴(yán)重限制將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,對于風(fēng)機(jī)的檢修與維護(hù)提出了更高的要求：在風(fēng)機(jī)出現(xiàn)振動故障時能迅速查出原因,并能使用快速、便捷的方法在現(xiàn)場進(jìn)行處理。

本文結(jié)合幾起風(fēng)機(jī)振動故障處理實(shí)例,系統(tǒng)闡述了風(fēng)機(jī)常見振動故障的機(jī)理、特點(diǎn)及處理方法。

1 風(fēng)機(jī)振動機(jī)理

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子具有質(zhì)量大、葉片回轉(zhuǎn)半徑大、轉(zhuǎn)子跨距較短、工作轉(zhuǎn)速較低的特點(diǎn),通常為臥式放置。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子一般為典型的剛性轉(zhuǎn)子,在其工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),轉(zhuǎn)子不會在不平衡激振力的作用下發(fā)生顯著的、能夠影響風(fēng)機(jī)軸承振動的撓曲變形。

由于支撐風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的軸承剛度不可能無窮大,通常風(fēng)機(jī)的落地軸承在水平方向的剛度顯著小于在垂直方向的剛度,因此剛性轉(zhuǎn)子和彈性支撐構(gòu)成了一個振動系統(tǒng),其動力響應(yīng)特性復(fù)雜。

風(fēng)機(jī)最主要的振動激勵來源是轉(zhuǎn)子上的不平衡激振力。能夠?qū)е罗D(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡質(zhì)量的原因很多,如轉(zhuǎn)子和葉片加工及安裝的誤差、轉(zhuǎn)子的撓曲變形、葉片表面保護(hù)涂料噴涂不均勻、葉片表面不對稱的灰塵堆積等。

由于鍋爐風(fēng)機(jī)大多為單級葉輪,而轉(zhuǎn)子的直徑相對葉輪直徑要小得多,因此轉(zhuǎn)子的不平衡質(zhì)量主要集中在葉輪上。風(fēng)機(jī)的不平衡質(zhì)量主要為對稱分布,反對稱很少。

除轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡外,有些文獻(xiàn)也介紹了其他一些導(dǎo)致風(fēng)機(jī)振動過大的故障原因,但非常少見,本文不予討論。

轉(zhuǎn)子進(jìn)行現(xiàn)場動平衡是解決不平衡類振動故障的有效方法,方便、快捷。由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)的第一階臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于其工作轉(zhuǎn)速,根據(jù)剛性轉(zhuǎn)子平衡理論,只要在某一個轉(zhuǎn)速下進(jìn)行平衡并達(dá)到合格,就可以保證在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)所有轉(zhuǎn)速下其振動都能合格。在進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)際動平衡時,平衡轉(zhuǎn)速一般選其工作轉(zhuǎn)速。

2 風(fēng)機(jī)振動評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

GB/T6075.3—2001中給出了對于風(fēng)機(jī)振動測量的要求和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。對于臥式安裝的設(shè)備,應(yīng)同時測量軸承的垂直和水平方向振動。

現(xiàn)場習(xí)慣于測量振動的位移峰峰值。標(biāo)準(zhǔn)中對于軸承振動的評價(jià)采用烈度,也即振動速度均方根值（mm/s）。考慮低轉(zhuǎn)速設(shè)備振動頻率較低,可能產(chǎn)生較大的振動位移,因此標(biāo)準(zhǔn)中也提出了振動位移的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),采用的量是振動位移均方根值（μm）。表1中為大于300 kW且小于50 MW設(shè)備的振動評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 風(fēng)機(jī)振動評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表1中限值在標(biāo)準(zhǔn)中解釋為適用于剛性支撐的設(shè)備。由于大多數(shù)臥式風(fēng)機(jī)的第一階臨界轉(zhuǎn)速都遠(yuǎn)高于其工作轉(zhuǎn)速,屬于剛性支撐范圍。且其限值比撓性支撐設(shè)備的限值更為嚴(yán)格,更趨于安全。

風(fēng)機(jī)振動的頻率成分通常為單一的工頻振動（與轉(zhuǎn)速同頻）。在這種情況下,可以用式（1）、式（2）將位移均方根值和速度均方根值換算為位移峰峰值：

式中 Dp-p——位移峰峰值,μm;

Drms——位移均方根值,μm;

Vrms——速度均方根值,mm/s;

n——轉(zhuǎn)速,r/min。

3 600MW機(jī)組鍋爐送風(fēng)機(jī)振動處理

送風(fēng)機(jī)為沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的軸流式風(fēng)機(jī),額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min,從電機(jī)端部看轉(zhuǎn)動為順時針方向。電機(jī)功率為1 900 kW,軸系簡圖見圖1。2個軸承均封閉在軸承箱內(nèi),其中輪轂側(cè)為徑向滾珠軸承（編號為2）,電機(jī)側(cè)為徑向/推力組合式滾珠軸承（編號為1）。2臺風(fēng)機(jī)電機(jī)在單獨(dú)試運(yùn)時軸承振動均不大。

圖1 鍋爐送風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

送風(fēng)機(jī)在調(diào)試啟動階段由于振動超標(biāo)導(dǎo)致保護(hù)動作停機(jī)。為了確認(rèn)故障原因,首先對其振動進(jìn)行測試。測點(diǎn)選為2個軸承的水平方向振動,測量量為振動位移峰峰值（μm）。通過連續(xù)2次啟動和測試,發(fā)現(xiàn)振動頻率成分以工頻振動為主,振動隨轉(zhuǎn)速變化明顯,在固定轉(zhuǎn)速下振幅和相位都比較穩(wěn)定,2個軸承的工頻振動相位基本相同。且2次啟動測試的數(shù)據(jù)重復(fù)性較好。表2為實(shí)測振動數(shù)據(jù)。

表2 實(shí)測送風(fēng)機(jī)振動數(shù)據(jù)（1 000 r/m in）μm

通過以上測試結(jié)果及振動特征,可以斷定振動原因?yàn)檩嗇炠|(zhì)量不平衡。隨后進(jìn)行了現(xiàn)場動平衡試驗(yàn),在輪轂平衡槽上添加了175 mm（由于現(xiàn)場沒有稱重設(shè)備,故采用平衡塊的長度度量不平衡量）配重塊。平衡后設(shè)備振動大幅降低,達(dá)到了新建設(shè)備的要求,數(shù)據(jù)見表3。

表3 送風(fēng)機(jī)平衡后振動數(shù)據(jù)μm

4 350 MW機(jī)組鍋爐引風(fēng)機(jī)振動處理

引風(fēng)機(jī)為單級雙吸式離心引風(fēng)機(jī),由電機(jī)驅(qū)動,工作轉(zhuǎn)速為600 r/min,電機(jī)與引風(fēng)機(jī)之間用半撓性聯(lián)軸節(jié)連接。引風(fēng)機(jī)由2個落地式滑動軸承支撐,其中自由端軸承編號為1,聯(lián)軸器端軸承編號為2。說明書要求2個軸承的振動速度均方根值不大于2.0mm/s。設(shè)備簡圖見圖2。

圖2 鍋爐引風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

引風(fēng)機(jī)說明書要求2個軸承的振動速度均方根值不大于2.0 mm/s,如果振動頻率為單一工頻振動,可將限值換算為位移峰峰值90μm。

設(shè)備在大修過程中進(jìn)行了葉片噴涂作業(yè)。檢修完畢啟動后風(fēng)機(jī)軸承振動過大。隨后進(jìn)行了現(xiàn)場振動測試,測點(diǎn)選為1號、2號軸承的水平方向振動,測量量為振動位移峰峰值（μm）。設(shè)備在工作轉(zhuǎn)速下的振動測試數(shù)據(jù)見表4（設(shè)備振動超標(biāo)）。

表4 引風(fēng)機(jī)平衡前振動數(shù)據(jù)μm

從振動頻率成分看,主要為工頻振動,兩軸承工頻振動的相位基本相同,且在固定轉(zhuǎn)速下工頻振幅和相位都比較穩(wěn)定。隨后進(jìn)行了調(diào)整引風(fēng)機(jī)擋板開度的試驗(yàn),軸承振動沒有明顯變化。因此判斷振動原因?yàn)橐L(fēng)機(jī)質(zhì)量不平衡過大?？赏ㄟ^現(xiàn)場動平衡試驗(yàn)降低軸承振動。

由于風(fēng)機(jī)沒有預(yù)留配重槽,試驗(yàn)中采用在葉輪外緣焊接小塊方形鋼板來調(diào)整配重。通過2次加重,在葉輪外緣添加4 kg配重塊,使引風(fēng)機(jī)振動大幅降低,達(dá)到投產(chǎn)要求。平衡后的振動值見表5。

表5 引風(fēng)機(jī)平衡后振動數(shù)據(jù)μm

5 800MW機(jī)組一次風(fēng)機(jī)振動處理

一次風(fēng)機(jī)為單級離心式風(fēng)機(jī),由電機(jī)驅(qū)動,固定轉(zhuǎn)速工作,使用擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量。工作轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。轉(zhuǎn)子軸系共2個轉(zhuǎn)子,4個軸承,軸承均為獨(dú)立落地軸承,軸系簡圖見圖3。

圖3 鍋爐一次風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

機(jī)組大修期間,風(fēng)機(jī)修后試運(yùn)行。在啟動至工作轉(zhuǎn)速后風(fēng)機(jī)2個軸承振動偏大,且隨運(yùn)轉(zhuǎn)時間的延長不斷增大。隨后對設(shè)備進(jìn)行了振動測試,測點(diǎn)選擇為風(fēng)機(jī)2個軸承（1號、2號）的垂直和水平方向振動,測量量為位移峰峰值（μm）。

設(shè)備啟動后,剛定速時風(fēng)機(jī)軸承垂直振動較小,但水平方向振動超過100μm。隨后各測點(diǎn)振動均持續(xù)增大。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)18 min后停機(jī),此時2個軸承水平方向的振動已超過200μm。設(shè)備在工作轉(zhuǎn)速下的實(shí)測振動數(shù)據(jù)見表6。

表6 一次風(fēng)機(jī)振動數(shù)據(jù) μm

圖4 一次風(fēng)機(jī)1號軸承水平振動波德圖

因?yàn)檎駝又饕驗(yàn)檗D(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡,因此決定首先采取現(xiàn)場動平衡的方法降低轉(zhuǎn)子振動。同時也可以減少動靜碰磨故障發(fā)生的幾率,有可能解決動靜碰磨的問題。

由于風(fēng)機(jī)沒有預(yù)留平衡加重槽,同樣采用在葉輪邊緣焊接鋼板的方法調(diào)整配重。通過在風(fēng)機(jī)上進(jìn)行2次加重后,在風(fēng)機(jī)葉輪兩側(cè)外緣處各焊接400 g配重塊。加重后設(shè)備啟動至工作轉(zhuǎn)速,軸承振動大幅好轉(zhuǎn),隨后設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)3 h,開始時振動有一定程度的增長,表明還存在一定程度的動靜碰磨故障。隨后振動逐漸回落,并穩(wěn)定在較低的水平上。設(shè)備在工作轉(zhuǎn)速下現(xiàn)場實(shí)測振動數(shù)據(jù)見表7。

表7 一次風(fēng)機(jī)平衡后振動數(shù)據(jù)μm

從一次風(fēng)機(jī)的處理過程看,平衡配重調(diào)整量較小,僅為800 g,且軸承水平振動比垂直振動大很多。說明軸承水平剛度較差,軸承振動對于不平衡量的變化十分敏感（由軸承形式的設(shè)計(jì)缺陷造成）。

6 風(fēng)機(jī)振動響應(yīng)影響系數(shù)相位

由于臥式風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于其一階臨界轉(zhuǎn)速,為剛性轉(zhuǎn)子,而振動系統(tǒng)對激勵響應(yīng)的相位在激勵頻率遠(yuǎn)低于固有頻率時接近0°,在接近固有頻率時迅速增大,等于固有頻率時達(dá)到90°,因此也期望風(fēng)機(jī)振動響應(yīng)的相位稍大于0°,這樣就能夠直接通過振動測試數(shù)據(jù)判斷出初始不平衡的位置,有可能僅通過1次加重就使風(fēng)機(jī)振動降至合格范圍內(nèi)。

在動平衡試驗(yàn)中獲得的影響系數(shù)相位即為轉(zhuǎn)子—軸承振動系統(tǒng)對于激勵（轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量旋轉(zhuǎn)離心力）響應(yīng)的相位。但要滿足以下條件：測量相位的鍵相傳感器和測量振動的速度傳感器的安裝角度應(yīng)一致,轉(zhuǎn)子上鍵相標(biāo)記的零點(diǎn)即為加重時度量角度的零點(diǎn)。當(dāng)振動傳感器和鍵相傳感器安裝角度不一致時,可以通過加減安裝角度差校正工頻振動的相位。在對上述3臺風(fēng)機(jī)的影響系數(shù)進(jìn)行校正后,得出的風(fēng)機(jī)實(shí)際振動響應(yīng)相位角如表8所示,由于風(fēng)機(jī)兩軸承影響系數(shù)相位基本接近,因此只列出風(fēng)機(jī)自由端的數(shù)據(jù)。

表8 風(fēng)機(jī)實(shí)際影響系數(shù)相位（校正后）

由表8數(shù)據(jù)可見,風(fēng)機(jī)軸承振動的影響系數(shù)相位并不滿足稍大于0°的期望,也沒有共同規(guī)律。這是因?yàn)殡m然風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子是剛性,但風(fēng)機(jī)的軸承和基礎(chǔ)是一個具有剛度、質(zhì)量和阻尼的復(fù)雜振動系統(tǒng),軸承振動比較復(fù)雜。通過觀察軸承振動波德圖也可以看出,在設(shè)備升降速過程中相位變化也比較大,并沒有局限在一個較小的范圍內(nèi)。因此將軸承簡化為一個彈性支撐所帶來的誤差比較大。在實(shí)際現(xiàn)場動平衡過程中,需要通過試加重來獲取影響系數(shù)。

7 結(jié)論

a.鍋爐風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子跨距較短,剛度較大,工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于其一階轉(zhuǎn)速,為典型的剛性轉(zhuǎn)子。

b.轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡是常見的風(fēng)機(jī)振動故障。造成此類故障的原因很多：如加工和裝配誤差,轉(zhuǎn)子彎曲變形、葉片表面噴涂不均勻等。風(fēng)機(jī)軸承水平方向的剛度較低,因此水平方向的振動通常較大。

c.由于鍋爐風(fēng)機(jī)大多為單級葉輪,不平衡質(zhì)量主要集中于葉輪,不平衡形式主要為同向分布。

d.進(jìn)行現(xiàn)場動平衡試驗(yàn)是解決不平衡故障有效、快捷的方法。

e.風(fēng)機(jī)振動影響系數(shù)相位并沒有一定的規(guī)律,需要通過試加重來確定實(shí)際的影響系數(shù)。