多級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)機(jī)殼熱變形引發(fā)振動(dòng)故障的分析及處理

李萬(wàn)享 陸青琴/安徽科達(dá)埃爾壓縮機(jī)有限公司

多級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)機(jī)殼熱變形引發(fā)振動(dòng)故障的分析及處理

李萬(wàn)享 陸青琴/安徽科達(dá)埃爾壓縮機(jī)有限公司

1 故障情況介紹

1.1 項(xiàng)目情況介紹

由安徽科達(dá)埃爾壓縮機(jī)有限公司設(shè)計(jì)制造的某多級(jí)低速離心鼓風(fēng)機(jī)，其設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)表

1.2機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)情況介紹

前3個(gè)月試運(yùn)行期間，鼓風(fēng)機(jī)出口壓力為167.3kPa（A），機(jī)組正常運(yùn)行。但在用戶使用3個(gè)月后該鼓風(fēng)機(jī)出口壓力提升至194.3kPa（A），機(jī)組再次運(yùn)行，軸承箱振動(dòng)值明顯增加。表2給出了風(fēng)機(jī)試運(yùn)營(yíng)和完全投運(yùn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

表2 鼓風(fēng)機(jī)試運(yùn)營(yíng)與完全投運(yùn)運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表

對(duì)比表2，前3個(gè)月試運(yùn)行時(shí)進(jìn)口導(dǎo)葉開度為35°，機(jī)組試運(yùn)行3個(gè)月后，將進(jìn)口導(dǎo)葉開度調(diào)至60°，整個(gè)脫硫吸收塔滿負(fù)荷投運(yùn)，風(fēng)機(jī)出口壓力上升至194.3kPa（A）。正式投入運(yùn)營(yíng)后風(fēng)機(jī)的軸承振動(dòng)值急劇升高，已經(jīng)處于超標(biāo)狀態(tài)，同時(shí)軸承溫度上升較大。

用戶現(xiàn)場(chǎng)一共三臺(tái)機(jī)組，兩用一備。在開啟另一臺(tái)備用機(jī)組時(shí)，檢測(cè)數(shù)據(jù)基本類似。由于整個(gè)脫硫系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)，如果整體停機(jī)拆蓋進(jìn)行檢查會(huì)造成較大損失，為了不影響生產(chǎn)，只能讓兩臺(tái)機(jī)組在振動(dòng)值超標(biāo)狀態(tài)下繼續(xù)運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)需檢查備用機(jī)組，緊急找出原因。

2 故障的排查

針對(duì)多級(jí)低速離心鼓風(fēng)機(jī)振動(dòng)大常見(jiàn)的故障問(wèn)題進(jìn)行逐一分析[1-7]，查找問(wèn)題原因。

2.1一般多級(jí)低速離心鼓風(fēng)機(jī)振動(dòng)大有兩大原因

1）設(shè)計(jì)因素：主軸臨界轉(zhuǎn)速原因；基礎(chǔ)剛度不夠；與管道附件、基礎(chǔ)等產(chǎn)生同頻共振。

2）安裝制造因素：聯(lián)軸器對(duì)中不符合要求；前后軸承座對(duì)中度低；軸承支撐剛度差或基腳螺栓沒(méi)有緊固；軸承座與軸承外圈間隙大（裝配和零件配合原因）；動(dòng)平衡精度低；軸承自身質(zhì)量問(wèn)題；轉(zhuǎn)子、定子干涉，刮擦機(jī)殼或密封。

2.2查找問(wèn)題原因

1）拆卸聯(lián)軸器膜片后重新校中[8]，發(fā)現(xiàn)對(duì)中偏差在要求范圍之內(nèi)。

2）由于風(fēng)機(jī)在出廠前進(jìn)行過(guò)抽真空條件下的機(jī)械運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后才交付用戶現(xiàn)場(chǎng)使用?？梢耘懦S承座與軸承外圈間隙大（裝配和零件配合原因）加工偏差、前后軸承座同心度不達(dá)要求、動(dòng)平衡精度低等因素。

3）風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)，機(jī)組內(nèi)部沒(méi)有聽(tīng)到任何異響，初步排除轉(zhuǎn)子與機(jī)殼或密封刮擦可能性。

4）由于機(jī)組已經(jīng)使用3個(gè)月，三臺(tái)機(jī)組情況類似，并且該風(fēng)機(jī)采用的是NSK軸承，所以基本可以排除軸承質(zhì)量問(wèn)題。查找NSK軸承性能[9]重新計(jì)算軸承受力及使用壽命[10]，計(jì)算結(jié)果是滿足使用要求。

5）現(xiàn)場(chǎng)用戶已經(jīng)使用3個(gè)月，所以可以排除軸承支撐剛度差或基腳螺栓沒(méi)有緊固，基礎(chǔ)剛度不夠，與管道附件、基礎(chǔ)等產(chǎn)生同頻共振。

將以上可能存在問(wèn)題逐一進(jìn)行排除，并沒(méi)有查出問(wèn)題。

2.3現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證與分析

我們?cè)俅卧谟脩衄F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行開機(jī)試運(yùn)行。進(jìn)口閥門開啟50°，通過(guò)出口閥門將出口壓力逐步調(diào)至189.3kPa（A）。對(duì)開機(jī)過(guò)程進(jìn)行記錄，其中開機(jī)時(shí)間、機(jī)殼溫度、振動(dòng)值見(jiàn)圖1。

風(fēng)機(jī)共開機(jī)2小時(shí)40分后停機(jī)。從圖表中可以看出，隨時(shí)間延長(zhǎng)，風(fēng)機(jī)出口蝸殼溫度上升，風(fēng)機(jī)的前后軸承振動(dòng)值也在上升，當(dāng)蝸殼溫度穩(wěn)定后，軸承振動(dòng)值基本穩(wěn)定在15～18mm/s。

8小時(shí)后風(fēng)機(jī)出氣蝸殼自然冷卻至34℃，再次開機(jī)，進(jìn)口閥門開啟50°，通過(guò)出口閥門將出口壓力逐步調(diào)至194.3kPa（A）。對(duì)開機(jī)過(guò)程進(jìn)行記錄，其中開機(jī)時(shí)間、機(jī)殼溫度、振動(dòng)值見(jiàn)圖2。

風(fēng)機(jī)共開機(jī)2小時(shí)20分后停機(jī)。風(fēng)機(jī)的開機(jī)振動(dòng)值并沒(méi)有直接等于第一次停機(jī)值，較第一次開機(jī)要大一點(diǎn)，但還是在允許范圍內(nèi)。最終的趨勢(shì)和結(jié)果與第一次開機(jī)一樣，風(fēng)機(jī)溫度穩(wěn)定后軸承振動(dòng)值基本穩(wěn)定在14～18mm/s。

查看初始主機(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

風(fēng)機(jī)軸承座與機(jī)殼連接成一個(gè)整體，風(fēng)機(jī)殼體厚度采用12mm厚鋼板焊接而成。

從主機(jī)結(jié)構(gòu)圖和現(xiàn)場(chǎng)情況分析：

1）從主機(jī)剖視圖可以看到風(fēng)機(jī)的軸承座直接安裝在風(fēng)機(jī)進(jìn)氣機(jī)殼、出氣機(jī)殼端面。

2）風(fēng)機(jī)運(yùn)行3個(gè)月后振動(dòng)值增大，是在用戶調(diào)整出口壓力后增大，風(fēng)機(jī)出口溫度上升，同時(shí)伴隨風(fēng)機(jī)軸承溫度上升。

3）現(xiàn)場(chǎng)試機(jī)過(guò)程中風(fēng)機(jī)軸承的振動(dòng)值隨出氣機(jī)殼溫度上升而增加，機(jī)殼溫度穩(wěn)定后，軸承振動(dòng)值不再上升。

結(jié)合以上三點(diǎn)，初步判斷風(fēng)機(jī)軸承振動(dòng)加劇是由于機(jī)殼受熱變形引起兩端支撐軸承座同軸度變化，使軸承非正常受力。但這也只是猜測(cè)，因?yàn)樵擄L(fēng)機(jī)采用的軸承位深溝球軸承，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子兩軸承之間跨距大，加上深溝球本身就具備一定的調(diào)心功能。對(duì)于小量變形可以自動(dòng)調(diào)節(jié)。我們需要測(cè)量、驗(yàn)證風(fēng)機(jī)機(jī)殼的變形量。

經(jīng)過(guò)小組研討，我們?cè)陲L(fēng)機(jī)蝸殼端面放置8塊百分表，用于檢測(cè)風(fēng)機(jī)在啟動(dòng)到正常運(yùn)行過(guò)程中機(jī)殼的變化。機(jī)殼進(jìn)風(fēng)口段采用定位銷定位（軸承定位端）。百分表分布見(jiàn)圖4。

風(fēng)機(jī)按照第一、二次啟動(dòng)方式再次開機(jī)，進(jìn)口閥門開啟50°，通過(guò)調(diào)節(jié)出口閥門將出口壓力逐步調(diào)至189.3 kPa(A）。開機(jī)過(guò)程中風(fēng)機(jī)尾端百分表數(shù)值見(jiàn)表3。

表3 風(fēng)機(jī)機(jī)殼變形監(jiān)測(cè)值表

從表6數(shù)據(jù)顯示機(jī)殼的軸向位移最大達(dá)到0.96mm最小位移為0.26mm。軸承座位置變量為0.32mm，0.38mm，整個(gè)端面變形規(guī)律為從上往下逐步減小，從外徑往圓心逐步減小。

分析機(jī)殼變形對(duì)軸承產(chǎn)生的不利影響，軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5。

在設(shè)計(jì)之初考慮風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行受熱后將自由伸長(zhǎng)，所以只考慮在自由端軸承左側(cè)預(yù)留0.2～0.3mm自由空間，見(jiàn)圖5。但從試車測(cè)試數(shù)據(jù)顯示機(jī)殼的變形量遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子受熱伸長(zhǎng)量。

若機(jī)殼轉(zhuǎn)子熱膨脹長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于機(jī)殼膨脹量，則會(huì)出現(xiàn)圖6（a）的狀態(tài)；若上機(jī)殼變形量大于下機(jī)殼，則會(huì)出現(xiàn)圖6（b）的狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)情況多次驗(yàn)證分析，問(wèn)題出在機(jī)殼溫升過(guò)高[11]引起機(jī)殼熱膨脹變形，使安裝在變形機(jī)殼上的軸承承受較大配合和安裝應(yīng)力，造成軸承溫升高、振動(dòng)大等現(xiàn)象。而風(fēng)機(jī)出廠前的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)并未按滿負(fù)載工況試車，所以振動(dòng)現(xiàn)象在剛出廠試車過(guò)程中并未顯露出來(lái)，加上現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行壓力達(dá)到194.3kPa(A），使風(fēng)機(jī)出口溫度進(jìn)一步提升。

3 問(wèn)題處理及結(jié)果

結(jié)合主機(jī)結(jié)構(gòu)分析[12]后，為消除機(jī)殼受熱變形有兩種方案：方案1.機(jī)殼降溫；方案2.主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將軸承座與機(jī)殼分開，獨(dú)立支撐。

考慮方案1需要采用水冷，機(jī)組改動(dòng)工作量大，且加大了用戶的運(yùn)營(yíng)成本。最終確定按照方案2執(zhí)行。我們以最快的速度將備用機(jī)組進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造。主機(jī)改造后結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。

最終我們將備用機(jī)組的主機(jī)返廠改造，并在產(chǎn)品出廠前模擬現(xiàn)場(chǎng)溫升狀態(tài)進(jìn)行出廠試驗(yàn)，15個(gè)工作日內(nèi)將主機(jī)改造完畢。試車24小時(shí)，振動(dòng)值一直維持在3.0mm/s以內(nèi)。

備用機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)非常成功，公司將后面兩臺(tái)機(jī)組陸續(xù)返廠，按照預(yù)定方案逐一改造，用戶非常滿意。

4 結(jié)論

本次風(fēng)機(jī)故障處理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)公司后期產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的借鑒意義。

首先軸承的設(shè)計(jì)，與蝸殼的溫度是相關(guān)的，蝸殼內(nèi)溫度過(guò)大，易發(fā)生振動(dòng)問(wèn)題；蝸殼外，溫度對(duì)軸承座影響較小。

其次，問(wèn)題處理過(guò)程存檔、備查，在后期高壓力、高溫介質(zhì)機(jī)組劃分界線，統(tǒng)一采用分體式軸承箱結(jié)構(gòu)。

再次，風(fēng)機(jī)出廠前的試車，盡可能的模擬使用工況特性。通過(guò)以上措施可避免類似問(wèn)題發(fā)生。

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：某用戶現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的多級(jí)低速離心鼓風(fēng)機(jī)，主機(jī)本體溫度高，主機(jī)振動(dòng)大的現(xiàn)象，通過(guò)故障排查找出振動(dòng)原因是機(jī)殼受熱變形，導(dǎo)致軸承滾珠長(zhǎng)期受到非正常的超負(fù)荷應(yīng)力，引起軸承振動(dòng)大，采用將軸承座與機(jī)殼分開，獨(dú)立支撐的解決方案，對(duì)機(jī)組進(jìn)行改造，改造后，取得了滿意的效果。

多級(jí)低速離心鼓風(fēng)機(jī)；焊接機(jī)殼；溫度高；振動(dòng)

Analysis and Treatment of Vibration Fault Caused by Therm al Deform ation o f Vo lute in a Mu lti-stage Cen trifuga l Blower

Li Wan-xiang Lu qing-qin/Ke Da-Aer Turbo(AnhHui)CompressorCo.,Ltd

multi-stage low-speed centrifugal blower;welding volute;high temperature; vibration

TH442;TK05

A

1006-8155（2016）06-0077-04

10.16492/j.fjjs.2016.06.0045

2016-03-22安徽馬鞍山243000

Abstract:A multi-stage centrifugal blower exhibited vibration and high outlet temperatures during on site operation.The vibration was found to be caused by a change of the volute shape due to the high outlet temperature,which caused an over-load stress on the bearing such that vibration occurred.A transformation method was used separately for the supporting bearing pedestal and thevolutewith asatisfying result.