轉(zhuǎn)爐ID風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障分析與處理

劉彥兵，劉春虎

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西太原030003）

生產(chǎn)實(shí)踐·應(yīng)用技術(shù)

轉(zhuǎn)爐ID風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障分析與處理

劉彥兵，劉春虎

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西太原030003）

ID風(fēng)機(jī)是轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)正常冶煉的關(guān)鍵設(shè)備之一。首先對(duì)該風(fēng)機(jī)的故障過(guò)程及情況進(jìn)行介紹，通過(guò)運(yùn)用頻譜分析法對(duì)振動(dòng)異常進(jìn)行分析，并經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡分析計(jì)算，結(jié)合多次檢修情況，逐一排查，最終確定其故障是由墊板與機(jī)架基礎(chǔ)之間產(chǎn)生局部微變形和轉(zhuǎn)子組主軸軸承安裝軸段磨損所引起，并分別提出用研磨墊板、軸承座及機(jī)架基礎(chǔ)和修復(fù)轉(zhuǎn)子組主軸安裝軸承軸段的處理措施，解決了ID風(fēng)機(jī)振動(dòng)大的故障，保證了轉(zhuǎn)爐的正常生產(chǎn)。

ID風(fēng)機(jī)振動(dòng)頻譜分析動(dòng)平衡

1 轉(zhuǎn)爐ID風(fēng)機(jī)概述

1.1 ID風(fēng)機(jī)的作用和工況條件

ID風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)爐煉鋼系統(tǒng)中起引風(fēng)機(jī)的作用。煉鋼產(chǎn)生的煙氣在ID風(fēng)機(jī)的抽吸下，進(jìn)入氣化冷卻煙道、蒸發(fā)冷卻器、靜電除塵器，經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)進(jìn)入煤氣柜（見(jiàn)圖1）。煙氣進(jìn)入ID風(fēng)機(jī)的溫度約為170~180℃。

圖1 ID風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)爐煉鋼系統(tǒng)中的位置

1.2 ID風(fēng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

風(fēng)機(jī)類型為軸流風(fēng)機(jī)，其風(fēng)量為270000m3/h；全壓為7 500Pa；電機(jī)功率為1 000 kW電壓為670V；轉(zhuǎn)速為變頻調(diào)速，330~2 200 r/min；制造商為德國(guó)TLT公司；軸承座測(cè)振方位為測(cè)量徑向水平的振動(dòng)速度。

1.3 ID風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

風(fēng)機(jī)為軸流風(fēng)機(jī)，葉輪直徑為Φ1 334mm，前軸承為固定端，采用雙列向心球面輥?zhàn)虞S承，型號(hào)為22224E/C3，后軸承為游動(dòng)端，為CARB軸承，型號(hào)為C2218。軸承潤(rùn)滑方式為油池潤(rùn)滑。風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及軸承裝配示意圖如圖2。

圖2 ID風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（單位：mm）

2 近期故障及檢修情況

2.1 故障開(kāi)始的情況

2015年4月，1號(hào)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)在升速過(guò)程中振動(dòng)增大的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速升高到接近最高轉(zhuǎn)速時(shí)，后軸振動(dòng)快速增大到3.8~4.2mm/s，當(dāng)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速2 200 r/min時(shí)，又迅速降下來(lái)了，穩(wěn)定在1.7~2.1mm/s，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)爐冶煉一爐鋼的過(guò)程中振動(dòng)與轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖

5月份對(duì)風(fēng)機(jī)后軸承在升速過(guò)程中的振動(dòng)高點(diǎn)情況進(jìn)行了檢查跟蹤記錄，見(jiàn)表1。

表1 1號(hào)轉(zhuǎn)爐ID風(fēng)機(jī)后軸承在升速過(guò)程中振動(dòng)高點(diǎn)紀(jì)錄情況

分析討論后，并未找到這種振動(dòng)變大的真正原因，為防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大，決定利用檢修機(jī)會(huì)更換轉(zhuǎn)子，希望通過(guò)更換轉(zhuǎn)子消除這種振動(dòng)增大的現(xiàn)象。

2.2 檢修過(guò)程及檢修后振動(dòng)故障情況

2.2.1 第一次檢修和試車情況（見(jiàn)表2）

表2 第一次檢修和試車情況

2.2.2 第一次檢修后生產(chǎn)運(yùn)行情況

試車中振動(dòng)偏大，但因鐵水無(wú)法消化，被迫投入生產(chǎn)，生產(chǎn)期間振動(dòng)情況如表3。

表3 第一次檢修后生產(chǎn)運(yùn)行情況

2.2.3 第二次檢修及試車情況（見(jiàn)表4）

因風(fēng)機(jī)振動(dòng)偏大，同時(shí)28日高爐也出現(xiàn)故障，鐵水供應(yīng)不足，決定再次對(duì)1號(hào)風(fēng)機(jī)進(jìn)行檢修。

表4 第二次檢修及試車情況

2.2.4 第二次檢修后生產(chǎn)運(yùn)行情況（表5）

表5 第二次檢修后生產(chǎn)運(yùn)行情況

2.2.5 第三次檢修及試車情況（表6）

根據(jù)年度檢修計(jì)劃，7月17日至24日，1號(hào)轉(zhuǎn)爐進(jìn)行年檢。在此期間又對(duì)1號(hào)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了檢修。

表6 第三次檢修及試車情況

2.2.6 第三次檢修后生產(chǎn)情況（見(jiàn)表7）

表7 第三次檢修后生產(chǎn)情況

2.2.7 第四次檢修及試車情況（表8）

根據(jù)年度檢修計(jì)劃，2016年3月21日至26日，1號(hào)轉(zhuǎn)爐進(jìn)行年檢。在此期間又對(duì)1號(hào)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了檢修。

表8 第四次檢修及試車情況

2.2.8 第四次檢修后生產(chǎn)情況（表9）

表9 第四次檢修后生產(chǎn)情況

2.2.9 第五次檢修及試車情況（表10）

2016年4月7日高爐休風(fēng)，1號(hào)轉(zhuǎn)爐進(jìn)行定檢。在此期間又對(duì)1號(hào)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了檢修。

表10 第五次檢修及試車情況

2.2.10 第五次檢修后生產(chǎn)情況（表11）

表11 第五次檢修后生產(chǎn)情況

目前，冶煉一爐鋼，轉(zhuǎn)速與振動(dòng)曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖4 第五次檢修后一爐鋼過(guò)程中振動(dòng)與轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖

最近幾次次檢修，不但未能改善風(fēng)機(jī)振動(dòng)情況，反而使振動(dòng)有變大的趨勢(shì)。導(dǎo)致風(fēng)機(jī)處于帶病運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)法在最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速運(yùn)行，車間經(jīng)常溢煙，影響環(huán)保。

3 原因分析及故障處理

3.1 原因分析

3.1.1 頻譜分析

因1號(hào)風(fēng)機(jī)振動(dòng)偏高，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷，數(shù)據(jù)采集和頻譜分析，認(rèn)為高轉(zhuǎn)速階段的振動(dòng)主要來(lái)自于5倍頻，測(cè)量分析數(shù)據(jù)如下。

3.1.1.1 趨勢(shì)分析

如圖5所示是前后軸承的振動(dòng)速度峰峰值趨勢(shì)圖，通道1藍(lán)色曲線為前軸承，通道2綠色曲線是后軸承。圖5中所示是一個(gè)先升速再降速的過(guò)程，升速階段風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速先后為330 r/min，500 r/min，1 000 r/min，1 500 r/min，1 800 r/min，2 000 r/min和2 100 r/min，而降速階段則快速?gòu)? 100 r/min直接降到330 r/min。從圖5中可以看出，在低中轉(zhuǎn)速階段（330~1 500 r/min），前軸承和后軸承的振動(dòng)大小基本相同，曲線相互重合。而當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到1 800 r/min時(shí)，前軸承的振動(dòng)值基本保持不變，仍為4mm/s左右。但后軸承的振動(dòng)值迅速攀升，達(dá)到了7mm/s。隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，前后軸承的振動(dòng)值都逐漸增大。前軸承振動(dòng)最大時(shí)達(dá)到約10mm/s，而后軸承振動(dòng)最大時(shí)達(dá)到約17.66mm/s。下面分別對(duì)前后軸承的波形及頻譜進(jìn)行分析。3.1.1.2波形頻譜分析

圖5 前后軸承的振動(dòng)速度峰峰值趨勢(shì)圖（2015-06-11）

如圖6所示是前軸承的振動(dòng)加速度波形頻譜圖，圖中時(shí)刻轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2 100 r/min，轉(zhuǎn)頻為35 Hz。從振動(dòng)波形圖6中可以看出，信號(hào)的振動(dòng)比較平穩(wěn)，沒(méi)有突出的沖擊成分。頻譜圖中，主要是轉(zhuǎn)頻以及它的諧波比較明顯，但是各個(gè)頻率的振動(dòng)幅值并不大，沒(méi)有特別突出的成分。

圖6 前軸承的振動(dòng)加速度波形頻譜圖

如下頁(yè)圖7所示是后軸承的振動(dòng)加速度波形頻譜圖，圖中時(shí)刻轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2 100 r/min，轉(zhuǎn)頻為35Hz。從頻譜圖7中可以看出，轉(zhuǎn)頻和它的各級(jí)諧波比較明顯，諧波的倍數(shù)從1倍一直延伸到15倍，其中1倍轉(zhuǎn)頻和5倍轉(zhuǎn)頻最為突出。波形圖7中，與前軸承相比，信號(hào)中有許多突出的沖擊成分。將波形圖拉開(kāi)，放大，得到圖8。

圖7 后軸承的振動(dòng)加速度波形頻譜圖

如圖8所示是該時(shí)刻振動(dòng)波形的放大圖，從圖8中可以看出，波形圖中的沖擊成分主要是35Hz的一倍轉(zhuǎn)頻和70Hz的二倍轉(zhuǎn)頻。二倍轉(zhuǎn)頻雖然在頻譜中并不突出，但是在波形圖中可以明顯的分辨出來(lái)。而相反，在頻譜中非常突出的五倍轉(zhuǎn)頻卻很難在波形圖8中發(fā)現(xiàn)。

圖8 后軸承的振動(dòng)加速度波形頻譜圖放大圖

如圖9所示是將加速度信號(hào)進(jìn)行積分，得到的后軸承在轉(zhuǎn)速為2 100 r/min時(shí)的振動(dòng)速度波形頻譜圖。波形圖中，與加速度波形相比，速度波形相對(duì)較為雜亂，看不出明顯的沖擊成分，與前軸承的振動(dòng)速度波形較為相似。頻譜圖中，與加速度頻譜相比，經(jīng)過(guò)積分計(jì)算之后，高倍的轉(zhuǎn)頻諧波相對(duì)削弱，低倍的轉(zhuǎn)頻諧波相對(duì)增強(qiáng)。所以可以看到一倍轉(zhuǎn)頻更為突出，五倍轉(zhuǎn)頻相對(duì)減弱，其他頻率成分都不明顯，頻譜相對(duì)干凈。

圖9 后軸承振動(dòng)加速度波形頻譜圖

3.1.1.3 頻率瀑布圖分析

如圖10所示是后軸承的三維頻譜瀑布圖。橫軸是頻率，縱軸是幅值，斜軸是時(shí)間。該圖可以直觀顯示不同頻率成分隨時(shí)間的變化情況，可以判斷各種頻率出現(xiàn)的時(shí)間、相對(duì)大小和發(fā)展趨勢(shì)。該圖的時(shí)間范圍為16:04到16:18，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為從1 500 r/min（16:04）到最高轉(zhuǎn)速2 100 r/min（16:15）再降速到330 r/min（16：18）的過(guò)程。從圖中可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速相對(duì)較低時(shí)（1 500 r/min），轉(zhuǎn)頻的幅值很小，其諧波也不明顯。而電機(jī)引起的電磁交變應(yīng)力50Hz和它的諧波相對(duì)突出。隨著轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)頻的幅值隨之增加，轉(zhuǎn)頻的諧波也越來(lái)越明顯。當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)? 800 r/min（16:10）增加到2 000 r/min時(shí)（16:13），一倍轉(zhuǎn)頻和五倍轉(zhuǎn)頻的幅值相對(duì)比較突出。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到2 100 r/min時(shí)（16:15），轉(zhuǎn)頻的一倍頻和五倍頻幅值再次明顯的增大。結(jié)合后軸承的趨勢(shì)圖，正是在這一階段設(shè)備的振動(dòng)幅值超標(biāo)過(guò)大。因此可以判斷是一倍頻和五倍頻導(dǎo)致了風(fēng)機(jī)后軸承振動(dòng)的過(guò)大[1]。

圖10 后軸承的三維頻譜瀑布圖

3.1.2 轉(zhuǎn)子不平衡

ID風(fēng)機(jī)要求的動(dòng)平衡精度等級(jí)G=2.5mm/s。根據(jù)公式G=en/9 550得：

式中，G為轉(zhuǎn)子平衡精度等級(jí)，G=2.5mm/s；e為允許質(zhì)量偏心距，μm；n為轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速，n=2 200 r/min。

計(jì)算得e=10.8μm。

轉(zhuǎn)子許用不平衡量U=em，其中m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，m≈600 kg=600 000 g。

計(jì)算得：U=6 480 g·mm。

按照大概重心位置分配到兩個(gè)矯正面上分別為：U1=4 002 g·mm；U2=2 477g·mm。

兩矯正面的矯正半徑分別為r1=440mm，r2=210 mm。

則兩矯正面在動(dòng)平衡校正后（見(jiàn)圖11）的殘余不平衡質(zhì)量分別為:

因此，理論計(jì)算平衡精度在9 g以下即可。最近幾次檢修的動(dòng)平衡試驗(yàn)，精度都在4~5 g，滿足精度要求[2]。

圖11 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡矯正位置示意圖（單位：mm）

3.1.3 風(fēng)機(jī)軸彎

風(fēng)機(jī)軸經(jīng)歷了多次更換軸承，每次軸承更換拆除都采用火焰切割拆除，火焰拆除時(shí)，軸頸處受熱肯定不均勻，有可能導(dǎo)致軸彎曲。另外，在振動(dòng)測(cè)試中，一倍頻也偏大。

在線粗測(cè)跳動(dòng)。如圖12所示，拆除風(fēng)機(jī)入口短節(jié)和風(fēng)機(jī)上蓋后，軸承上蓋螺栓先不松，把千分表表座固定在機(jī)殼剖分面上，在A、B、C三處檢測(cè)軸的跳動(dòng)[3]。

圖12 風(fēng)機(jī)軸在線跳動(dòng)檢測(cè)示意圖

3.1.4 后軸承座地腳連接分析

后軸承座用地腳螺栓固定在一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)底座上，而此鋼結(jié)構(gòu)底座是焊在冷風(fēng)室內(nèi)壁上，而冷風(fēng)室殼體是由后導(dǎo)葉支撐，后導(dǎo)葉焊接在冷風(fēng)室外壁和風(fēng)機(jī)出口管道內(nèi)壁之間，風(fēng)機(jī)出口管道外壁在通過(guò)一個(gè)外鋼座與基礎(chǔ)連接，如圖13所示。

在這些連接的環(huán)節(jié)中，地腳螺栓已確認(rèn)多次可以暫排除。其他結(jié)構(gòu)的剛性較大出現(xiàn)微裂紋的可能性較小，后導(dǎo)葉剛性較小，風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行的振動(dòng)（正常振動(dòng)）可能導(dǎo)致微裂紋出現(xiàn)。

圖13 后軸承座支撐示意圖

3.1.5 共振分析

風(fēng)機(jī)雖然未經(jīng)改造，各部件特征頻率未變化，但是如果結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋，可能會(huì)引起某些部件特征頻率的變化。

根據(jù)最近幾次檢修情況來(lái)看，暫可排除安裝方面原因，從風(fēng)機(jī)本身查找；風(fēng)機(jī)機(jī)架強(qiáng)度原因暫且排除，之前做過(guò)后軸承座機(jī)架相關(guān)結(jié)構(gòu)焊縫滲透試驗(yàn)，后導(dǎo)葉著色探傷，未發(fā)現(xiàn)有缺陷，而且基礎(chǔ)機(jī)架南北方向均加4根筋固定；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子組動(dòng)平衡原因排除，最近兩次檢修均對(duì)轉(zhuǎn)子組在動(dòng)平衡機(jī)進(jìn)行800多轉(zhuǎn)高速動(dòng)平衡試驗(yàn)調(diào)整，可滿足2 900 r/min的工況使用條件，而且現(xiàn)場(chǎng)也在線做過(guò)動(dòng)平衡試驗(yàn)，改善效果不明顯；從現(xiàn)狀分析，風(fēng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，后軸承振動(dòng)急劇變大?，F(xiàn)在分析造成的原因可能有兩個(gè)方面：一是前后軸承座墊板下機(jī)架基礎(chǔ)平面本身已不平，去年7月份中修加工墊板找平，墊板加工面尺寸配合機(jī)架基礎(chǔ)面尺寸加工，因此墊板表面局部尺寸不一樣，雖然在安裝墊板、軸承座后整體測(cè)量軸承座中分面水平度符合安裝精度要求，但風(fēng)機(jī)在煉鋼狀態(tài)高速轉(zhuǎn)動(dòng)下，墊板與機(jī)架基礎(chǔ)之間可能產(chǎn)生局部微變形，引起軸承振動(dòng)大；二是ID風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子組主軸安裝軸承軸段局部有磨損，軸承與軸配合精度較差，造成軸承振動(dòng)大[4]。

3.2 故障處理

2016年5月高爐休風(fēng)，對(duì)ID風(fēng)機(jī)再次進(jìn)行檢修，主要檢修內(nèi)容如下：

3.2.1 研磨墊板、軸承座及機(jī)架基礎(chǔ)

將加工好的墊板一個(gè)面與機(jī)架基礎(chǔ)面進(jìn)行研磨，另一個(gè)面與軸承座底面研磨。最終測(cè)量軸承座中分面水平，符合水平度要求。

3.2.2 修復(fù)轉(zhuǎn)子組主軸安裝軸承軸段

將離線轉(zhuǎn)子組送修，著重處理主軸安裝軸承軸段，經(jīng)測(cè)量局部尺寸偏離標(biāo)準(zhǔn)0.10mm左右，后激光堆焊再機(jī)加工處理，尺寸精度達(dá)到使用要求。

檢修后試車，固定端、自由端軸承振動(dòng)值分別為0.76mm/s，1.08mm/s。符合功能精度要求[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

ID風(fēng)機(jī)作為轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，發(fā)生振動(dòng)的原因眾多，如何對(duì)這些故障進(jìn)行快速準(zhǔn)確的分析和處理，影響著轉(zhuǎn)爐的正常生產(chǎn)。針對(duì)本次故障，分別對(duì)常見(jiàn)原因一一分析，結(jié)合歷次檢修情況進(jìn)行排查，經(jīng)過(guò)頻譜分析，動(dòng)平衡驗(yàn)證等措施，最終查找到故障發(fā)生的確切原因，解決了ID風(fēng)機(jī)振動(dòng)大故障。

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2]陳大禧，朱鐵光.大型回轉(zhuǎn)機(jī)械診斷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[3]徐敏.設(shè)備故障診斷手冊(cè)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1998.

[4]續(xù)魁昌.風(fēng)機(jī)手冊(cè)：第2版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[5]熊詩(shī)波，黃長(zhǎng)藝.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)：第3版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

（編輯：苗運(yùn)平）

Fault Analysis and Treatment of ID Fan Vibration of Converter

LIU Yanbing,LIU Chunhu
（Shanxi Taigang Stainless Steel Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi030003）

ID fan is one of the key equipment in normal smelting converter system.This paper firstly introduces the failure process and conditions of ID fan.By using spectrum analysismethod,this paper analyzes abnormal vibration. Through dynamic balance analysis and calculation,combined with severalmaintenance situation,this paper ultimately determines that the fault is produced by micro deformation between plate and frame base and rotor spindle bearing shaft section of wear and tear caused by installation,and puts forward treatmentmeasures respectively with grinding plate,bearing,frame based group and spindle bearing segment repair of rotor shaft,which solves the fault of ID fan vibration and ensures the normal production of the converter.

ID fan,vibration,spectrum analysis,dynamic balance

TH442

A

1672-1152（2017）02-0045-06

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.02.18

2016-12-18

劉彥兵（1988—），男，山西興縣，大學(xué)工學(xué)學(xué)士，助理工程師，現(xiàn)在太鋼從事機(jī)械設(shè)備點(diǎn)檢工作。