風機振動故障分析

楊龍

摘 要：簡單介紹通風機振動的概念及評定標準，進而分析歸納風機振動的類型及表征，最后介紹振動故障的排查診斷方法。

關(guān)鍵詞：離心式通風機；振動；原因表征；故障診斷

1、概述

通風機是依靠輸入的機械能，將機械能轉(zhuǎn)化為氣體壓力，并向外輸送氣體的一種機械，它是一種靠外界能量從動的流體類機械。目前通風機廣泛的應用于鋼鐵冶金、石油化工、火力發(fā)電、煤氣回收、污水處理及核電等多種行業(yè)及領(lǐng)域中。據(jù)相關(guān)調(diào)查所得，目前國內(nèi)大型風機企業(yè)的收入有百分之九十五來自于鋼鐵、石化、火電和水泥四大行業(yè)。在轉(zhuǎn)爐冶煉凈汽化系統(tǒng)中風機機械是必不可少的，主要用于管道系統(tǒng)中煙氣、粉塵等混合氣體雜質(zhì)的抽排輸送，已達到煤氣回收和環(huán)保除塵的效果。該類風機一般采用離心式通風機，風量可達10萬M3/h，轉(zhuǎn)速在600-3000r/min之間，原動機一般選用6kv或10kv高壓驅(qū)動、功率達1000KW的電動機。風機作為一種高速運轉(zhuǎn)在復雜環(huán)境中的大型機械，在運行過程中最常出現(xiàn)的故障就是振動。

本文以鋼鐵冶煉中轉(zhuǎn)爐煤氣回收及除塵風機為研究對象，從風機本體及驅(qū)動電機等方面全面分析風機系統(tǒng)振動的原因、各類振動的現(xiàn)象表征和頻譜表征及振動故障排查處理方法。

2、風機振動的概念及評定標準

2.1電動機的振動表示及限值

在工業(yè)現(xiàn)場中表示振動的參數(shù)一般有三個：振動幅值（mm）、振動速度（mm/s）和振動加速度（mm/s2）。在GB 10068-2000中給定的對振動無特殊要求的電機不同軸中心高的振動強度參考標準，見表1。

在實際中電機振動的判斷主要依據(jù)是振動烈度[1]。振動烈度即電機軸承振動速度的有效值，它既代表了振動系統(tǒng)的能量，也反映了振動過程的時間歷程，因此，目前振動速度被認為是能夠全面描述振動過程的量值[2]。但對于JS、JR等老系列的電動機也可用老標準振動幅值（雙位移）作為考核依據(jù)，表2給出了不同轉(zhuǎn)速下老系列電機的振幅限值。振動加速度一般只在做振動頻譜分析的時候有所納入

2.2風機機械的振動限值

風機機械振動和電機振動的概念和測量是一致的，在ISO10816-1中給出了機器機械振動的參考標準，見表3。

其中，I類機械指發(fā)動機和機器的單獨部件。它們完整地聯(lián)接到正常運行狀況的整機上（15KW以下的電機是這一類機器的典型例子）。II類機械指無專門基礎(chǔ)的中型機器（具有15～75KW輸出功率的電機），在專門基礎(chǔ)上剛性安裝的發(fā)動機或機器（300KW以下）。III類機械指具有旋轉(zhuǎn)質(zhì)量安裝在剛性的重型基礎(chǔ)上的大型原動機和其它大型機器，基礎(chǔ)在振動測量方向上相對是剛性的。IV類機械指具有旋轉(zhuǎn)質(zhì)量安裝在基礎(chǔ)上的大型原動機和其它大型機器，其基礎(chǔ)在振動測量方向上相對是柔性的（例如輸出功率大于10MW的汽輪發(fā)電機組和燃氣輪機）。

區(qū)域A表示優(yōu)，新交付使用的機器的振動通常屬于該區(qū)域。區(qū)域B表示良，通常認為振動值在該區(qū)域的機器可不受限制地長期運行。區(qū)域C表示較差，通常認為振動值在該區(qū)域的機器不適宜于長期持續(xù)運行。一般來說，該機器可在這種狀態(tài)下運行有限時間，直到有采取補救措施的合適時機為止。區(qū)域D表示差，振動值在這一區(qū)域中通常被認為振動劇烈，足以引起機器損壞。

綜上所述，本文所研究的風機機械應該屬于III類機械，其運行正常振動速度應小于4.5mm/s，當振動大于4.5mm/s時就應安排下線檢修。

3、風機系統(tǒng)振動的類型及表現(xiàn)特征

風機系統(tǒng)基本由風機機械、原動電機和連接部件聯(lián)軸器構(gòu)成?？梢詮钠錁?gòu)成分析其振動的原因，即風機本體的振動、驅(qū)動電機振動和二者配合連接引起的振動。風機本體的振動主要來源于風機轉(zhuǎn)子不平衡、流體介質(zhì)負載不均造成的喘振、軸承座及滑動軸承潤滑不當及磨損引起的振動、還有基礎(chǔ)部件松動引起的振動及機械共振。電動機振動主要源于電磁振動、軸承損壞及轉(zhuǎn)軸彎曲引起振動、還有機械部件振動。連接部位振動住要源于兩者配合調(diào)整不到位引起的振動及聯(lián)軸器本身引起的振動。歸納總結(jié)大致可以把振動分為以下七類：轉(zhuǎn)子不平衡、風機出口壓力與入口風量不對稱引起的喘振、風機軸承異常振動、電動機電磁振動、軸心線不對中引起的振動、螺栓松動及基礎(chǔ)劣化引起的振動、機械共振。

（1）轉(zhuǎn)子不平衡。由于風機轉(zhuǎn)子在高溫、潮濕、雜質(zhì)量大、甚至具有腐蝕性的復雜混合氣體介質(zhì)中高速旋轉(zhuǎn)，運行一段時間后，轉(zhuǎn)子表面難免會附著一定量的雜質(zhì)顆?；蛘呤艿?jīng)_擊磨損。轉(zhuǎn)子表面有的部位遭到腐蝕磨損而有的部位堆積雜質(zhì)顆粒，必然導致轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，在高速旋轉(zhuǎn)時就會引起風機振動，表現(xiàn)為其振動值隨運行時間延長逐漸增大。也有因為轉(zhuǎn)子上的零部件脫落或葉輪流道有異物附著、卡塞造成的突發(fā)性不平[3]。所以風機轉(zhuǎn)子按周期的清理檢修十分必要。同樣驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)子也可能出現(xiàn)不平衡，電機轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動主要表現(xiàn)為徑向振動，且振動隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，與負載無關(guān)。大電機一般在出廠前或者周期保養(yǎng)時都會做轉(zhuǎn)子動平衡實驗。

（2）風機出口壓力與入口風量不平衡引起的喘振。喘振是風機運行中的特殊現(xiàn)象，風機喘振主要是由于出口壓力與風機入口風量失去對應所致。當管網(wǎng)異常等原因?qū)е鲁隹趬毫芨叨肟陲L量很小使得風機葉片部分或全部進入失速區(qū)，這時風機一會向負載排氣，一會又向負載吸氣，風機就會出現(xiàn)喘振。風機喘振最直接的表現(xiàn)就是風量、出口壓力、電機電流出現(xiàn)大幅波動，劇烈震動并伴有異常噪聲[4]。

（3）風機軸承問題引起的振動。高壓大型風機的裝配一般都采用滑動方式裝配，所以風機的裝配和潤滑十分重要。風機檢修完裝配時 兩端必須保持水平且軸瓦的瓦襯一般都需要進行研刮。軸瓦研刮的目的是為了使瓦襯形成圓的幾何形狀，使軸瓦與軸徑間存在鍥形縫隙，以保證軸徑旋轉(zhuǎn)時，摩擦面間能形成鍥形油膜，使軸徑在油膜的浮力作用下運轉(zhuǎn)，以減輕與瓦襯的摩擦，降低其磨損與動力的消耗，軸瓦的檢查與研刮可采用著色法或干研法。另外風機運行過程中必須保證供油充足，防止因潤滑不良造成軸瓦及軸徑的磨損，從而引起風機振動。同樣電機的軸承也可能出現(xiàn)磨損、表面剝落點蝕、破碎等異常故障。不論滑動軸承還是滾動軸承出現(xiàn)問題最直觀的反映為軸承溫度急劇升高。

（4）驅(qū)動電機的電磁振動。在確保軸承質(zhì)量和動平衡的前提下，籠型三相異步電動機的主要振動源是磁場相互作用產(chǎn)生隨時間和空間變化的電磁力引起的電磁振動[5]。具體來說，電磁振動有定子三相磁場不對稱引起的振動，氣隙偏心引起的振動和電機轉(zhuǎn)子異常引起的振動。定子電磁振動的主要特征為振動頻率為電源頻率的2倍，切斷電源后電機振動立即消失。氣隙偏心有兩種情況：一種是靜態(tài)不均勻，主要是由于電動機定子中心與轉(zhuǎn)子軸心不重和引起的；另一種是動態(tài)不均勻，主要是由于轉(zhuǎn)軸撓曲或轉(zhuǎn)子鐵心不圓造成的。轉(zhuǎn)子回路異常將產(chǎn)生不平衡的電磁力，從而產(chǎn)生振動，該類振動的主要特征是振動隨負載增加而增加，當負載超過50%以上時較為顯著。

（5）軸心線不對中引起的振動。安裝時電動機與風機本體的軸心線必須一致重合，因為聯(lián)軸器問題或者調(diào)整不到位，兩者軸心線錯位時，電動機在運行過程中就會受到來自聯(lián)軸器的作用力，從而產(chǎn)生振動。軸心線不對中引起的振動主要有3個特點：一是軸向振動較大，二是越靠近聯(lián)軸器振動越大，三是振動中2倍旋轉(zhuǎn)頻率的成分增加，同時伴有基頻和3倍頻[6]。

（6）螺栓松動及基礎(chǔ)劣化引起的振動。基礎(chǔ)灌漿不良，地腳螺栓松動，墊片松動，基座連接不牢固都將引起機械振動。該類振動的主要特征是有問題的地腳螺栓處振動最大，且以徑向分量最大，振動頻率為轉(zhuǎn)速的奇數(shù)倍頻率組合。一般都認為基礎(chǔ)劣化的可能微乎其微，但不能完全排除，筆者就有過因電機基礎(chǔ)預埋螺栓斷裂引起電機振動的教訓。

（7）共振。共振是指一物理系統(tǒng)在特定頻率下，比其他頻率以更大的振幅做振動的情形，此特定頻率稱之為共振頻率。風機在旋轉(zhuǎn)時處于臨界速度時即發(fā)生最大的撓度變形，此時就會發(fā)生共振。增大通風機的轉(zhuǎn)子重量或減小軸的直徑都可以使軸的臨界速度降低，從而避開了共振點，同樣可以通過改變機殼、基礎(chǔ)等，改變設(shè)備固有的共振頻率。

4、風機的運行檢修

由于風機轉(zhuǎn)子所處的運行環(huán)境比較惡劣，且突發(fā)故障造成的后果比較嚴重，所以風機一般都要進行周期性的清理檢修。周期清理檢修重點對轉(zhuǎn)子進行沖洗清理及常規(guī)檢查緊固，同時每次檢修完畢的恢復都是一次重裝上線，軸瓦的研刮、軸心線的對中調(diào)平都是必須的。故下面的故障排查對風機轉(zhuǎn)子漸進式的不平衡，風機軸承異常，軸心線不對中及聯(lián)軸器異常，螺栓松動等引起的振動不再詳述。

5、風機振動故障診斷的一般步驟

引起風機振動的原因有很多，一般可以通過直觀經(jīng)驗按由易到難的順序逐步排查淘汰。

（1）測量風機兩側(cè)軸承座及電機兩端的軸向水平、軸線垂直、徑向振動值，通過各測量點的對比，初步聚焦振源是風機還是電機。如果振值由大到小的排列是風機側(cè)、電機負荷側(cè)、電機非負荷側(cè)，那么基本可以斷定振源是風機本體。如果無法通過直觀的比較得出結(jié)論，可以斷開電源拆開聯(lián)軸器，使電動機與風機分離，單獨試驗電動機，測量電機是否振動。

（2）一般機械負載振動的概率要遠大于電機振動的概率。風機本體的振動除了第四節(jié)所述的常規(guī)原因外，還可能因為突發(fā)性的轉(zhuǎn)子不平衡等其它機械因素引發(fā)的振動。

（3）利用調(diào)節(jié)風機管網(wǎng)前后閥門開度對風機進行氣流激振試驗，在調(diào)節(jié)閥門不同的開度下，改變管道流量壓力，測量風機的振動值，判別風機振動是否由喘振引起的。

（4）電機振動的分析。電機的振動可以通過瞬時停電法來區(qū)分是機械原因還是電氣原因引起的，停電瞬間，如若電機振動明顯減弱，則說明是電氣原因為主，否則，機械原因的可能性大。電機的振動最有可能是內(nèi)部軸承異常引起的，軸承問題除了振動的判斷還可以通過聽音來判斷。

（5）電機的電磁振動。首先檢查三相電源是否平衡，現(xiàn)在一般都是變頻器驅(qū)動，電源的問題幾乎可以排除。其次檢查三相電流及三相繞組的電阻值是否平衡，如果不平衡，就需要專業(yè)檢修單位對電機進行解體檢查檢修，徹底解決電機內(nèi)部的問題，并做轉(zhuǎn)子動平衡實驗，確保電機軸沒有問題。

（6）風機本體、電機、聯(lián)軸器經(jīng)檢查如果都正常，最后就需要懷疑基礎(chǔ)了，對基礎(chǔ)的水平面，強度進行檢查檢測。

6、結(jié)束語

隨著信號檢測技術(shù)和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，大量的振動數(shù)據(jù)監(jiān)測分析軟件應運而生，當直觀經(jīng)驗無法做出準確判斷時可以借助軟件工具進行精密分析。但故障診斷系統(tǒng)更多的是根據(jù)振動波形圖、頻譜圖、軸心軌跡圖等測量結(jié)果給出很多可能，通常是診而未斷，扎實的理論依據(jù)和豐富的實踐經(jīng)驗將幫助我們做出準確判斷。

參考文獻：

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[3]屈紹山， 王亞娟. 風機振動故障的診斷[C].// 全國火電100-200MW級機組技術(shù)協(xié)作會年會論文集.2009.

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