氣流激勵引起的風(fēng)機(jī)振動故障診斷?

袁 博

（西安陜鼓動力股份有限公司）

氣流激勵引起的風(fēng)機(jī)振動故障診斷?

袁 博

（西安陜鼓動力股份有限公司）

針對某冷氣風(fēng)機(jī)機(jī)組在現(xiàn)場試車過程中振動劇烈波動進(jìn)而導(dǎo)致連鎖停機(jī)的故障，本文采用歷史振動圖譜和現(xiàn)場測試方法，分析認(rèn)為振動劇烈波動的能量主要集中在0.75倍頻左右的低頻分量，且振動波動幅值與轉(zhuǎn)速、進(jìn)口壓力、進(jìn)口流量密切相關(guān)，表現(xiàn)為明顯的拍振。經(jīng)過氣動計算與現(xiàn)場試驗，機(jī)組故障為由于氣流激勵引起的機(jī)組異常振動，為后續(xù)解決機(jī)組振動問題提供了依據(jù)。

冷氣風(fēng)機(jī)；低頻分量；軸心軌跡；氣流激勵

0 引言

冷氣風(fēng)機(jī)由變頻電機(jī)驅(qū)動，主要作用是輸送三聚氰胺裝置中工藝系統(tǒng)的冷氣。冷氣風(fēng)機(jī)兩端垂直向上徑向進(jìn)氣，中間垂直向下徑向排氣。風(fēng)機(jī)的壓比非常小，是典型的通風(fēng)機(jī)，在整個裝置中起通風(fēng)作用。

某公司的冷氣風(fēng)機(jī)試車過程中，發(fā)現(xiàn)機(jī)組冷態(tài)試車時運行正常；當(dāng)采用熱空氣模擬工藝介質(zhì)試車時，振動大幅波動并導(dǎo)致機(jī)組連鎖停機(jī)。用戶認(rèn)為風(fēng)機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)，并且在設(shè)計上存在缺陷，不能滿足技術(shù)協(xié)議要求。為了準(zhǔn)確判斷該振動故障，并找出故障原因，本文通過頻譜分析、氣動計算分析及現(xiàn)場檢測，準(zhǔn)確診斷出該振動故障為氣流激勵，并且引起該振動故障的原因是風(fēng)機(jī)管網(wǎng)阻力大于風(fēng)機(jī)的升壓。此類故障的診斷分析，對其它風(fēng)機(jī)的同類振動故障也有借鑒意義。

1 氣流激勵

氣流激勵振動又名流致振動，作用在離心葉輪轉(zhuǎn)子上的橫向氣流激振力主要源于葉輪與蝸殼之間氣流動壓力的相互作用。當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)子只是繞軸自轉(zhuǎn)而無渦動發(fā)生時，作用在葉輪周圍的氣流壓力是幾何對稱的，此時未有橫向氣流力激振力產(chǎn)生；當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)子在繞軸自轉(zhuǎn)的同時又有渦動產(chǎn)生時，作用在葉輪周圍的氣流壓力便不再幾何對稱，離心葉輪轉(zhuǎn)子橫向氣流激振力也就隨之產(chǎn)生[1]。橫向氣流激振力可以使離心葉輪轉(zhuǎn)子的動力學(xué)特性復(fù)雜化，發(fā)生復(fù)雜運動的趨勢增大[2]。

葉輪進(jìn)出口的氣流存在滯止和渦流現(xiàn)象，造成速度的變化較為激烈，這也是造成局部氣流不穩(wěn)定的原因。氣流激勵誘發(fā)振動的特征頻率在0.5～0.8倍頻區(qū)間[3]，類似于離心壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速（如葉輪失速特征頻率為0.5～0.8倍頻[4-6]，擴(kuò)壓器失速特征頻率為0.1～0.5倍頻[7]）。誘發(fā)離心壓縮機(jī)氣流激勵振動的原因有很多，其中氣流失穩(wěn)是引起氣流振蕩的主要原因素。

一般情況下，通風(fēng)機(jī)是和管網(wǎng)聯(lián)合工作的。氣流流經(jīng)通風(fēng)機(jī)，通風(fēng)機(jī)對其做功，氣流的壓力和流量的關(guān)系是按照通風(fēng)機(jī)性能曲線變化的。

用于克服管網(wǎng)中的阻力ΣΔp，全壓的其余部分消耗在氣流從管網(wǎng)出口時所具有的動能上。

總之，通風(fēng)機(jī)的全壓等于管網(wǎng)的總阻力與出口動

圖1 通風(fēng)機(jī)壓力與管網(wǎng)阻力的關(guān)系Fig.1 The relationship between the pressure of the fan and the resistance of the pipe network

圖1給出了通風(fēng)機(jī)壓力與管網(wǎng)阻力之間的關(guān)系。要滿足上述兩點要求，整個裝置包括通風(fēng)機(jī)與管網(wǎng)只能在通風(fēng)機(jī)壓力曲線p-Q與管網(wǎng)性能曲線的交點A上運行。在A點，兩者的流量（QA）相等，靜壓力與阻力（PA）也相等，A點成為工況點。根據(jù)上面兩點要求，工況點是由通風(fēng)機(jī)壓力曲線與管網(wǎng)性能曲線的交點來決定的[8]。

在通風(fēng)機(jī)運行時，當(dāng)系統(tǒng)通風(fēng)阻力由于某種原因升高，使得流量減小。工況點沿著通風(fēng)機(jī)的性能曲線向左移動，若工況點移動到性能曲線的某一流量時，通風(fēng)機(jī)進(jìn)口的流量、壓力有激烈的脈動，氣流激勵頻率剛好與風(fēng)機(jī)固有的一階臨界頻率相吻合，造成通風(fēng)機(jī)一階臨界頻率分量的振動能量突然增大而導(dǎo)致機(jī)組連鎖停機(jī)。

2 故障特征

冷氣風(fēng)機(jī)機(jī)組由電機(jī)直接拖動，并在進(jìn)排氣側(cè)分別布置X向和Y向兩個測點，電機(jī)上的振動數(shù)據(jù)沒有上傳至遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)。

該套冷氣風(fēng)機(jī)的機(jī)殼是鋼板焊接類結(jié)構(gòu)，支撐軸承為圓柱軸承。風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 冷氣風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of cooling fan

三聚氰胺的工藝流程示意圖如圖2所示，冷氣風(fēng)機(jī)將捕集器中的三聚氰胺冷氣輸送到尿洗塔中。冷氣風(fēng)機(jī)試車時，系統(tǒng)中的其它裝置均未投運，通過出料鼓風(fēng)機(jī)給該密閉系統(tǒng)中打空氣加壓，以達(dá)到熱空氣模擬工藝介質(zhì)試車的目的。

圖2 三聚氰胺流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the melamine process

前期冷態(tài)試車，將風(fēng)機(jī)進(jìn)排氣管道上的檢修人孔門打開，單試?yán)錃怙L(fēng)機(jī)的機(jī)械運轉(zhuǎn)情況。當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到工作轉(zhuǎn)速后，振動幅值均在合格范圍之內(nèi)。本文將針對3次典型的試車情況進(jìn)行分析和診斷。

第一次熱態(tài)試車。將風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力增壓至0.2MPa(G)，在該套閉環(huán)系統(tǒng)裝置中單試風(fēng)機(jī)的熱態(tài)機(jī)械性能。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速從1 330r/min快速升至2 690r/min時，風(fēng)機(jī)各測點的振動通頻值發(fā)生突跳，通頻值最大達(dá)到88.8μm而導(dǎo)致連鎖停機(jī)。

第二次熱態(tài)試車。將風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力增壓至0.05MPa(G)并解除振動連鎖停機(jī)信號，繼續(xù)在該套閉環(huán)系統(tǒng)裝置中單試風(fēng)機(jī)的熱態(tài)機(jī)械性能。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速升至 2 995r/min 時 ，風(fēng) 機(jī) 測 點 VT10306X、VT10306、VT10305X、T10305Y的振動通頻值分別為16.8μm、14.3μm、20.3μm、14.8μm。當(dāng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸降至 2 915r/min時，風(fēng)機(jī)振動開始出現(xiàn)連續(xù)的波動，波動最大達(dá)到96.3μm而停機(jī)。

第三次熱態(tài)試車。試車前在風(fēng)機(jī)進(jìn)排氣側(cè)管道上安裝了回流閥，如圖5所示。將風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力增壓至0.2MPa(G)，回流閥全開，解除振動連鎖停機(jī)信號，繼續(xù)在該套閉環(huán)系統(tǒng)裝置中單試風(fēng)機(jī)的熱態(tài)機(jī)械性能。在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速升至3000r/min后降速至2876r/min的過程中，各測點處振動的通頻值分別為15.4μm、11.5μm、22.0μm、18.0μm且振動趨勢非常平穩(wěn)；當(dāng)逐漸關(guān)閉回流閥至開度為30%時，各測點處的振動開始出現(xiàn)劇烈波動，波動最大達(dá)到128.6μm；隨著回流閥逐漸打開，振動值也逐漸回落。

圖3 增加回流閥的流程示意圖Fig.3 The process diagram of adding the return valve

3 故障精析

第一次試車分析：風(fēng)機(jī)在2 690r/min發(fā)生突跳時，振動通頻值最大達(dá)到88.8μm，但各測點的工頻幅值非常小，最大不超過16μm。振動的主要能量集中在0.75倍頻分量處，其能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過工頻分量。低頻分量的突然增大是造成此次故障的主要因素。查看風(fēng)機(jī)啟機(jī)過程中各測點的頻率分量的變化情況，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速升至1 270r/min時各測點振動信號的頻譜圖中均出現(xiàn)了0.75倍頻分量。隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，該0.75倍頻分量始終存在（圖4），直至該低頻分量突然升高引起風(fēng)機(jī)連鎖停機(jī)[5]。

圖4 冷氣風(fēng)機(jī)波動時的頻譜圖Fig.4 Spectrum of cooling fan fluctuating

圖5為冷氣風(fēng)機(jī)發(fā)生突跳時的軸心軌跡，從圖中可以看出軸心軌跡的輪廓形狀基本不變，但軌跡的隨機(jī)性強，重復(fù)性非常差。

圖5 冷氣風(fēng)機(jī)發(fā)生突跳時的原始軸心軌跡Fig.5 The original axis track of the cooling fan jump

第二次試車分析：當(dāng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到2 995r/min時，各測點的振動主要以工頻分量為主，雖伴有少量的低頻分量，但低頻分量的能量最大不超過3μm。當(dāng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸降至2 915r/min時，風(fēng)機(jī)振動開始出現(xiàn)連續(xù)波動，波動時振動通頻值最大達(dá)到96.3μm，此時各測點的振動能量均主要集中在0.72倍頻分量處(34.92Hz)。圖6為風(fēng)機(jī)發(fā)生波動時的原始軸心軌跡圖，可以看出風(fēng)機(jī)的軸心軌跡與第一次試車突跳時的軸心軌跡十分相似。軌跡形如一團(tuán)亂麻，鍵相點的位置也在不斷變化，幾乎沒有重復(fù)性。從各測點的振動波形圖中可以看到明顯的拍振。

圖6 冷氣風(fēng)機(jī)波動時的原始軸心軌跡圖Fig.6 The original axis track when the cooling fan fluctuates

第三次試車分析：當(dāng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到2 876r/min時，各測點處的振動主要以工頻分量為主，并且伴有少量的低頻分量。但低頻分量的幅值最大也在4μm以內(nèi)，能量很小。當(dāng)逐漸關(guān)閉回流閥開度至30%時，四個測點處的振動開始出現(xiàn)劇烈波動，波動時振動通頻值最大可達(dá)128.6μm，此時振動能量主要集中在0.72倍頻分量處(34.48Hz)。

圖7 冷氣風(fēng)機(jī)劇烈波動時的原始軸心軌跡圖Fig.7 The original axis track of the cooling fan violently fluctuating

圖7為風(fēng)機(jī)發(fā)生劇烈波動時的原始軸心軌跡圖，可以看出此時風(fēng)機(jī)的軸心軌跡與前兩次試車突跳時軸心軌跡特征相似。

表2給出了三次試車時波動最大點的數(shù)據(jù)對比及軸心軌跡情況對比。在3次試車過程中，風(fēng)機(jī)振動均發(fā)生了劇烈的波動或者突跳，振動的能量均集中在0.72倍頻或0.75倍頻分量，工頻分量幅值非常?。徊▌幼罡邷y點(VT10305X)的振動通頻幅值均達(dá)到了80μm以上，但工頻幅值最高不超過16μm；在進(jìn)口壓力調(diào)低至0.05MPa(G)或者節(jié)流閥關(guān)至1/3時，振動即發(fā)生突跳并伴有明顯的拍振。

表2 三次試車情況對比Tab.2 The comparison of three experiments

雙吸式的單級葉輪受到兩端氣流的間歇性激振，引起轉(zhuǎn)子強烈的拍振，轉(zhuǎn)子的線性運轉(zhuǎn)受到該激振力的強烈沖擊而產(chǎn)生劇烈的振動，因此認(rèn)為造成風(fēng)機(jī)劇烈波動或突跳的主要因素是氣流激勵。

從三次試車的數(shù)據(jù)對比中發(fā)現(xiàn)氣流激勵引起的風(fēng)機(jī)振動與風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、進(jìn)口壓力、進(jìn)口流量等參數(shù)關(guān)系密切。在第一次試車中，當(dāng)進(jìn)口壓力保持在0.2MPa(G)且未裝回流閥的情況下，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速升至1 044r/min時，各測點的頻譜圖中并未發(fā)現(xiàn)0.75倍頻分量；當(dāng)轉(zhuǎn)速升至1 330r/min時，各測點的頻譜圖中即出現(xiàn)明顯的0.75倍頻分量。此時氣流激勵開始出現(xiàn)，但能量還比較??；當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升至2 690r/min時，0.75倍頻的低頻能量突然升高致風(fēng)機(jī)振動連鎖停機(jī)；在第二次試車過程中，風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力調(diào)低至0.05MPa(G)。因載荷降低氣流激振的能量比較小，故并未激起風(fēng)機(jī)振動突然增大而連鎖停機(jī)；在第三次試車時，風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力保持在0.2MPa(G)，回流閥全開，此時風(fēng)機(jī)進(jìn)口流量大。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2 876r/min時，各測點的振動通頻值非常小，當(dāng)回流閥關(guān)至30%時，風(fēng)機(jī)進(jìn)口流量減小，風(fēng)機(jī)各測點的振動通頻值發(fā)生明顯的突跳，頻譜圖中的低頻振動能量增加非常明顯。

該風(fēng)機(jī)在現(xiàn)場的啟機(jī)過程中，一階臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間為1490～2260r/min對應(yīng)的頻響范圍為24.8～37.7Hz。三次試車低頻振動頻率分別為33.6Hz，35.0Hz，34.5Hz，低頻分量的頻率剛好在臨界頻響范圍內(nèi)，氣流激勵的頻率與轉(zhuǎn)子一階臨界頻率相吻合，在波形頻譜圖中出現(xiàn)了明顯的拍振跡象。綜合對比分析認(rèn)為：誘發(fā)該套風(fēng)機(jī)振動幅值劇烈波動的原因是氣流激勵與轉(zhuǎn)子一階臨界的頻率相吻合的共振[10-12]。

4 氣動性能分析與現(xiàn)場檢測

通過現(xiàn)場DCS檢測畫面所顯示的結(jié)果來看，在這三次試車時，風(fēng)機(jī)壓升均由于壓力表的原因無法測得真實值，這給我們分析振動的氣動原因增加了很大的難度。故給出熱空氣試車時的性能曲線進(jìn)行分析，如下圖8所示。該曲線是風(fēng)機(jī)設(shè)計時預(yù)測性能曲線換算到進(jìn)口條件下運行時的風(fēng)機(jī)預(yù)測性能曲線，方點位置是運行點?？梢钥闯觯哼\行點與設(shè)計的升壓、軸功率都吻合的很好，且運行在穩(wěn)定工況范圍內(nèi)。

圖8 風(fēng)機(jī)預(yù)測性能曲線Fig.8 Fan prediction performance curve

由于此風(fēng)機(jī)的預(yù)測性能曲線特性是經(jīng)計算校核過的，因此，如果此風(fēng)機(jī)的壓升隨著流量減小而升高的幅度不大，那么流量在一定范圍內(nèi)的變化影響到升壓的變化就比較小。反之，如果升壓超過了設(shè)計值很多，流量會急劇減小。

該風(fēng)機(jī)在管網(wǎng)中的作用就是克服管網(wǎng)阻力。所以判斷在此工況下，風(fēng)機(jī)的升壓已經(jīng)超過了風(fēng)機(jī)的設(shè)計能力。

現(xiàn)場檢測中，當(dāng)風(fēng)機(jī)在50%負(fù)荷且回流閥開度為1/3的情況下，用手持式測振儀對機(jī)殼各位置的振動速度進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如下表3所示。從表中可以看出：軸承箱殼體振動速度不大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于優(yōu)良值4.5mm/s。下機(jī)殼出口位置的振動速度最大達(dá)到14.2mm/s，遠(yuǎn)超過停機(jī)值7.1mm/s。殼體振動速度作為振動分析的一個參考量，反映出風(fēng)機(jī)出口處的振動能量比軸承箱的殼體振動能量大的多，說明引起風(fēng)機(jī)振動的激振能量來源于出口管道處。

表3 殼體振動速度對照表（單位：mm/s）Tab.3 The vibration velocity in different parts of volute(unit:mm/s)

超轉(zhuǎn)速升至3 075r/min后，測出風(fēng)機(jī)升壓已經(jīng)大于48kPa，這個值超過設(shè)計值33%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了風(fēng)機(jī)的設(shè)計能力范圍。

5 處理方案與處理效果

根據(jù)現(xiàn)場檢測到的風(fēng)機(jī)性能和管網(wǎng)阻力等參數(shù)的計算結(jié)果，重新更換一套風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子，使其做功能力能夠克服現(xiàn)場管網(wǎng)阻力，達(dá)到裝置的運行要求。

新轉(zhuǎn)子更換完成后現(xiàn)場試車，當(dāng)轉(zhuǎn)速升至工作轉(zhuǎn)速并加至滿負(fù)荷（回流閥全關(guān)）正常運行，風(fēng)機(jī)進(jìn)排氣側(cè)的振動值最大不超過25μm，并且振動趨勢非常平穩(wěn)。該風(fēng)機(jī)的振動故障徹底得到解決。

6 結(jié)論

1）冷氣風(fēng)機(jī)在閉路系統(tǒng)里要建立正壓，風(fēng)機(jī)的升壓一定要大于管網(wǎng)阻力。而當(dāng)管網(wǎng)阻力遠(yuǎn)大于風(fēng)機(jī)的設(shè)計升壓時。

2）氣流激勵引起的振動比較常見，但是0.75倍頻左右分量的低頻振動，并且剛好與轉(zhuǎn)子的一階臨界頻率相吻合的共振故障更是非常罕見。

3）頻譜分析與氣動參數(shù)分析相結(jié)合，綜合診斷出該冷氣風(fēng)機(jī)的做功能力小于管網(wǎng)阻力（風(fēng)機(jī)在管網(wǎng)中的作用就是克服管網(wǎng)阻力），并且通過現(xiàn)場測試得到了驗證。

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Fault Diagnosis of Fan Vibration Caused by Aerodynamic Excitation

BoYuan
（Xi’an Shaangu Power Co.,Ltd）

An cooling fan was shut down due to strong vibrations during an on-site experiment.In this paper,the vibration spectra were analyzed and showed that a high vibration energy is concentrated at aroundof the low frequency component.Experimental analysis further showed that the vibration amplitude is related to the rotational speed,inlet pressure and inlet flow rate,especially the beat vibration.The aerodynamic analysis and experiment on site show the reason of unit fault to be aerodynamic excitation.

cooling fan,low frequency components,axis orbit,aerodynamic excitation

分布式能源互聯(lián)島綠色制造系統(tǒng)集成工程(2016年綠色制造系統(tǒng)集成項目)

2017-07-06 陜西 西安 710600

TH432；TK05

1006-8155-(2017)06-0081-06

A

10.16492/j.fjjs.2017.06.0014