高速高效離心式鼓風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷*

張　勇，張躍春,2，李榮滿，楊家禮，張正華

(1.湖南航翔燃?xì)廨啓C(jī)有限公司，湖南　株洲　412002； 2.中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南　株洲　412002)

0　引言

隨著我國(guó)建設(shè)“資源節(jié)約型和環(huán)境友好型”兩型社會(huì)的要求以及高端裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，高速高效離心式鼓風(fēng)機(jī)作為污水處理領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行開發(fā)和應(yīng)用受到國(guó)家相關(guān)政策的鼓勵(lì)。高速高效離心式鼓風(fēng)機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)速較高，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)51 000 r/min，在高速運(yùn)行時(shí)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常運(yùn)行狀態(tài)，要快速辨別系統(tǒng)故障，并及時(shí)排除故障，避免造成破壞性的后果[1-2]。

基于高速高效離心式鼓風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)測(cè)的需求，本文以55 kW高速高效離心式鼓風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，采用DEWESoft振動(dòng)測(cè)試軟件與PCB振動(dòng)加速度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)[3-4]，并對(duì)出現(xiàn)的異常狀態(tài)進(jìn)行快速診斷，及時(shí)排除故障，確保高速高效離心式鼓風(fēng)機(jī)的安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

1　高速高效離心式鼓風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

高速高效離心式鼓風(fēng)機(jī)采用高速增速齒輪箱，將普通三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高到葉輪的工作轉(zhuǎn)速，由離心葉輪對(duì)空氣做功，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，以確保在出氣口獲得壓力、流量穩(wěn)定的高壓氣流，其具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

高速高效離心式鼓風(fēng)機(jī)的三相異步電機(jī)和高速增速箱采用立式安裝，極大地節(jié)省了占地空間，并且具有運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲小、振動(dòng)低等特點(diǎn)。

2　高速增速箱

高速增速箱作為高速高效離心式鼓風(fēng)機(jī)的核心部件，其動(dòng)態(tài)性能直接決定鼓風(fēng)機(jī)的整機(jī)性能[5-6]。因此，為了確保增速齒輪箱具有良好的動(dòng)態(tài)性能，采用振動(dòng)測(cè)試軟件，通過將時(shí)域試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換轉(zhuǎn)化為頻域值，監(jiān)測(cè)各關(guān)鍵部件在特征頻率下的振動(dòng)情況，即可判斷各關(guān)鍵部件的運(yùn)行狀態(tài)。一旦出現(xiàn)異常運(yùn)行狀態(tài)，其振動(dòng)值會(huì)急劇增大，將頻域分析結(jié)果與故障庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，就可以快速辨別故障特征，及時(shí)排除故障[7]。

1-高速增速箱；2-鼓風(fēng)機(jī)出氣口；3-鼓風(fēng)組件；4-鼓風(fēng)機(jī)箱體；5-三相異步電機(jī)

高速增速齒輪箱的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，該齒輪箱采用平行軸兩級(jí)傳動(dòng)，總傳動(dòng)比為17.17，輸入軸和中間軸采用高精密滾動(dòng)軸承，輸出軸采用徑向滑動(dòng)軸承和推力軸承，輸出軸末端與離心葉輪相連，并用自鎖螺母鎖緊，防止葉輪松動(dòng)導(dǎo)致的嚴(yán)重后果。高速增速齒輪箱的結(jié)構(gòu)參數(shù)、特征頻率分別見表1和表2。

表2中為關(guān)鍵零部件的特征頻率，其倍頻即在相應(yīng)的數(shù)值上乘上相應(yīng)的倍數(shù)。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)高速高效離心式鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)時(shí)，需要采用振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷，振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備如圖3所示，主要包括筆記本電腦、DEWESoft測(cè)試軟件、DEWE8通道數(shù)據(jù)采集卡、加速度傳感器、測(cè)試數(shù)據(jù)線等。

高速轉(zhuǎn)子的運(yùn)行速度高，滑動(dòng)軸承可能存在半速渦動(dòng)，甚至油膜振蕩，一旦運(yùn)行有異常，可能會(huì)產(chǎn)生破壞性的嚴(yán)重后果[8-9]，所以將傳感器布置在高速軸的垂直與軸向方向，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高速轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)，傳感器安裝位置如圖4所示。

1-輸入軸；2-第一級(jí)嚙合齒輪；3-潤(rùn)滑油泵；4-鼓風(fēng)組件；5-中間軸；6-第二級(jí)嚙合齒輪；7-輸出軸

名稱齒數(shù)電機(jī)帶輪56輸入軸帶輪56一級(jí)大齒輪89一級(jí)小齒輪29二級(jí)大齒輪95二級(jí)小齒輪17

表2　增速箱輸出轉(zhuǎn)速51 000 r/min時(shí)的特征頻率

圖3振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備圖4試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及傳感器布置位置

振動(dòng)測(cè)試采用DEWESoft數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，軟件界面如圖5所示。振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)方案如表3所示，在試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)振動(dòng)的時(shí)域值及頻譜圖。

根據(jù)振動(dòng)測(cè)試軟件的監(jiān)測(cè)，增速箱由低速過程升高到最高轉(zhuǎn)速時(shí)，整機(jī)振動(dòng)平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)急劇增大的情況，高速穩(wěn)定性良好。最高轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)時(shí)域波形圖和頻域頻譜圖如圖6所示。

高速高效離心式鼓風(fēng)機(jī)在最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行下，整體振動(dòng)平穩(wěn)，垂直和軸向的振動(dòng)加速度值均小于4g(g為重力加速度)，且頻譜圖中各特征頻率振動(dòng)值均較小，詳細(xì)見表4，滑動(dòng)軸承運(yùn)動(dòng)無失穩(wěn)現(xiàn)象，高速穩(wěn)定性良好。

圖5　DEWESoft振動(dòng)測(cè)試軟件界面

序號(hào)操作1系統(tǒng)檢查,然后打開電氣控制系統(tǒng),準(zhǔn)備試驗(yàn)2設(shè)置好DEWESoft振動(dòng)測(cè)試軟件,固定好加速度傳感器,開始存儲(chǔ)振動(dòng)數(shù)據(jù)3開機(jī)試驗(yàn),試驗(yàn)步驟如下:①電機(jī)轉(zhuǎn)速582r/min穩(wěn)定運(yùn)行3min;②電機(jī)轉(zhuǎn)速873r/min穩(wěn)定運(yùn)行3min;③電機(jī)轉(zhuǎn)速1164r/min穩(wěn)定運(yùn)行3min;④電機(jī)轉(zhuǎn)速1455r/min穩(wěn)定運(yùn)行3min;⑤電機(jī)轉(zhuǎn)速1747r/min穩(wěn)定運(yùn)行3min;⑥電機(jī)轉(zhuǎn)速2038r/min穩(wěn)定運(yùn)行3min;⑦電機(jī)轉(zhuǎn)速2330r/min穩(wěn)定運(yùn)行3min;⑧電機(jī)轉(zhuǎn)速2620r/min穩(wěn)定運(yùn)行3min;⑨電機(jī)轉(zhuǎn)速2912r/min穩(wěn)定運(yùn)行3min;⑩電機(jī)轉(zhuǎn)速2970r/min穩(wěn)定運(yùn)行30min4振動(dòng)監(jiān)測(cè):①振動(dòng)時(shí)域波形圖;②振動(dòng)頻譜圖,特征頻率下的振動(dòng)情況5停機(jī),整理試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)6數(shù)據(jù)分析

圖6　鼓風(fēng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速51 000 r/min時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)

序號(hào)特征頻率(Hz)輸出垂直加速度值(m/s2)輸出軸向加速度值(m/s2)150.5/(輸入軸轉(zhuǎn)頻)0.08×9.80.08×9.82398.6/(輸出軸半頻)0.05×9.80.02×9.83854.5/(輸出軸轉(zhuǎn)頻)0.18×9.80.26×9.841709.0/(輸出軸二倍頻)0.17×9.80.36×9.852563.5/(輸出軸三倍頻)0.16×9.80.19×9.863418.0/(輸出軸四倍頻)0.10×9.80.13×9.8

4　結(jié)論

高速高效離心式鼓風(fēng)機(jī)在整機(jī)性能試驗(yàn)過程中，系統(tǒng)振動(dòng)加速度值均較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)異常工作狀態(tài)。

高速高效離心式鼓風(fēng)機(jī)作為環(huán)保水處理行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，在后續(xù)對(duì)其的工作中，將內(nèi)嵌振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速高效離心式鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各關(guān)鍵部件的運(yùn)行狀態(tài)，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常運(yùn)行狀態(tài)，快速辨別故障特征，確保高速高效離心式鼓風(fēng)機(jī)安全、高效的工作。

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