現(xiàn)場動平衡技術(shù)在設(shè)備檢修中的應(yīng)用

薛旭利

（首鋼長治鋼鐵有限公司，山西長治 046031）

1 現(xiàn)場動平衡技術(shù)概況

現(xiàn)場動平衡技術(shù)是對旋轉(zhuǎn)設(shè)備在其工礦相同或轉(zhuǎn)速相近，對主設(shè)備不揭蓋、不拆卸的情況下，進(jìn)行振動測試、頻譜分析、平衡校驗的一種動平衡校驗方法。動平衡的基本原理是通過給旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備特定位置焊接固定配重，通過增加配重質(zhì)量，臨時改變旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備質(zhì)量分布位置，測量由質(zhì)量分布不均引起支撐部位軸承的振動幅值變化和振動相位角。根據(jù)影響系數(shù)法，由增加配重質(zhì)量的變化，計算確定出旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備實(shí)際校正的質(zhì)量及固定位置。

工建公司根據(jù)設(shè)備檢修需要，于2019 年4 月購置了德國SCHENCK 公司生產(chǎn)的現(xiàn)場動平衡儀（SmartBalancer）一臺，用于首鋼長治鋼鐵有限公司（以下簡稱“長鋼”）煉鋼廠運(yùn)轉(zhuǎn)一次除塵風(fēng)機(jī)、軋鋼廠高速線材吐絲機(jī)、TRT 等旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的在線動平衡試驗，并及時排除了設(shè)備振動的故障，有力地保障了生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定、順利運(yùn)行。

2 旋轉(zhuǎn)設(shè)備的故障識別

旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動監(jiān)測與診斷是將運(yùn)行中的設(shè)備看成“活”的狀態(tài)物，對設(shè)備的振動參數(shù)信息進(jìn)行采集、處理、分析、預(yù)判，確定故障原因并采取合適的修復(fù)方法處理。

2.1 旋轉(zhuǎn)設(shè)備的故障類型

旋轉(zhuǎn)設(shè)備的故障類型很多，如轉(zhuǎn)子不平衡故障、聯(lián)軸器不對中故障、基礎(chǔ)地腳螺絲松動故障、轉(zhuǎn)子或軸存在橫向裂紋、支承滑動（滾動）軸承故障、轉(zhuǎn)子與靜止件摩擦的故障等。但導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動超高或者持續(xù)增高的情況，應(yīng)該首先考慮動平衡失衡的問題，因為動平衡失衡是旋轉(zhuǎn)設(shè)備常見的、多發(fā)性故障。

如果旋轉(zhuǎn)設(shè)備發(fā)生聯(lián)軸器不對中、基礎(chǔ)地腳螺絲松動和轉(zhuǎn)子或軸存在橫向裂紋、支承滑動（滾動）軸承故障等隱患問題引起機(jī)械設(shè)備振動時，無法采取現(xiàn)場動平衡技術(shù)消除設(shè)備振動隱患，而需要通過其他方式解決處理。所以在生產(chǎn)現(xiàn)場對旋轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行動平衡校驗時，要通過頻譜分析方法、相位分析方法結(jié)合機(jī)械設(shè)備故障診斷的經(jīng)驗，判斷、識別振動故障的類別，采取對應(yīng)的措施消除設(shè)備隱患。

2.2 現(xiàn)場動平衡儀在旋轉(zhuǎn)設(shè)備上的應(yīng)用

對因動不平衡引起旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動異常時，頻譜及相位變化的特征要點(diǎn)如下：不平衡主要引起基頻振動，振動幅值隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，并在通過臨界轉(zhuǎn)速時有峰值出現(xiàn)；不平衡量增大，則引起水平、垂直等徑向振幅同時增大，而軸向振幅變化不大；不平衡引起的基頻振動分量與轉(zhuǎn)軸相位之間的角度（基頻分量的相位）保持不變，水平方向與垂直方向振動相位相差約90。

在故障診斷中，只有熟悉和了解設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理、工作特性、使用和維修情況、掌握必備的理論知識、積累現(xiàn)場診斷的經(jīng)驗技能，才能夠快速判定處理設(shè)備故障問題，解決設(shè)備故障制約生產(chǎn)的矛盾。

使用在線動平衡儀對旋轉(zhuǎn)設(shè)備校驗之前，還需要根據(jù)旋轉(zhuǎn)設(shè)備現(xiàn)場工況條件，準(zhǔn)備動平衡所需的物料、選出此次動平衡校驗的測量基點(diǎn)、合理的校正平面和動平衡校驗時的轉(zhuǎn)速等各項工作。準(zhǔn)備合適，才能保證動平衡校驗工作省時、省力、高效地完成。

3 現(xiàn)場動平衡的應(yīng)用

3.1 振動測試及故障診斷

現(xiàn)場動平衡校驗的方法是在旋轉(zhuǎn)設(shè)備支承位置上用磁電式速度傳感器測量振動，光電信號鍵相傳感器測量相位基準(zhǔn)和轉(zhuǎn)速。設(shè)備按設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)后，可將振動狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量信號，再經(jīng)過在線動平衡儀測量系統(tǒng)計算、分析，得出校正平面上不平衡量的大小和相位角度，最終得出測量校驗結(jié)果。

長鋼軋鋼廠高速線材設(shè)備為國產(chǎn)仿摩根五代改進(jìn)設(shè)備，2012 年建成投產(chǎn)運(yùn)行，設(shè)計運(yùn)行速度為95 m/s，實(shí)際穩(wěn)定總軋速度為81 m/s，主要產(chǎn)品品種為5.5～14 mm 全系列精品線材和中碳鋼（30#～60#系列、SWRH42ACB 系列）、高碳預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼 絞 線（SWRH77BG、SWRH82B 特 等 系 列）、冷 墩 鋼（SWRCH22A）、爆破線（BP05）合金焊線等線材產(chǎn)品。該生產(chǎn)線重要成圈設(shè)備吐絲機(jī)裝配為哈爾濱哈飛工業(yè)有限責(zé)任公司制造的國產(chǎn)仿摩根五代機(jī)型（圖1），投產(chǎn)后使用有7 年，在吐絲機(jī)的日常維護(hù)和維修中，吐絲管、吐絲盤、吐絲錐都屬于經(jīng)常更換的易損件，這些部件的更換都可能導(dǎo)致吐絲機(jī)整體不平衡現(xiàn)象發(fā)生。日常滿負(fù)荷生產(chǎn)狀態(tài)下，吐絲管、吐絲盤等部件的磨損、吐絲錐在冷熱反復(fù)變化的工況下出現(xiàn)變形和外表氧化掉皮等情況，可使吐絲機(jī)平衡系統(tǒng)逐漸被破壞，振動逐步增大，并還可能導(dǎo)致支撐軸承出現(xiàn)疲勞破壞。

圖1 長鋼軋鋼廠高線吐絲機(jī)現(xiàn)場

2019 年7 月28 日，將外修后的吐絲機(jī)上線使用后，吐絲機(jī)振動超出范圍，不能滿足工藝生產(chǎn)要求。吐絲機(jī)在轉(zhuǎn)速為1420 r/min時，在線動平衡儀測量通頻振動幅值為12.733 mm/s，超過廠家規(guī)定的預(yù)警值4.5 mm/s。1 倍頻率的振動峰值為17.356 mm/s，在頻譜圖中占主導(dǎo)地位，并且振動相位穩(wěn)定（圖2）。根據(jù)故障診斷經(jīng)驗，先檢查吐絲機(jī)連接部位及底座地腳螺絲無松動現(xiàn)象，再結(jié)合對頻譜圖的分析，判斷是吐絲機(jī)更換吐絲管或?qū)ν陆z盤面修理后，破壞了吐絲機(jī)整體的動平衡效果，導(dǎo)致其在運(yùn)行中振動幅值變大、振動異常，影響生產(chǎn)運(yùn)行。因此使用在線動平衡儀對吐絲機(jī)進(jìn)行動平衡校驗，排除吐絲機(jī)振動故障。

圖2 長鋼軋鋼廠高線吐絲機(jī)振動頻譜圖

3.2 現(xiàn)場動平衡實(shí)施

圖3 為吐絲機(jī)安裝示意圖。吐絲機(jī)結(jié)構(gòu)屬于懸臂轉(zhuǎn)子，有兩個可以校正的平面，即近端平面和遠(yuǎn)端平面（吐絲盤面）。查閱相關(guān)資料結(jié)合動平衡實(shí)際經(jīng)驗，在兩校正平面上單獨(dú)做動平衡校驗或在兩個平面內(nèi)同時做動平衡校驗，都可以減少吐絲機(jī)的不平衡量，減小因不平衡引起的振動過大的問題。為簡化動平衡流程，節(jié)約檢修時間，故對吐絲機(jī)吐絲盤單面實(shí)施動平衡校驗，采用磁電式速度傳感器測量大端軸承處水平方向徑向振動速度，光電信號鍵相傳感器所提供的鍵相脈沖信號作為振動相位的參考基準(zhǔn)。

傳動計算：查閱吐絲機(jī)裝配圖紙，得知吐絲機(jī)裝配輸入齒輪軸齒數(shù)為63 個，輸出齒輪軸齒數(shù)為41 個，增速比為1.537。電機(jī)轉(zhuǎn)速為920 r/min 時，吐絲機(jī)轉(zhuǎn)速為1420 r/min。

吐絲機(jī)的轉(zhuǎn)速為1420 r/min 時測量的初始振動峰值為10.443 mm/s 和振動相位為340（圖4）。

在去除配重的情況下，在線動平衡儀經(jīng)過幾次動平衡校驗后，通過數(shù)據(jù)分析計算出在配重相位128的位置增加5.5 g 配重（圖6）。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在130位置增加7 g 配重后，重新提高吐絲機(jī)轉(zhuǎn)速到1420 r/min，通頻振動幅值降至1.332 mm/s，低于4.5 mm/s 廠家設(shè)定的預(yù)警值，達(dá)到使用要求，不再繼續(xù)進(jìn)行動平衡校驗。

圖3 長鋼軋鋼廠高線吐絲機(jī)安裝示意

圖4 測量吐絲機(jī)初始振動峰值和相位

在線動平衡校驗后，高線吐絲機(jī)的振動頻1 倍頻的振動值分量明顯減小，且振動相位穩(wěn)定（圖7）。

吐絲機(jī)運(yùn)行幾年后，會因為各種因素導(dǎo)致吐絲機(jī)振動，經(jīng)過分析排除其他振動原因后，對吐絲機(jī)實(shí)施在線動平衡校驗，能夠消除設(shè)備振動異常，達(dá)到廠家預(yù)定值。若均采用返廠維修做動平衡校驗或邀請廠家上門做動平衡校驗，送修時間長、服務(wù)費(fèi)用高，影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

圖5 試重后測量吐絲機(jī)振動峰值和相位

圖6 增加配重后吐絲機(jī)振動峰值和相位

圖7 校驗后吐絲機(jī)振動頻譜圖

利用在線動平衡儀，實(shí)現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)設(shè)備不脫離現(xiàn)場進(jìn)行動平衡校驗這一科學(xué)的設(shè)備維修技術(shù)，能夠解決高線吐絲機(jī)振動異常問題。實(shí)踐表明，應(yīng)積極采用、推廣科學(xué)科學(xué)的維修技術(shù)和維修方式，加強(qiáng)設(shè)備的現(xiàn)代化管理力度，保證設(shè)備技術(shù)狀況達(dá)到最佳、壽命周期內(nèi)費(fèi)用降到最低。

4 長鋼公司應(yīng)用案例

長鋼公司煉鋼廠運(yùn)轉(zhuǎn)一次除塵風(fēng)機(jī)是除塵設(shè)備的重要設(shè)備。2019 年5 月維修人員點(diǎn)檢過程中發(fā)現(xiàn)1#除塵風(fēng)機(jī)振動異常，振動幅值為10.64 mm/s。根據(jù)以往經(jīng)驗，結(jié)合設(shè)備使用工況條件，分析可能是由葉輪結(jié)渣引起的不平衡故障，故使用高壓水槍沖洗轉(zhuǎn)子結(jié)渣污垢后，采用在線動平衡技術(shù)對除塵風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行動平衡校驗，在線動平衡校驗過程中，共加配重711 g，振動幅值降至0.003 mm/s（圖8），達(dá)到設(shè)備運(yùn)行要求，在線使用時間達(dá)1 個月。

動平衡技術(shù)還可以應(yīng)用在對焦化廠臥螺離心機(jī)、煉鐵廠TRT、熱風(fēng)爐風(fēng)機(jī)等設(shè)備上進(jìn)行動平衡校驗。

對在線旋轉(zhuǎn)設(shè)備診斷分析是由不平衡原因引起的設(shè)備故障，實(shí)現(xiàn)動平衡校驗排除故障，是一種既能減小人工勞動強(qiáng)度又能縮減檢修時間的好方法。

5 結(jié)論

設(shè)備出現(xiàn)振動故障以后，需要動平衡儀測量轉(zhuǎn)子的振動參數(shù)，通過頻譜分析、相位分析確認(rèn)引起轉(zhuǎn)子振動故障的原因，判定由不平衡因素引起的振動時，采取現(xiàn)場動平衡校驗可以達(dá)到比較滿意的效果。如果不經(jīng)過判斷轉(zhuǎn)子故障的類別而盲目地使用動平衡儀對事故轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡校驗，不僅達(dá)不到預(yù)期效果，而且還有可能導(dǎo)致檢修時間的延遲、影響生產(chǎn)運(yùn)行。

總之，現(xiàn)場動平衡技術(shù)在設(shè)備檢修中的應(yīng)用很有成效，如煉鋼廠除塵風(fēng)機(jī)、高線吐絲機(jī)、煉鐵TRT 等關(guān)鍵設(shè)備，葉輪的承載面極易磨損及粘灰結(jié)垢，造成失衡現(xiàn)象。清除結(jié)渣污垢后，利用在線動平衡技術(shù)分析校驗，設(shè)備仍然可以長時間地正常運(yùn)行。

圖8 煉鋼廠一次除塵風(fēng)機(jī)動平衡實(shí)例