雙級(jí)動(dòng)葉引風(fēng)機(jī)軸頸松動(dòng)引發(fā)兩倍頻振動(dòng)分析探討

無錫利信能源科技有限公司 張志亮

1 故障現(xiàn)象

江蘇利港電力有限公司#5鍋爐吸、增風(fēng)機(jī)二合一改造后配備了兩臺(tái)上海鼓風(fēng)機(jī)廠SAF 型電站雙級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機(jī)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速747r/min。為防止風(fēng)機(jī)機(jī)殼的振動(dòng)和噪聲傳遞至進(jìn)氣箱和擴(kuò)壓器乃至管道，進(jìn)氣箱和擴(kuò)壓器通過撓性聯(lián)接（圍帶）同風(fēng)機(jī)機(jī)殼相連接。該風(fēng)機(jī)安裝后振動(dòng)一直偏大，后返廠修理發(fā)現(xiàn)動(dòng)葉裝配混亂，遂重新對(duì)葉片進(jìn)行了調(diào)整及對(duì)葉輪進(jìn)行了動(dòng)平衡，后運(yùn)行振動(dòng)情況較穩(wěn)定。

2020年9月17日，#5爐引風(fēng)機(jī)A 在運(yùn)行過程中振動(dòng)逐漸增大并呈擴(kuò)大趨勢(shì)，離線的振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示軸承箱振幅45μm 至90μm，振速2.9mm/s 至7.0mm/s，并隨運(yùn)行時(shí)間有明顯增大趨勢(shì)，頻譜分析主要為兩倍頻。9月21日風(fēng)機(jī)單側(cè)運(yùn)行，停運(yùn)引風(fēng)機(jī)A 進(jìn)行簡(jiǎn)單宏觀檢查未發(fā)現(xiàn)明顯異常。9月22日再次啟動(dòng)后，通過切換該風(fēng)機(jī)自動(dòng)為手動(dòng)發(fā)現(xiàn)動(dòng)葉不調(diào)整的情況下該風(fēng)機(jī)的振動(dòng)穩(wěn)定，說明振動(dòng)隨葉片開度調(diào)節(jié)相關(guān)性很大。檢查歷史趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)該風(fēng)機(jī)在8月機(jī)組小修啟動(dòng)后振動(dòng)變化趨勢(shì)已與動(dòng)葉調(diào)節(jié)相關(guān)性較大，振動(dòng)亦有上升的發(fā)展趨勢(shì)，至9月17日振動(dòng)突然就開始呈現(xiàn)不斷擴(kuò)大趨勢(shì)。9月23日起已將負(fù)荷響應(yīng)速率由13MW/min 降到了2MW/min，隨著風(fēng)機(jī)開度變化放緩振動(dòng)變化也有所緩解。9月27日對(duì)風(fēng)機(jī)各支撐件及風(fēng)機(jī)外殼振動(dòng)測(cè)量匯總?cè)绫?。

表1 風(fēng)機(jī)各支撐件及風(fēng)機(jī)外殼振動(dòng)測(cè)量匯總表

圖1 風(fēng)機(jī)振動(dòng)正常及異常頻譜圖

8月18日狀態(tài)監(jiān)測(cè)的風(fēng)機(jī)正常頻譜圖見圖1a)，9月30振動(dòng)異常后的頻譜見圖1b)。10月1日機(jī)組調(diào)停后對(duì)該風(fēng)機(jī)進(jìn)行了解體檢查，發(fā)現(xiàn)了二級(jí)葉輪推力盤加固用的四個(gè)固定導(dǎo)桿中有一根斷裂，其它三根均有不同程度的松動(dòng)現(xiàn)象，該推力盤固定導(dǎo)桿是后期為防止推力盤異常轉(zhuǎn)動(dòng)而加裝的，當(dāng)時(shí)分析這可能是致使振動(dòng)異常的主要原因，后重新做了四個(gè)導(dǎo)桿并焊接加固處理，同時(shí)對(duì)軸承箱進(jìn)行了解體檢查并更換了主軸軸承。

10月5日機(jī)組啟動(dòng)后發(fā)現(xiàn)振動(dòng)呈逐漸增大趨勢(shì)且依舊與動(dòng)葉調(diào)整相關(guān)，證明問題還沒有徹底解決，10月12日進(jìn)行單側(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，停運(yùn)該引風(fēng)機(jī)再次解體檢查處理，發(fā)現(xiàn)二級(jí)葉輪與主軸的并冒螺栓有兩三毫米的轉(zhuǎn)動(dòng)痕跡，繼續(xù)解體葉輪發(fā)現(xiàn)主軸軸徑與葉輪配合間隙存在松動(dòng)現(xiàn)象，而之前發(fā)現(xiàn)的推力盤導(dǎo)桿斷裂也有了作用力的解釋，隨即進(jìn)行了修復(fù)處理。10月16日風(fēng)機(jī)復(fù)位后振動(dòng)頻譜如圖2所示，兩倍頻幾乎消失，振動(dòng)也不再隨動(dòng)調(diào)開度變化而改變，但多倍頻的出現(xiàn)及較大的工頻說明風(fēng)機(jī)又存在著動(dòng)平衡、機(jī)械松動(dòng)等異常，這些還需要后期進(jìn)一步處理。

2 原因分析

由于風(fēng)機(jī)的軸承座是在煙道中布置，反映風(fēng)機(jī)的在線振動(dòng)測(cè)點(diǎn)也分別布置在軸承座兩側(cè)水平和垂直方向上，離線的狀態(tài)監(jiān)測(cè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)只布置了一個(gè)在第一級(jí)葉輪側(cè)的軸承座水平方向上。通過進(jìn)氣箱、擴(kuò)壓器及風(fēng)機(jī)機(jī)殼振動(dòng)測(cè)試結(jié)果(表1)及頻譜分析，并參考相關(guān)論文排除如下異常原因：現(xiàn)場(chǎng)沒有異常氣流“吼聲”，振動(dòng)主要發(fā)生在風(fēng)機(jī)機(jī)殼處，可排除氣流脈動(dòng)、喘振因素；一些文獻(xiàn)資料反映大容量軸流的外形尺寸較大而支撐材料往往比較薄弱，橫向剛度較差，易引起較大的橫向振動(dòng)，本風(fēng)機(jī)機(jī)殼的水平振動(dòng)比垂直方向要大些，不排除風(fēng)機(jī)的橫向剛度弱的現(xiàn)象，但如沒有其它激振源的情況下振動(dòng)往往以工頻為主；風(fēng)機(jī)支撐處的振動(dòng)均較小，可排除基礎(chǔ)松動(dòng)現(xiàn)象及因松動(dòng)而造成的局部共振等的影響[1-2]；異常振動(dòng)的頻譜分析也沒有發(fā)現(xiàn)高倍頻或軸承故障頻率，也可排除軸承故障的影響[3-4]。

該風(fēng)機(jī)的振動(dòng)變化主要發(fā)生在動(dòng)葉調(diào)節(jié)過程中，特別是動(dòng)葉不斷開大則振動(dòng)就會(huì)呈發(fā)散型增大。風(fēng)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)波動(dòng)正比風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度變化，可以判斷激振源就與動(dòng)葉相關(guān)，“激勵(lì)”的源頭可能是動(dòng)葉開度存在不一致現(xiàn)象，也可能存在其它轉(zhuǎn)子部件松動(dòng)而引起動(dòng)葉做功異常變化的因素。10月1日解體檢查發(fā)現(xiàn)的推力盤固定導(dǎo)桿斷裂問題雖然也可以解釋以上振動(dòng)變化現(xiàn)象，但導(dǎo)致其斷裂和松動(dòng)的原因還是10月12日再次解體發(fā)現(xiàn)的二級(jí)葉輪主軸軸徑與葉輪配合間隙存在松動(dòng)造成。

該引風(fēng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速為747r/min，單級(jí)葉輪的葉片為22片，正常的葉片通過頻率為747×22=16434rpm。最近一次8月18日狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的振動(dòng)頻譜（圖1a），通頻振幅11μm，振速0.7mm/s，一二三四倍頻均有些。9月17日異常產(chǎn)生后其振動(dòng)頻譜分析主要為兩倍頻異常增大。葉片通過頻率也可在頻譜圖上發(fā)現(xiàn)，但與工頻及其它頻率一樣，與兩倍頻相比在頻譜圖中所占份額極少見（圖1b）。

動(dòng)調(diào)風(fēng)機(jī)的的轉(zhuǎn)子上活動(dòng)部件較多，結(jié)構(gòu)布置比較復(fù)雜，安裝要求也較嚴(yán)格，些許松動(dòng)、卡澀就會(huì)引起較大的振動(dòng)。實(shí)際振動(dòng)的產(chǎn)生往往都是各種因素綜合引起，這需從振動(dòng)的原理結(jié)合設(shè)備的實(shí)際結(jié)構(gòu)布置及檢修檢查到的異常去尋找答案。本風(fēng)機(jī)振動(dòng)頻譜分析異常頻率主要為兩倍頻，而激發(fā)出大幅值的兩倍頻的振動(dòng)主要原因是軸系對(duì)中的異常變化引起，包括軸承不對(duì)中和聯(lián)軸器不對(duì)中；另外就是結(jié)構(gòu)特征振動(dòng)或開列的結(jié)構(gòu)或軸承座產(chǎn)生的松動(dòng)等。

2.1 軸承不對(duì)中

主要原因是軸承歪裝在軸上或其它原因引起軸承歪斜在軸上，一些事例表明這樣的狀態(tài)將產(chǎn)生明顯的軸向振動(dòng)，但通過對(duì)風(fēng)機(jī)各支撐件及風(fēng)機(jī)外殼振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)分析，軸向振動(dòng)并不明顯，通過對(duì)軸承箱解體檢查也未發(fā)現(xiàn)軸承歪裝。

2.2 聯(lián)軸器不對(duì)中

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子是通過風(fēng)機(jī)側(cè)的半聯(lián)軸器、電機(jī)側(cè)的半聯(lián)軸器和中間軸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，中間軸長(zhǎng)達(dá)近5米，且本風(fēng)機(jī)采用的是有彈性膜片連接的剛撓性聯(lián)軸器傳遞扭距，其本身就具有誤差補(bǔ)償、吸振等特點(diǎn)，該聯(lián)軸器使各跨轉(zhuǎn)子相對(duì)獨(dú)立，消減彼此間的相互影響[5]，也就是說靜態(tài)對(duì)中即使有點(diǎn)出入，但因彈性膜片聯(lián)軸器接納不對(duì)中的能力較大，兩段軸之間影響較小。盡管如此，本次風(fēng)機(jī)異常振動(dòng)發(fā)生后每次揭蓋檢查均校正對(duì)中情況，對(duì)中數(shù)據(jù)都在合格范圍之內(nèi)，外觀檢查聯(lián)軸器彈性膜片無異常破損，基本排除靜態(tài)對(duì)中不良的影響。

圖2 10月16日風(fēng)機(jī)復(fù)位后振動(dòng)頻譜

2.3 結(jié)構(gòu)特征振動(dòng)或開列的結(jié)構(gòu)或軸承座產(chǎn)生的松動(dòng)

2.3.1 結(jié)構(gòu)特征振動(dòng)產(chǎn)生探討—兩倍頻產(chǎn)生的原因簡(jiǎn)析

該風(fēng)機(jī)的主軸和滾動(dòng)軸承同置于一鑄鐵箱體-軸承箱內(nèi)，此箱體同心地安裝在風(fēng)機(jī)下半機(jī)殼中并用螺栓固定。在主軸的兩端各裝一個(gè)滾柱軸承用以承受徑向力，為了承受軸向力，在近聯(lián)軸器端裝有一個(gè)向心推力球軸承以承受逆氣流方向的軸向力。風(fēng)機(jī)扭矩通過剛撓性聯(lián)軸器連接一根長(zhǎng)軸傳遞，軸系支撐結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 引風(fēng)機(jī)軸系支撐結(jié)構(gòu)示意圖

如上的軸承支撐結(jié)構(gòu)，支撐點(diǎn)2承受了全部的軸向推力，且支點(diǎn)2和支點(diǎn)3的軸承外圈是通過壓緊彈簧相靠，有一定擺動(dòng)間隙，這樣的支撐系統(tǒng)當(dāng)受到外來干擾因素易激發(fā)以推力軸承支點(diǎn)2處為支點(diǎn)的擺動(dòng)振動(dòng)。由于葉輪上的每個(gè)葉片因?yàn)槿~型、角度等差異而所受逆氣流方向的反作用力不同或本身煙氣流場(chǎng)不均等使得葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一定的振動(dòng)，二級(jí)葉輪軸頸的松動(dòng)擴(kuò)大了這樣的振動(dòng)，同時(shí)軸頸的松動(dòng)也也會(huì)改變?nèi)~輪的回轉(zhuǎn)中心，破壞轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡狀態(tài)，如上布置的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)情況就以支點(diǎn)2處產(chǎn)生了左右擺動(dòng)的力偶不平衡現(xiàn)象，又因?yàn)橐患?jí)葉輪側(cè)通過剛撓性聯(lián)軸器連接了較重的傳遞紐距的長(zhǎng)軸，剛撓性聯(lián)軸器本身就具有誤差補(bǔ)償、吸振等特點(diǎn)，風(fēng)機(jī)側(cè)的振動(dòng)擬通過聯(lián)軸器傳遞到連接長(zhǎng)軸上，但被彈性膜片的彈性變形補(bǔ)償了所聯(lián)兩軸的相對(duì)位移，致使聯(lián)軸器以彈性膜片為紐帶，兩側(cè)的剛性聯(lián)軸器產(chǎn)生相對(duì)位置的變化[6]，致使在以上支撐結(jié)構(gòu)下產(chǎn)生類似對(duì)中不良現(xiàn)象的發(fā)生，理論上其支承點(diǎn)1、3處水平振動(dòng)的相位是相差180度，圖4描述了水平不對(duì)中產(chǎn)生兩倍頻的現(xiàn)象。當(dāng)處理好葉輪軸徑松動(dòng)的問題后，其產(chǎn)生的激振源消失，風(fēng)機(jī)運(yùn)行后頻譜顯示兩倍頻也幾乎消失。

圖4 平行不對(duì)中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)頻率兩倍頻的徑向振動(dòng)

2.3.2 開列的結(jié)構(gòu)或軸承座的松動(dòng)或其它因素造成軸承箱支撐變形

開列的結(jié)構(gòu)或軸承座的松動(dòng)或其它因素造成軸承箱支撐變形后引起軸系的對(duì)中不良，從而產(chǎn)生了兩倍頻的振動(dòng)。本風(fēng)機(jī)在異常發(fā)生后檢修過程中著重檢查了諸如結(jié)構(gòu)裂紋或軸承座裂紋、軸承座固定螺栓有無松動(dòng)等，均未發(fā)現(xiàn)異常。從平常運(yùn)行及修后振動(dòng)情況分析，也基本排除其它因素造成支撐變形。

3 結(jié)語(yǔ)

大功率雙級(jí)動(dòng)調(diào)吸風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)尺寸大、橫向剛性較差，較易引起風(fēng)機(jī)的橫向振動(dòng)，又因其風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉輪上活動(dòng)部件較多，安裝要求也較嚴(yán)格，些許松動(dòng)、卡澀就會(huì)引起較大的振動(dòng)。本風(fēng)機(jī)從振動(dòng)現(xiàn)象到兩次解體檢修過程說明振處理振動(dòng)的復(fù)雜性，軸頸松動(dòng)現(xiàn)象可說是設(shè)備經(jīng)常發(fā)生的異常現(xiàn)象之一，但兩倍頻的出現(xiàn)就需詳細(xì)了解設(shè)備結(jié)構(gòu)布置、解體檢查情況，再結(jié)合設(shè)備的支撐和剛撓性聯(lián)軸器傳動(dòng)特點(diǎn)等分析特征頻譜產(chǎn)生的主要原因。本文希望對(duì)類似風(fēng)機(jī)的異常振動(dòng)處理提供參考。