尼龍冷卻風(fēng)機異常振動的原因及改進措施分析

呂杰明

（山東華魯恒升化工股份有限公司，山東 德州 253000）

風(fēng)機廣泛應(yīng)用于天然氣、石油、化工、冶金等能源和工業(yè)領(lǐng)域，是這些領(lǐng)域的核心設(shè)備之一，其運行狀態(tài)不僅影響經(jīng)濟效益，也涉及人身安全。尤其在化工中的尼龍行業(yè)，國外進口風(fēng)機占據(jù)大多數(shù)。某廠在2020年全年某進口冷卻風(fēng)機多次出現(xiàn)無規(guī)則波動，一度逼近停車值，但往往加注潤滑脂后振值有所下降，這種異?，F(xiàn)象對尼龍的冷卻不夠穩(wěn)定，對尼龍的安全生產(chǎn)危害很大。為此，在大修工作中提前聯(lián)系廠家，采取了有效的手段，避免了事故的擴大化。

1 風(fēng)機簡介

該風(fēng)機是某廠尼龍裝置中，國外進口用于輸送冷卻料倉的氮氣循環(huán)風(fēng)機。其壓差為10.2kPa，入口溫度為95℃，總重量為1.32T，進口介質(zhì)為氮氣，風(fēng)機的軸功率為40.5kW，流量為3.309m3/s，一級壓縮，懸臂式風(fēng)機，由2950r/min的電機變頻驅(qū)動。該風(fēng)機有2個軸承，均為深溝球軸承，用于承擔徑向力。

2 風(fēng)機事故現(xiàn)象

該風(fēng)機在過去長達一年時間內(nèi)，多次出現(xiàn)震動異常。如圖1中第二條線，波動并不規(guī)律，有時三天一波動，有時半個月一波動，最高振值為4.9mm/s，該風(fēng)機高爆值就是4.5mm/s，日常波動接近高爆值。但每次風(fēng)機一出現(xiàn)波動，如果往軸承油嘴注射潤滑脂，效果往往有好轉(zhuǎn)，隨即下降。該風(fēng)機日常測溫，前后2個軸承溫度均正常在53℃左右。圖1中第一條線代表電流，可見電流與振動并無直接關(guān)系。頻率一直維持在53Hz，振值和頻率也無太大關(guān)系。為防止由于振動導(dǎo)致的跳車，這次借系統(tǒng)停車機會，聯(lián)系廠家，準備拆檢風(fēng)機，徹底消除這一隱患。

圖1

3 風(fēng)機事故原因分析

3.1 葉輪結(jié)垢造成動不平衡故障

首先拆掉進口膨脹節(jié)和葉輪前蓋，發(fā)現(xiàn)葉輪底部排液口內(nèi)白色粉末較多，應(yīng)該是在氣體輸送過程中介質(zhì)不夠干凈，有某些低聚物的匯集。仔細查看葉輪，在閉式葉輪上未發(fā)現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，可以排除是葉輪結(jié)垢導(dǎo)致的動不平衡現(xiàn)象。

3.2 聯(lián)軸器松動導(dǎo)致質(zhì)量偏心進而動不平衡故障

拆檢中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機聯(lián)軸器所用的形式是LLA型輪胎式聯(lián)軸器，其聯(lián)軸器是開口的，且開口較大，約2cm的開口，而正常裝配的輪胎式聯(lián)軸器開口處應(yīng)緊緊聯(lián)在一起，懷疑聯(lián)軸器上緊固的螺栓也未完全拔緊，試緊固，發(fā)現(xiàn)所有螺栓均松動。取下聯(lián)軸器后，發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器上橡膠有裂紋，如圖2?？梢哉J為是聯(lián)軸器松動導(dǎo)致質(zhì)量有所偏心進而動不平衡故障或聯(lián)軸器出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致對中差進而不對中故障。

圖2 輪胎式聯(lián)軸器橡膠裂紋圖

3.3 軸承損壞導(dǎo)致的振動高故障

取下驅(qū)動端、非驅(qū)動端軸承時，發(fā)現(xiàn)軸承室內(nèi)部潤滑脂較多，且靠近非驅(qū)動端的軸承潤滑脂有大面積發(fā)黑現(xiàn)象，正常來說，前后軸承應(yīng)全部是黃色，出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象證明是高溫下導(dǎo)致的潤滑脂變質(zhì)，潤滑脂中出現(xiàn)積碳。從圖3中看靠近軸承的軸承壓蓋處黃油對比可得出非驅(qū)動端軸承存在高溫摩擦現(xiàn)象。軸承室和軸承之間采用的是間隙配合，可輕易從軸承室內(nèi)取下軸及軸承。取下后，發(fā)現(xiàn)非驅(qū)動段軸承外軌有摩擦劃痕，軸承室內(nèi)部和軸承接觸部分有明顯摩擦粗糙感如圖4。然后從軸上拆卸非驅(qū)動端軸承和驅(qū)動端軸承時，用了氣焊加熱，再用銅棒敲打軸承再下落的辦法，拆卸下來的軸承內(nèi)軌和滾珠普遍有高溫變色的痕跡，無法判斷是由于氣焊加熱還是軸承在正常滾動中造成的痕跡。但非驅(qū)動端軸承外軌損壞應(yīng)該是導(dǎo)致的振動高的直接原因。

圖3 前后軸承壓蓋黃油對比圖

圖4 軸承室內(nèi)部與外軌接觸面存在劃痕

經(jīng)以上信息判斷，可能是聯(lián)軸器松動導(dǎo)致的不平衡或不對中造成軸的跳動，軸和軸承一起跳動，導(dǎo)致非驅(qū)動端軸承與軸承室內(nèi)壁摩擦現(xiàn)象。之所以每次出現(xiàn)異常，加注工業(yè)黃油管用，主要是因為填充的黃油卡在了軸承外軌和軸承室內(nèi)壁之間，增加了阻抗，降低了振動。軸承監(jiān)測溫度未有異常，也有可能是黃油太多，熱量未完全傳遞到測溫元件上。

4 風(fēng)機試車后異常狀況

準備回裝，將前后2個軸承及聯(lián)軸器全部更換后，試車，測量非驅(qū)動端的軸承振動發(fā)現(xiàn)，當電機頻率為49Hz時，振動速度為1.2mm/s左右，但是，當頻率增大到50Hz時，振動速度陡然變?yōu)?.27mm/s左右，當頻率再增大到51Hz時，振動速度就下降為2.9mm/s。當頻率再增大到53Hz時，振動速度就下降為2.5mm/s。多次嘗試調(diào)整轉(zhuǎn)速，均出現(xiàn)此特征，就是50Hz是個臨界轉(zhuǎn)速的頻率，低于50Hz或高于50Hz振動都減少。查看其頻譜圖，發(fā)現(xiàn)一倍頻額外高，且主要是一倍頻。此風(fēng)機使用的是撓性軸，撓性軸的工作轉(zhuǎn)速應(yīng)在第一臨界轉(zhuǎn)速的1.3倍以上，再仔細查看銘牌上風(fēng)機轉(zhuǎn)速，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機額定轉(zhuǎn)速為3530r/min中，而工藝人員為滿足生產(chǎn)需求，日常開車中未將轉(zhuǎn)速提到3530r/min上，常用的頻率是53Hz，也就是3180r/min，3180r/min和3000r/min較為接近，且振值較高。結(jié)合一倍頻高和振動隨轉(zhuǎn)速敏感的信息，懷疑是動不平衡的因素較多，準備進行在線動平衡。

5 動平衡理論及試驗

5.1 現(xiàn)場動平衡理論及方法

旋轉(zhuǎn)中質(zhì)量不平衡的轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)中會產(chǎn)生不平衡力。會隨著轉(zhuǎn)速的升高，不平衡力會越來越大，并通過振動的形式表現(xiàn)出來，嚴重的會造成圖4中軸承損壞的后果。質(zhì)量不平衡的轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的不平衡量疊加起來可視作在一個點上的矢量。而現(xiàn)場動平衡要做的就是通過配重或減重的方法重新讓這個點上的矢量平衡起來。

現(xiàn)場動平衡常用的方法有三元法現(xiàn)場動平衡和矢量法現(xiàn)場動平衡。三元現(xiàn)場法較為復(fù)雜，需要啟停多次，在圓周方向上均分3處，在每處分別加等量配重并計算配重對振幅的影響，然后根據(jù)振幅的變化算出理論上位置的輕點，在輕點位置施加配重來平衡轉(zhuǎn)子。但三元法只適合剛性轉(zhuǎn)子的單面動平衡，即單盤和中低速轉(zhuǎn)子，不適合精密儀器尋找動平衡。三元法若是碰上對加上配重振動不明顯的轉(zhuǎn)子，那么，這種平衡精度較低，導(dǎo)致失敗的案例也有很多。而矢量法相對來說較為簡單，適合精密儀器，可以通過一次配重計算出理論重點，可以在短時間內(nèi)提高動平衡的效率。

5.2 現(xiàn)場動平衡試驗

廠家采用的是矢量圖平衡法來處理轉(zhuǎn)子不平衡故障。廠家通過在軸承上裝傳感器，把采集的信號進行處理，確定轉(zhuǎn)子校正面上的振值和相位，通過現(xiàn)場動平衡儀增加重量消除不平衡量。具體操作手法是：（1）啟動風(fēng)機，在50HZ時，測量原始速度矢量A，OA為3.27mm/s，角度為50°，并將OA畫在極坐標上。（2）根據(jù)動平衡儀嘗試安裝試加重質(zhì)量13.2g，角度為α（葉輪上作動平衡提前打孔裝配重的只有每隔90°有一個孔，共4個孔），并畫出試加后的速度矢量B，OB為4.44mm/s，角度為94°，并將OB畫在極坐標上。（3）得出矢量AB為試加質(zhì)量所引起的振動。（4）采用去除原試加件，另加新件重量的方法。根據(jù)振動速度與不平衡量成正比，得出應(yīng)該要校正的質(zhì)量為（OA/AB）×13.2g=14.1g，角度應(yīng)為α+∠OAB等于OA的反方向。（5）但廠家考慮到在OA的反方向重新配重需要鉆眼攻絲，因為葉輪上作動平衡提前打孔裝配重的只有每隔90°只有一個孔，所以決定不完全消除平衡量，只消除大部分平衡量的辦法來改進。所以要校正的質(zhì)量為DA線，也就是OA的反方向在α+90°線上作投影線，質(zhì)量為13.6g，要校正的方向也是在α+90°的葉輪上，具體如圖6。

圖5 風(fēng)機平衡矢量圖圖

圖6 風(fēng)機部分平衡矢量圖

風(fēng)機經(jīng)過在線動平衡，測振發(fā)現(xiàn)驅(qū)動端軸承和非驅(qū)動端軸承在50HZ時，振動速度均明顯下降，分別為1.5mm/s、1.3mm/s。驅(qū)動端軸承和非驅(qū)動端軸承在53Hz時，振動速度分別為1.33mm/s、1.1mm/s，符合JBT8689中有關(guān)速度有效值的規(guī)定，可以認為這種能夠平衡大部分矢量的方法是可取的。從本文得出風(fēng)機動不平衡的可能的幾個特征：一是頻譜圖以一倍頻為主，且隨轉(zhuǎn)速變化明顯；二是聯(lián)軸器明顯質(zhì)量偏心；三是非驅(qū)動端軸承率先損壞，有可能是外軌與軸承室發(fā)生摩擦。

6 結(jié)語

本文對尼龍項目某國外進口風(fēng)機事故仔細分析原因，排除了葉輪結(jié)垢的可能性，懷疑是聯(lián)軸器松動導(dǎo)致的不平衡或不對中造成軸和軸承一起跳動，再導(dǎo)致非驅(qū)動端軸承與軸承室內(nèi)壁摩擦現(xiàn)象。又經(jīng)過試車，最終判斷為動不平衡的原因?qū)е嘛L(fēng)機振動大，并協(xié)同廠家一并用矢量圖平衡法進行動平衡試驗，在短時間內(nèi)就完成了動平衡試驗，取得了明顯效果。在用矢量圖平衡法進行計算時，廠家并未嚴格完全消除不平衡量，這種做法只能作為借鑒，不能作為指導(dǎo)工作。好在最后測振得出的結(jié)論是合格。工藝人員在不了解設(shè)備基本情況時，盲目降低轉(zhuǎn)速維持生產(chǎn)是不可行的，風(fēng)機設(shè)備的基本參數(shù)都是有其設(shè)計依據(jù)的，因此必須在實踐中認真摸索并進行改進。希望本文對風(fēng)機管理工作者有啟發(fā)作用。