頻譜分析技術(shù)在風(fēng)機(jī)故障快速診斷中的應(yīng)用

馬強

（上海沃克通用設(shè)備有限公司，上海 201414）

隨著垃圾焚燒發(fā)電及配套RTO、RCO等環(huán)保設(shè)備的不斷發(fā)展，煙氣引風(fēng)機(jī)已成為廢氣處理系統(tǒng)的重要組成部分。然而，在實際運行中，由于各種原因，風(fēng)機(jī)可能會出現(xiàn)故障，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)性能下降、甚至無法正常工作。因此，快速準(zhǔn)確地診斷風(fēng)機(jī)故障至關(guān)重要，對于保障工業(yè)生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。其中，頻譜分析技術(shù)在風(fēng)機(jī)故障診斷中發(fā)揮了重要作用。本文將介紹頻譜分析技術(shù)在風(fēng)機(jī)故障快速診斷中的應(yīng)用。

1 背景介紹

煙氣引風(fēng)機(jī)在廢氣處理系統(tǒng)中扮演著重要角色，但由于各種原因可能出現(xiàn)故障，導(dǎo)致性能下降或無法正常工作。快速準(zhǔn)確地診斷故障對于保障工業(yè)生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。頻譜分析技術(shù)在風(fēng)機(jī)故障診斷中發(fā)揮了重要作用，本文將介紹其應(yīng)用。

2 風(fēng)機(jī)故障原因及常見類型

2.1 風(fēng)機(jī)故障的原因

風(fēng)機(jī)故障的原因較為復(fù)雜，主要包括以下幾個方面。

（1）設(shè)計缺陷：風(fēng)機(jī)的設(shè)計不合理或者制造過程中存在缺陷；（2）組裝缺陷：組裝過程中未達(dá)到關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)而導(dǎo)致的缺陷；（3）運行條件：風(fēng)機(jī)在運行過程中受到環(huán)境、工作負(fù)載等因素影響；（4）維護(hù)保養(yǎng)：風(fēng)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)，導(dǎo)致部件磨損、老化等問題。

2.2 常見的風(fēng)機(jī)故障類型

（1）動平衡失效：主要表現(xiàn)為風(fēng)機(jī)振動增大、規(guī)律性異響等；（2）軸承故障：主要表現(xiàn)為軸承磨損、裂紋、脫落等；（3）葉輪故障：主要表現(xiàn)為葉片變形、脫落、磨損、涂層剝離、焊道開裂、碰擦等；（4）聯(lián)軸器故障：主要表現(xiàn)為振動大、聯(lián)軸器高溫等；（5）緊固件松動：主要表現(xiàn)為地腳螺栓松動、局部震顫、整機(jī)振動等。

3 頻譜分析技術(shù)介紹

頻譜分析技術(shù)是一種研究信號頻率特征的方法，可以用于機(jī)械故障診斷、信號處理和噪聲控制等領(lǐng)域。在機(jī)械故障診斷中，它可以檢測異常振動信號并判斷機(jī)器是否存在故障，而在其他領(lǐng)域中，它還可以用于濾波、降噪、壓縮和噪聲控制等方面。

4 風(fēng)機(jī)故障快速診斷流程

（1）數(shù)據(jù)采集：通過傳感器等設(shè)備采集風(fēng)機(jī)運行過程中的振動、聲音、溫度等數(shù)據(jù)；（2）信號處理：對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、去噪等預(yù)處理操作，以提高信號質(zhì)量；（3）特征提取：從所處理的信號中提取有用的特征參數(shù)，如頻率、振幅、相位等；（4）故障診斷：根據(jù)特征參數(shù)判斷風(fēng)機(jī)是否存在故障，并判斷故障類型；（5）結(jié)果分析：對故障診斷結(jié)果進(jìn)行分析和解釋，確定故障原因；（6）維護(hù)措施：根據(jù)故障原因制定相應(yīng)的維護(hù)措施，及時修復(fù)故障。

5 頻譜分析技術(shù)的優(yōu)缺點

5.1 優(yōu)點

（1）頻譜分析可以將信號從時域轉(zhuǎn)換到頻域，更有效地展示信號的頻率成分和能量分布情況。（2）頻譜分析可以檢測出信號中存在的額外頻率成分，幫助判斷信號所代表的物理過程是否發(fā)生異?；蚬收?。（3）頻譜分析可以對復(fù)雜信號進(jìn)行分解和重構(gòu)，提取出關(guān)鍵的頻率信息，例如，通過小波變換等方法可以實現(xiàn)對非平穩(wěn)信號的頻域分析。（4）頻譜分析具有較高的計算效率，可以在短時間內(nèi)對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

5.2 缺點

（1）頻譜分析只能展示信號的頻率信息，而無法提供時域信息，因此在某些情況下無法完整地表示信號的特性。（2）頻譜分析需要對信號進(jìn)行離散化處理，這可能會引入離散化誤差，影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。（3）頻譜分析依賴采樣率和窗口長度等參數(shù)的選擇，不同參數(shù)的選擇可能會對分析結(jié)果產(chǎn)生影響，需要進(jìn)行合理的參數(shù)選擇和優(yōu)化。（4）頻譜分析無法處理非線性系統(tǒng)和非線性信號，在這種情況下，可能需要采用其他的信號處理方法。

6 案例分析

6.1 設(shè)備簡介

某廠使用空氣增壓風(fēng)機(jī)，為輔助鍋爐提供動力，要求系統(tǒng)必須安全、穩(wěn)定地運行，這對整個系統(tǒng)至關(guān)重要。該裝置由兩個獨立的風(fēng)機(jī)和兩個驅(qū)動電機(jī)組成。它的運行將直接影響一些設(shè)施的運行狀態(tài)。

6.2 基本參數(shù)

軸功率：388kW。

吸入壓力：常壓。

排出壓力：5800Pa。

排出溫度：20～45℃。

風(fēng)機(jī)風(fēng)量：87000m2/h。

圖1

6.3 結(jié)構(gòu)簡介

該風(fēng)機(jī)采用AMCA規(guī)定的ARR8方式軸承座和聯(lián)軸器驅(qū)動，軸徑100mm，2個SKF品牌雙列調(diào)心滾子軸承22222EK，外徑200mm，寬度53mm，基本額定載荷560kN，參考轉(zhuǎn)速3000r/min。初期運行振動穩(wěn)定在3.1～3.5mm/s，但26個月后振動逐漸增加，達(dá)到7.0mm/s以上，需要進(jìn)行停機(jī)維修，工藝部門要求8小時內(nèi)完成故障分析和修復(fù)。經(jīng)討論后，技術(shù)部門一致認(rèn)為采用頻譜分析法是最佳方式。

6.4 狀態(tài)檢測及頻譜采集

該風(fēng)機(jī)為20號高壓離心風(fēng)機(jī)，用于垃圾焚燒回轉(zhuǎn)窯的煙氣引風(fēng)。葉輪重量512kg，轉(zhuǎn)速1480r/min，電機(jī)功率400kW，流量65000m3/h，靜壓13500Pa，工作溫度150～175℃。葉輪采用ARR8懸臂式布置方式。使用浙大離線頻譜分析儀采集數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)軸承X方向和Y方向振動達(dá)到7.0mm/s以上，明顯高于2.5mm/s的出廠值和4.5mm/s的正常運行值。多次采集后，所得振動時域圖及振動頻譜如圖2。

圖2

6.5 頻譜特征及故障原因分析

根據(jù)頻譜特征和振動診斷理論，主要對振動頻譜和時域圖進(jìn)行分析。風(fēng)機(jī)實際轉(zhuǎn)速1440rpm，主軸回轉(zhuǎn)頻率f（主頻）為1440/60=24Hz，回轉(zhuǎn)周期1/24=0.0417s=41.7ms。從振動頻譜圖可以看出，第一個峰值出現(xiàn)在23.9Hz，非常接近主頻，說明風(fēng)機(jī)存在動平衡故障或者基礎(chǔ)松動故障。第二個峰值出現(xiàn)在72Hz，72/24=3，即主頻的3倍。第三個峰值出現(xiàn)在96Hz，96/24=4，即主頻的4倍。其余位置未出倍頻幅值極小，說明滾動軸承或軸承座某處存在開裂或松動，但由于其幅值小于主頻幅值的1/2，所以故障可能不嚴(yán)重。表1為各類故障典型頻譜特征。

表1 軸承故障特征頻率

表2 22222EK軸承的故障特征頻率

f0為工頻=風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速/60，Hz；Z滾動體個數(shù)，個；fc為外圈頻率，Hz；fi為內(nèi)圈頻率，Hz；fb為滾動體頻率，Hz；n為正整數(shù)。

以下是常見設(shè)備故障的頻譜特性，可初步根據(jù)該特性判斷設(shè)備故障。

6.6 轉(zhuǎn)子不平衡

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析，振動的時域波形類似正弦波，頻域上表現(xiàn)出工頻和高頻諧波，但工頻成分有峰值。相位不穩(wěn)定，降速時振動反而增加。因此，可以推斷轉(zhuǎn)子存在不平衡是主要原因。

6.7 機(jī)械松動

機(jī)械松動不是振動源，但會放大故障表現(xiàn)?；A(chǔ)松動是地腳螺栓、水泥基礎(chǔ)等松動，產(chǎn)生1倍頻振動；軸承座松動是軸承座螺栓、軸瓦磨損等松動，產(chǎn)生0.5倍頻、1倍頻、2倍頻、3倍頻振動；配合零件松動是由于部件磨損或安裝問題導(dǎo)致的松動，通常在多個倍頻產(chǎn)生峰值。

6.8 轉(zhuǎn)子摩擦

當(dāng)轉(zhuǎn)子與靜止件接觸時，會產(chǎn)生類似機(jī)械松動的頻譜。摩擦可能是局部的或整個轉(zhuǎn)子一周都有摩擦，通常會產(chǎn)生多次諧波并激起共振。頻譜表現(xiàn)為多個倍頻峰值高，非整數(shù)倍頻峰值低，值通常是整數(shù)倍頻峰值的1/3～1/2。軸承滾動體與保持架摩擦也會產(chǎn)生類似頻譜，需要結(jié)合異響、發(fā)熱等表現(xiàn)進(jìn)行判斷。

7 對故障分析得出的結(jié)論

經(jīng)過對設(shè)備故障狀態(tài)進(jìn)行頻譜分析，得出以下結(jié)論：

根據(jù)頻譜判斷，可以排除軸承故障和轉(zhuǎn)子摩擦的可能性。從振動頻譜分析，1倍頻峰值最大，2倍頻、3倍頻、4倍頻處均出現(xiàn)較小峰值。說明在風(fēng)扇振動的主要原因可能是動平衡失效，這導(dǎo)致了振動增大。另外，還存在機(jī)械松動，尤其可能是軸承座松動，但其峰值較小，可以判斷出該故障不嚴(yán)重。

8 生產(chǎn)驗證及故障解決

通過頻譜分析初步判斷風(fēng)機(jī)振動大的主要原因是葉輪重量分布不均，導(dǎo)致動平衡失效。檢查后，發(fā)現(xiàn)軸承座磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致軸承在軸承座中跑外圈并擺動，振動頻譜表現(xiàn)為多個倍頻峰值高。進(jìn)行了緊急搶修，對葉輪和磨損部件進(jìn)行清洗和加焊打磨，更換了軸承、錐套及軸承座等部件，并重新進(jìn)行了對中和動平衡。維修過程耗時6.5小時，開機(jī)測試結(jié)果正常，軸承X方向和Y方向振動在2.2～2.5mm/s波動，軸承溫升31℃。

9 結(jié)語

本文探討了頻譜分析技術(shù)在風(fēng)機(jī)故障診斷中的應(yīng)用。通過采集和處理振動頻譜數(shù)據(jù)，利用頻譜分析技術(shù)進(jìn)行特征提取和故障診斷，能夠快速準(zhǔn)確地診斷風(fēng)機(jī)故障。對于軸承座、軸承和葉片等常見故障類型，可以采用不同方法進(jìn)行故障檢測，提高診斷準(zhǔn)確性。實踐證明，頻譜分析技術(shù)在風(fēng)機(jī)故障診斷中具有快速、準(zhǔn)確定位故障原因的作用，能夠促進(jìn)風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運行。