厂房负压风机鼓风机异常震动诊断大容量通风机叶轮的修割优化技术

摘 要：大庆石化公司污水处理用的鼓风机振动异常。通过振动趋势图及频谱分析，并采取逐点排除法，确认振动异常源于电机。
关键词：鼓风机；频谱；诊断；电机；松动；动平衡

一、振动概述
2003年12月，大庆石化公司某污水车间C0014#鼓风机的四个测点振动值升高，至2004年2月，振动进一步加剧。其中最大振动速度从1.9mm/s升至8.4mm/s，远超过4.5mm/s的允许值。其趋势图见图1

二、初步分析
鼓风机电机转速3 000r/min，功率440kW%，结构简图及测点布置见图2。

振动趋势图显示3#，4#测点的振动幅值跃升幅度比1#、2#测点大，同时可以看出联轴器侧的2#、3#测点比1#、 4#测点幅值跃升幅度大。经初步分析，认为振动源于电机，并且位于联轴器侧。具体产生原因可能是由于联轴器对中变化（螺栓松动、联轴器胶圈磨损等）、地脚松动、轴承损坏或其它原因造成。
三、故障分析诊断
1、仔细检查鼓风机地脚螺栓及对中情况，未发现异常。脱开联轴器单试电机，发现3#测点的水平振动值达到3.98mm/s，垂直振动值2.87mm/s，轴向振动值4.32mm/s。而此前电机无负载运行的总体振动值小于1.1mm/s，表明电机振动严重，导致机组振动异常。
2、3#测点水平、垂直、轴向的频谱如图3所示。从频谱图可以看出，振动在水平和轴向较大，频率以工频为主，伴随2、3、4倍等高次谐波。

3．频谱分析
(1)转子质量不平衡导致产生工频振动。但据该电机以往振动资料分析，转子动平衡良好，也未检修过，不太可能发生大的改变，故振动的主要原因应该不是动平衡问题。
(2)产生高次谐波有以下原因。
①轴承不对中。由于平衡位置发生变化，轴工程载荷重新分配，轴承油膜呈非线性，在一定条件下出现高次谐波。同时轴承不对中会引起电机轴向振动。
②转子部件松动。转子部件松动是非线性和时变的，因此产生非线性振动，将出现大量旋转频率的谐波。
转子机械松动包括轴承与轴承座配合间隙不当、联轴器与轴过盈不足等。轴承内圈磨损产生的频谱和轴承座配合间隙不当产生的频谱相似，而且轴承内圈磨损后，轴承与轴的配合间隙变大，导致设备动平衡破坏和前后轴承不对中，在频谱图上产生工频及高次谐波，因此电机故障很可能是轴承内圈磨损造成。
检修电机时，发现联轴器侧电机轴已严重磨损，实测轴颈尺寸为φ1000.10mm，电机后侧轴颈尺寸为φ1000.01mm，从而证实了此前的判断。
四、解决措施
用喷涂法修复轴颈，使与联轴器孔过盈0.02mm.再次单独运转电机，3#测点的水平、垂直方向频谱如图4所示。

从中可以看出，检修后电机径向振动比检修前增大了，振动频率以工频为主。轴向振动很小，并且振动随转速变化而变化，是典型的动不平衡振动这是由于修复电机时。机械加工误差导致动平衡变化所致。
重新对电机转子进行动平衡，在左、右配重面分别加了70.1g和104g配重。再次开机，1#、 2#测点振动值均在1.68mm/s以下，状态良好。

参考文献：
[1] 沈庆根北工机器故障诊断技术[M]．浙江大学出版社，1994.
[2] 徐敏设备故障诊断手册[M]．西安交通大学出版社，1998.

简介：对通风机叶轮修割的意义分别在气动性能、机械性能、安全性和经济性方面来阐述。介绍了叶轮修割的方法和适用范围。
1引言
叶轮是通风机结构中重要的零部件，叶轮的叶型风机的性能参数有着直接影响作用。根据作者长期对电厂用各种通风机叶轮修割的经验，现以离心式风机为例，对叶轮修割作简单的介绍。

2气动性能

叶轮通常由叶片、前盘和后（中）盘组焊而成。从轴向看，叶轮出口截面存在几个不均衡：气流密度和速度不均衡；靠近叶片工作面的密度和速度大于非工作面密度和速度的不均衡；气流方向也不均衡。故对轮盘和叶片形状进行适当的修割，使其更加符合实际流场，便可带来以下益处:
（1）减小叶轮出口气流的不均衡，能减轻气流对机壳蜗舌的冲击强度和气动噪声；
（2）能降低双吸叶轮安装不对称造成的偏流敏感性，有利于运行平稳；
（3）仿飞禽翼尾的锯齿形，消减叶轮出口尾涡，有利消声减振；
（4）能开大进口风门，减小挡板和叶片背涡，减小节流损失；
（5）减少流道附面层对气流粘度的影响和轮阻摩擦损失，提高风机反应度。

3机械性能

叶轮叶片为径向分布，叶间距随叶轮半径增大而增大，前盘（比后盘和中盘薄）区域刚性相应较低，振幅则相应增大，叶片背涡对叶轮内外产生的压力脉动激振频率与前盘局部固有频率易产生共振，该部位由于应力集中，长期运行可能疲劳断裂。无论叶轮设计多么完美、材质强度多高，焊接再牢固，其受加工成型和焊接时仍会产生内部残留应力，而且自身存在相对薄弱的部位，如焊缝边缘的热影响区，结构变化和频率变化点等，故合理修割可达到以下效果：
（1）减小和释放振动能量；
（2）消减叶片背涡，消除能量聚集产生的应力疲劳破坏；
（3）双吸叶轮中盘开锯齿形，可避免灰尘冲击叶片和中盘的焊缝，增加叶轮耐磨寿命；
（4）单吸叶轮后盘开锯齿槽可以减小气压差产生的轴向附加力，延长轴承寿命；

4安全性

（1）减轻轴承负荷和避免转子重力造成的主轴弯曲；
（2）减小离心力，降低材料应力，提高叶轮整体强度；
（3）减小节流涡和叶片背涡，避免失速、喘振和气流脉动破坏；
（4）减小转动惯量，避免电机启动温升过高和减轻对电网的冲击；
（5）减振降噪，避免对人身和设备的损伤，符合生态和环保。

人们主观上习惯认为轮盘上割开缺口不安全，其实旋转轮盘的应力是由自身构件的离心力和内外径上受力条件决定，一般分布规律为：径向应力沿轮盘半径增加而由小变大，又逐渐变小；切向应力则沿轮盘半径的增加而由大变小，靠内径应力最大，靠外径应力最小，两项叠加后的合成应力仍是靠近轮盘外径处应力最小，这就是轮盘外径处可去除部分材料的理论依据。

5经济性

从叶轮本身出发，通过去掉部分材料来达到以下目的：

（1）增加风门开度，减少节流损失，增效节电；
（2）优化机型，减小电机功率蓄备系数；
（3）减轻工程损坏，减少工程维护；
（4）不必购置和更换叶轮等备件；
（5）操作时风机不解体，一般不电焊、不打磨、不找动平衡；
（6）并联机组可不停炉，单机轮换实施，停机短，一般在两小时之内可完成。

6修割方法

（1）准备样板、火焊和照明等设施，待停机后，打开人孔门即可实施；
（2）在轮盘外径每两叶片之间，按旋转方向开成锯齿形缺口，前、后盘缺口深度需满足风量、风压的大小；中盘缺口深度应满足轮盘的强度和刚度，适当加大；
（3）叶片出口即外径最大、线速度最高处，应保留叶片根部焊缝，如此更安全，并省去角焊缝的封头电焊，节省电焊设备和专用焊条；
（4）以风机原性能和改造叶轮直径与风量风压关系式为基础，考虑叶根残留面积和轮盘修割面对出力的影响，计算修割量,在实际操作不必过分拘泥于性能的精确；
（5）按样板准确划线后修割，割除部分面积相同，质量矩相等，按中心对称；

对于一些轮盘局部破裂损伤的和已作报废的叶轮，在轮盘外径裂口处开对称性缺口，将裂损部位修割掉，经仔细检查无残余裂纹后便可立即恢复正常投运；

7适用范围

此技术广泛适宜于电力、化工、冶金、矿山等大型通风机使用行业。在无材料和制造质量缺陷的前提下，凡存在以下情况的大型通风机，均可进行叶轮修割。
（1）满负荷时出力仍偏大，进口风门长期开度过小，节流损失过大；
（2）气动噪声和风道振动较大；
（3）风机转动惯量大，启动时间过长，电机线圈温度过高；
（4）叶轮主轴刚度不足，挠度过大，经常烧轴承；
（5）双吸叶轮短期磨损严重，且中盘未开锯齿；
（6）一定程度损伤，不便焊补修复的叶轮。
（7）高压单吸式风机，气压产生的轴向附加力偏大，有损轴承寿命的叶轮等。

8结论

从理论上讲，风机正常运行工况应置于气动性能高效区，而由于种种原因并非如此，特别是离心式通风机，故大型风机一般应推行个性化选型、设计和制造，但理论与实际毕竟有差别，所以，现场修割的可行性都是存在而且必要的。当然，对不同类型和结构的叶轮在修割方式的合理性和修割量上，还可深入研究和发挥。

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