船用離心通風(fēng)機(jī)異常振動(dòng)研究

江 晨，樓京俊，翁雪濤

(海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，武漢430033)

某型通風(fēng)機(jī)是艦艇動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，主要作用是為工作的推進(jìn)電機(jī)提供通風(fēng)冷卻。為保證推進(jìn)電機(jī)的正常工作，必須提供一定量的冷卻空氣。該型風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行時(shí)間近10年，風(fēng)機(jī)噪聲有變大的趨勢。尤其是更換了部分?jǐn)嗔蚜说娘L(fēng)機(jī)葉輪葉片之后，風(fēng)機(jī)振動(dòng)噪聲進(jìn)一步加劇。因此必須對風(fēng)機(jī)振動(dòng)噪聲過大的原因進(jìn)行分析并采取相應(yīng)降噪措施，以避免對艦艇隱身性能造成顯著影響。

1 風(fēng)機(jī)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

風(fēng)機(jī)振動(dòng)與噪聲從來源講主要可分為結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲和氣動(dòng)噪聲兩大類。

1.1 結(jié)構(gòu)噪聲

結(jié)構(gòu)噪聲通常由風(fēng)機(jī)制造安裝工藝和動(dòng)平衡精度所決定的。通常情況下，由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡性能可以做得比較好，因此其結(jié)構(gòu)噪聲是比較小的。但是在故障狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)就可能會產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)噪聲，且其振動(dòng)特征反映了其相應(yīng)的故障模式。機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)中包含的頻率成分，反映了與之相對應(yīng)的同頻激振源;而幅值增大了的激勵(lì)源，通常也意味著某種故障的存在。因此，利用頻譜分析技術(shù)從頻域角度研究機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的頻率構(gòu)成、頻率成分強(qiáng)度大小及頻率結(jié)構(gòu)的變化，可以為振動(dòng)故障的識別提供豐富的故障特征信息［1］。常用的頻譜圖有幅值譜、相位譜和功率譜。目前在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷領(lǐng)域使用較多的是幅值譜。幅值譜可以提供以下信息:振動(dòng)信號中主要由哪些頻率成分及諧波分量組成的;組成的諧波分量中哪些成分的幅值最為突出，這提示著和故障的某種聯(lián)系。

1.2 氣動(dòng)噪聲

風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲是氣體流動(dòng)過程中所產(chǎn)生的噪聲，其主要原因是氣體的非定常流動(dòng)。當(dāng)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)不良或風(fēng)道中存在缺陷時(shí)，流動(dòng)的氣體中會產(chǎn)生渦流或者速度、壓力等狀態(tài)參數(shù)的突變，誘發(fā)氣體本身的激蕩。激蕩的氣體作用于管道、葉片等結(jié)構(gòu)上時(shí)，就會激起這些部位的振動(dòng)。空氣動(dòng)力振動(dòng)直接與氣體在風(fēng)機(jī)中的流動(dòng)性能有關(guān)，因此，改善風(fēng)機(jī)進(jìn)、排氣管路上氣體流動(dòng)性能，可以降低風(fēng)機(jī)的振動(dòng)［2］。氣動(dòng)噪聲引起的結(jié)構(gòu)噪聲的特點(diǎn)是其振動(dòng)頻率是結(jié)構(gòu)的固有頻率，往往與軸頻關(guān)系不大，但其振動(dòng)幅值和風(fēng)量、風(fēng)速等的相關(guān)性很強(qiáng)。

2 風(fēng)機(jī)振動(dòng)測試

2.1 采集儀器與參考標(biāo)準(zhǔn)

本文研究的風(fēng)機(jī)是離心式風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，電機(jī)的基頻為f0=N/60=50 Hz。

現(xiàn)場測試采用Econ信號采集分析儀，傳感器采用Dytran壓電式加速度傳感器，靈敏度統(tǒng)一設(shè)置為100 mV/g，加速度傳感器通過螺孔連接在環(huán)氧樹脂底座上，底座再通過502膠水固定在測試點(diǎn)上。

風(fēng)機(jī)吊裝在上層甲板上，電機(jī)通過橡膠隔振器與安裝支架相連。根據(jù)文獻(xiàn)［3］，該型風(fēng)機(jī)屬于第三類機(jī)組:額定功率15～300 kW彈性安裝機(jī)組。該類機(jī)組烈度評定等級的范圍是B級(正常工作狀態(tài))為1.8～4.5 mm/s;C級(容忍工作狀態(tài)，但必須采取維修措施)為4.5～11.2 mm/s。

2.2 振動(dòng)測點(diǎn)布置

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的基本負(fù)荷和轉(zhuǎn)軸上的離心力都是通過軸承傳遞的，軸承上零件的故障信息都是傳遞到軸承上的。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，軸承沒有外露部分，因此測點(diǎn)選取在電機(jī)自由端和輸出端靠近軸承部位，見圖1。

圖1 風(fēng)機(jī)振動(dòng)測點(diǎn)布置

振動(dòng)速度測試結(jié)果見表1。

表1 機(jī)組振動(dòng)速度測試結(jié)果(1) mm/s

由表1可見，機(jī)組上2個(gè)部位的振動(dòng)均有不同程度的超標(biāo)，其中自由端的振動(dòng)烈度值為10.5 mm/s，超過振動(dòng)烈度等級B(由于空間限制，輸出端軸向速度無法測試)?？梢耘袛囡L(fēng)機(jī)處于C級狀態(tài)，內(nèi)部可能存在某些故障，需要及時(shí)停機(jī)檢修。

3 風(fēng)機(jī)噪聲原因分析

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，輸出風(fēng)量大，風(fēng)壓高，致使風(fēng)機(jī)常出現(xiàn)振動(dòng)異?，F(xiàn)象。造成風(fēng)機(jī)振動(dòng)的因素很多，在各種振動(dòng)激勵(lì)與傳輸之間又相互制約，相互重疊，致使風(fēng)機(jī)故障的識別工作比較困難。相似的振動(dòng)現(xiàn)象，可能是由于不同的故障原因引起的，同一類型故障也會導(dǎo)致不同的振動(dòng)現(xiàn)象［4］。

3.1 結(jié)構(gòu)噪聲分析

3.1.1 機(jī)械松動(dòng)

機(jī)械松動(dòng)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械比較常見的故障。松動(dòng)有兩種情況，一種是地腳螺栓連接松動(dòng)，其結(jié)果是引起整個(gè)機(jī)器的振動(dòng);另一種情況是零件之間正常配合被破壞，造成配合間超差引起松動(dòng)。由松動(dòng)引起的振動(dòng)信號的頻率成分相當(dāng)復(fù)雜，除了基頻之外，還產(chǎn)生高次諧波和分頻成分，有時(shí)還表現(xiàn)出一些看起來很特殊的頻率成分［5］。由地腳螺栓松動(dòng)引起的振動(dòng)方向特征很明顯，表現(xiàn)為垂直方向振動(dòng)強(qiáng)烈。

從測試結(jié)果來看，風(fēng)機(jī)的振動(dòng)具有機(jī)腳螺栓松動(dòng)的特征。但通過緊固螺栓等措施，未發(fā)現(xiàn)有松動(dòng)現(xiàn)象，也未能減少振動(dòng)，排除機(jī)械松動(dòng)這一故障原因。

3.1.2 不平衡

由于制造誤差和使用過程中的磨損等原因，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子主軸偏離其旋轉(zhuǎn)軸線，產(chǎn)生不平衡，從而在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生離心力。即使是在較小偏心距情況下的微小偏心質(zhì)量，當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速較高時(shí)，其產(chǎn)生的離心力也將對支撐軸承構(gòu)成顯著的動(dòng)壓力。轉(zhuǎn)子的不平衡產(chǎn)生的振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率相同［6］。

除此之外，不平衡振動(dòng)還會激起其他一些弱小的頻率成分。不平衡振動(dòng)所產(chǎn)生的離心力垂直于轉(zhuǎn)子軸線，因此在徑向上的振動(dòng)大于軸向上的振動(dòng)。風(fēng)機(jī)在水平方向上的剛度最小，由不平衡而產(chǎn)生的激勵(lì)力在水平方向反應(yīng)最強(qiáng)烈。

圖2是電機(jī)輸出端的水平方向振動(dòng)頻譜圖?？梢钥闯?，頻譜中軸頻分量f0非常大，符合轉(zhuǎn)子不平衡的特征，說明風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子平衡性不好。該風(fēng)機(jī)使用時(shí)間較長，可能因?yàn)檩S承磨損或葉片破壞導(dǎo)致質(zhì)量分布不平衡。

圖2 輸出端水平方向振動(dòng)頻譜

3.1.3 不對中

不對中也是風(fēng)機(jī)的常見故障，大多發(fā)生在聯(lián)軸器部位。軸系轉(zhuǎn)子之間不對中分為平行不對中、角度不對中、組合不對中等幾種形式，其動(dòng)態(tài)特性比較復(fù)雜。平行不對中主要是會激起2倍轉(zhuǎn)頻，角度不對中則表現(xiàn)為基頻振動(dòng)突出，他們的共同特點(diǎn)是都會產(chǎn)生高次諧波振動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子同時(shí)存在較明顯的不平衡時(shí)，f0與2f0會同時(shí)出現(xiàn)峰值。其原因有軸承安裝傾斜或偏心，聯(lián)軸器安裝不當(dāng)，聯(lián)軸器與軸承配合不好，聯(lián)軸器零件磨損、松動(dòng)等［7］。

圖3顯示了輸出端垂向振動(dòng)頻譜，具有典型的不對中的特征。由圖3可見，在電機(jī)輸出端垂直方向基頻與2倍頻振幅比較明顯，而且2倍頻處的振幅接近于基頻振幅，由此可以判斷該機(jī)組除存在不平衡問題外，還存在不對中問題。

圖3 輸出端垂向振動(dòng)頻譜

3.2 氣動(dòng)噪聲分析

離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場是三維非定常流場，應(yīng)求解具有延遲時(shí)間、包含三維流速影響的非齊次波動(dòng)方程，得到旋轉(zhuǎn)葉輪產(chǎn)生的氣動(dòng)聲場［8］。y(r，θ，z)表示點(diǎn)源，x(r'，θ'，z')表示觀察點(diǎn)，聲速c恒定。通過求解廣義的格林函數(shù)，得到離心風(fēng)機(jī)葉輪的氣動(dòng)聲學(xué)基本公式為

式中:v＇n為法向速度在葉片法向方向上的投影。其右端第1項(xiàng)為流體體積位移產(chǎn)生的聲音，是單極子源;第2項(xiàng)為作用在流體邊界上脈動(dòng)力產(chǎn)生的聲音，屬于偶極子源;第三項(xiàng)代表體積源產(chǎn)生的聲音，是四極子源。對于二維薄板葉片，有v＇n=0，即上式右端第一項(xiàng)為零，原方程可簡化為

由式(2)知，在離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲中，起主要作用的是偶極子源和四極子源。從噪聲產(chǎn)生機(jī)理來講，與之對應(yīng)的離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲主要是渦流噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲。

因?yàn)槿~片的存在使得蝸殼內(nèi)的定常流動(dòng)的氣體狀態(tài)并不是均勻一致的，而是存在某種穩(wěn)定的分布，且這種分布在蝸殼內(nèi)隨著葉片而旋轉(zhuǎn)。這種不均勻的氣流，作用在蝸殼上形成了壓力隨時(shí)間的脈動(dòng)，即形成了旋轉(zhuǎn)噪聲，旋轉(zhuǎn)噪聲的頻率不是軸頻而是高得多的葉頻。渦流噪聲則是氣體的非定常流動(dòng)引起壓力脈動(dòng)所造成的［9］。氣動(dòng)噪聲的共同特征是其大小與風(fēng)量有很大關(guān)系。

在葉輪進(jìn)風(fēng)口與進(jìn)口集流器之間有一定的間隙，部分空氣可以從間隙排出，因而可以控制風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)量。葉輪進(jìn)風(fēng)口與進(jìn)口集流器之間的間隙是影響風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲大小的重要因素，并對流量和風(fēng)壓也有較大的影響，間隙增大則噪聲明顯降低［10］。為了加強(qiáng)風(fēng)機(jī)葉輪的強(qiáng)度，換裝上的新葉輪厚度比舊葉輪有所增加，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)口與進(jìn)口集流器之間的間隙變小，實(shí)際運(yùn)行的流量過大。風(fēng)機(jī)流量過大可能導(dǎo)致振動(dòng)噪聲過大。

為了驗(yàn)證該分析，在不改變軸的轉(zhuǎn)速的情況下，采取措施改變風(fēng)量，測試振動(dòng)噪聲。①用擋板堵住部分進(jìn)風(fēng)口(封堵面積約為40%、50%);②將風(fēng)機(jī)進(jìn)口集流器拆除。在這兩種情況下分別測試風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的電流和振動(dòng)速度，測試結(jié)果見表2。

表2 機(jī)組振動(dòng)速度測試結(jié)果(2) mm/s

由表2可見，采取措施使風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行流量變小之后，風(fēng)機(jī)的振動(dòng)明顯降低。

此外，通過查閱相關(guān)資料，該型風(fēng)機(jī)運(yùn)行在額定工況時(shí)，流量為10 000 m3/h，全壓為2 600 Pa，額定輸入功率約為10 kW。現(xiàn)場測試風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流為57 A，電壓為240 V，估算得到電機(jī)功率為13.68 kW，大于額定輸入功率，因此實(shí)際風(fēng)量大于設(shè)計(jì)所需風(fēng)量。

通過以上分析可以得出，風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況偏離額定工況點(diǎn)，引起風(fēng)機(jī)進(jìn)口堵塞，是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)過大的原因之一。

3.3 故障分析

綜上所述，通風(fēng)機(jī)振動(dòng)過大是由葉片動(dòng)平衡不好、機(jī)組軸安裝不對中和風(fēng)機(jī)進(jìn)口堵塞這三個(gè)方面因素綜合造成的。通風(fēng)機(jī)的檢修要從這三個(gè)方面著手。

4 措施和效果

1)在電機(jī)自由端軸承的凹槽內(nèi)加平衡質(zhì)量塊，換上新的葉輪;

2)拆除聯(lián)軸器螺栓，打表檢驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸與風(fēng)機(jī)軸確實(shí)為平行不對中，重新進(jìn)行對中;

3)調(diào)整葉輪進(jìn)風(fēng)口與進(jìn)口集流器的間隙，增大約2 mm。

機(jī)組經(jīng)檢修后，其振動(dòng)烈度值滿足GB11347—89中規(guī)定的可長期運(yùn)行的要求，即Vrms≤4.5 mm/s。

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