主動力功率不匹配對設(shè)備振動的影響

張笑如 張 輝

(1.南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京，210037；2.亞洲漿紙金東紙業(yè)(江蘇)股份有限公司，江蘇鎮(zhèn)江，212132)

現(xiàn)代化造紙機(jī)械具有大型化、高速化、連續(xù)化、結(jié)構(gòu)與運(yùn)行復(fù)雜、科技含量高等特點(diǎn)，因此，其運(yùn)行過程的監(jiān)測與維護(hù)要求與航空、發(fā)電等重要機(jī)械相當(dāng)。機(jī)械振動是所有機(jī)器系統(tǒng)運(yùn)行時普遍存在的現(xiàn)象，但長期且較大幅度振動對設(shè)備功能的可靠性和壽命有顯著影響。在現(xiàn)代化造紙機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷過程中，常遇到無名大幅振動(非零部件故障振動)。與故障振動相比，無名大幅振動的原因剖析難度更大，也是狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的重要難題之一。通常，機(jī)械在正規(guī)設(shè)計時是按照需要的傳動功率進(jìn)行匹配設(shè)計，但在生產(chǎn)現(xiàn)場中，因?yàn)榧夹g(shù)改造等因素考慮不周或備品缺乏而尋找替代品時，往往忽略了功率匹配的重要性。筆者基于在長期的生產(chǎn)線設(shè)備振動監(jiān)測中，跟蹤研究無名大幅振動，并通過理論原理分析和診斷實(shí)例驗(yàn)證探討了主動力功率不匹配對設(shè)備振動的影響。研究發(fā)現(xiàn)，主動力功率不匹配會造成設(shè)備振動幅度大、噪音大或溫度異常，甚至對運(yùn)行設(shè)備造成直接損害。

1 功率匹配與機(jī)械振動原理

1.1 功率匹配

(1)功率匹配的概念

通常，機(jī)械設(shè)備的驅(qū)動是由電動機(jī)實(shí)現(xiàn)的。電動機(jī)的輸出功率在負(fù)載設(shè)備額定功率的最佳工作點(diǎn)或最佳工作區(qū)被稱為功率匹配；偏離該點(diǎn)或該最佳工作區(qū)被稱為功率不匹配。

(2)功率匹配的設(shè)計

以泵為例說明如何選擇功率匹配。泵軸功率是電動機(jī)傳給泵的功率，每臺泵在出廠時都會提供設(shè)計點(diǎn)(特定流體、流量和揚(yáng)程)的泵軸功率以供配電機(jī)參考。在實(shí)際運(yùn)行時，考慮到泵的工況點(diǎn)變化及電動機(jī)輸出功率因功率因數(shù)關(guān)系帶來的變化，電動機(jī)傳給泵的功率應(yīng)有一定余量。根據(jù)理論研究和實(shí)踐驗(yàn)證，通常的經(jīng)驗(yàn)作法是電動機(jī)輸出功率大于泵軸功率，其余量(即電動機(jī)實(shí)際輸出功率與泵軸功率的比值)見表1，并根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)Y系列電動機(jī)功率規(guī)格選配。

表1 電動機(jī)實(shí)際輸出功率與泵軸功率的比值

根據(jù)API 610標(biāo)準(zhǔn)，電動機(jī)的額定功率至少應(yīng)按照下面給出的額定條件下功率的百分?jǐn)?shù)配備，即電動機(jī)銘牌額定功率(N)與泵額定功率之比的百分?jǐn)?shù)(y)：當(dāng)N≤22 kW時，y為125%；當(dāng)N為22～55 kW時，y為115%；當(dāng)N>55 kW時，y為110%。

1.2 功率不匹配引起機(jī)械振動的原理及影響因素

功率不匹配就會造成“大馬拉小車或小馬拉大車”。對于風(fēng)機(jī)和泵等輸送流體設(shè)備而言，功率不匹配不僅是能耗問題，而且造成電動機(jī)的輸出功率不在負(fù)載設(shè)備額定功率的最佳工作點(diǎn)或最佳工作區(qū)，使泵或風(fēng)機(jī)輸出的壓力和流量無法與負(fù)載壓力及流量相適應(yīng)，從而影響系統(tǒng)效率。根據(jù)物理學(xué)與機(jī)械傳遞力學(xué)理論，功率不匹配會使傳動設(shè)備與被傳動設(shè)備體量差異過大，進(jìn)而影響慣量匹配；而慣量不匹配意味著動量傳遞不好；動量傳遞不好就會產(chǎn)生沖擊、振動、松動等現(xiàn)象，造成電動機(jī)和負(fù)載慣量輕的運(yùn)動不平穩(wěn)，容易產(chǎn)生大的振動，有時還會發(fā)出撞擊聲。

2 研究手段及其技術(shù)原理

2.1 研究手段

美國CSI離線振動監(jiān)測系統(tǒng)包含監(jiān)測軟件和測量硬件。其中，監(jiān)測軟件為CSI RBM軟件，該軟件靠多個功能模塊對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行管理，建立的各個廠區(qū)設(shè)備的數(shù)據(jù)庫存于該軟件平臺中(見圖1)。軟件有存儲數(shù)據(jù)、修改數(shù)據(jù)庫、記錄趨勢、路徑傳輸、分析頻譜等諸多功能。監(jiān)測人員利用該軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)備離線振動監(jiān)測和精密分析診斷。

圖1 CSI RBM軟件中樹狀設(shè)備管理

測量硬件采用美國CSI 2120和CSI 2130機(jī)械振動分析儀(見圖2)。這2個分析儀是非常成熟的便攜式離線振動檢測儀器，均可以同時顯示振動數(shù)值和振動頻譜，可進(jìn)行機(jī)上簡易分析。所以，監(jiān)測人員能在現(xiàn)場做初步狀態(tài)診斷，待數(shù)據(jù)傳回計算機(jī)后又能做精密診斷。CSI 2120和CSI 2130機(jī)械振動分析儀各自由專門的軟件程序驅(qū)動，程序裝入后，儀器便能正常使用。通常，監(jiān)測人員背著儀器并拿著有傳輸線和卡口連接的傳感器到現(xiàn)場采集設(shè)備振動信號。

采用瑞典FLIR紅外熱像儀ThermaCAM P65(見圖3)并輔助ThermaCAM Reporter 7.0專業(yè)版分析報告軟件進(jìn)行熱點(diǎn)檢測故障診斷。

圖2 CSI 2120(左)與CSI 2130(右)機(jī)械振動分析儀

圖3 ThermaCAM P65紅外熱像儀

2.2 研究手段的技術(shù)原理

在振動的隨機(jī)信號中提取設(shè)備故障的特征頻率，利用離線振動監(jiān)測系統(tǒng)的時域波形、時域分析、經(jīng)快速傅里葉變換FFT轉(zhuǎn)換后的振動頻譜等頻域分析及頻譜對比進(jìn)行研究。

紅外熱像儀可根據(jù)物體發(fā)出的紅外線輻射進(jìn)行測量和成像。根據(jù)輻射與物體表面溫度存在函數(shù)關(guān)系的原理，紅外熱像儀可以計算并顯示出被跟蹤對象的溫度和溫度場分布。

3 功率不匹配引起設(shè)備振動的診斷

3.1 紙機(jī)干燥段潤滑油站供油泵振動診斷

P02G52-P03是某紙廠2號紙機(jī)(PM2)干燥段潤滑油站的1臺供油泵。2005年12月20日，故障診斷人員用CSI 2120機(jī)械振動分析儀定期檢測PM2 的B類泵時發(fā)現(xiàn)SIMENS電動機(jī)振動頻譜的中低頻區(qū)有大量1X轉(zhuǎn)速頻率諧頻(松動特征)，高頻區(qū)存在軸承跑外圈特征頻率(軸承故障特征)，綜合分析判斷為電動機(jī)軸承跑外圈，建議計劃停機(jī)時檢修電動機(jī)。電動機(jī)尾端水平徑向測點(diǎn)低頻區(qū)及高頻區(qū)的頻譜圖分別如圖4和圖5所示。由圖4可知，轉(zhuǎn)速為1475 r/min，轉(zhuǎn)頻為24.58 Hz，此時最大速度峰值為0.916 mm/s。由圖5可知，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速為1475 r/min(轉(zhuǎn)頻24.58 Hz)時，高頻諧頻頻率為2039.8 Hz，相當(dāng)于82.97倍頻，諧頻間距為158.85 Hz，為軸承外圈損壞頻率。

圖4 電動機(jī)尾端水平徑向測點(diǎn)低頻區(qū)頻譜

圖5 電動機(jī)尾端水平徑向測點(diǎn)高頻區(qū)頻譜

2006年3月20日計劃停機(jī)期間，電氣檢修人員檢修該SIMENS電動機(jī)時發(fā)現(xiàn)，這臺電動機(jī)兩側(cè)的軸承端蓋有明顯磨損，軸承跑外圈，從而證實(shí)了原先對電動機(jī)的診斷。電氣檢修人員決定更換整個電動機(jī)，但此電動機(jī)沒有備品，只好用同型號的ABB電動機(jī)替代。

2006年4月6日，對更換后的電動機(jī)進(jìn)行振動檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電動機(jī)和供油泵的振動幅度均比原來大，尤其供油泵的振動幅度顯著增大。電動機(jī)更換前后，電動機(jī)和供油泵的振動數(shù)據(jù)對比如表2和表3所示。

更換電動機(jī)前后，電動機(jī)和供油泵的對比頻譜分別如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可知，更換電動機(jī)后，電動機(jī)和供油泵的主頻(1倍轉(zhuǎn)速頻率)振幅明顯增大。

表2 電動機(jī)更換前后的振動數(shù)據(jù)對比

注 M代表電動機(jī)，I代表內(nèi)側(cè)，O代表外側(cè)，H代表水平徑向，V代表垂直徑向，A代表軸向。

表3 電動機(jī)更換前后供油泵的振動數(shù)據(jù)對比

圖6 更換前后電動機(jī)頻譜對比

圖7 電動機(jī)更換前后供油泵頻譜對比

更換電動機(jī)后，供油泵振動幅度增大，雖然不正常，但因?yàn)樗俣确逯瞪性谠S可標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)(見表4)，因而沒有采取強(qiáng)制停機(jī)措施，而是在允許暫時使用的同時，要求診斷人員加強(qiáng)監(jiān)測跟蹤。

表4 15～75 kW電動機(jī)及所驅(qū)動的中型機(jī)械振動管制標(biāo)準(zhǔn)

隨后的監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，起初供油泵的振動還穩(wěn)定，但至2006年12月，供油泵的振動幅度開始變大(數(shù)據(jù)對比見表5)，而振動頻譜中除了速度峰值變化較大外(見圖8)，其他沒有變化。生產(chǎn)部門反映，因該泵噪音大而不敢使用，一直用旁邊的備用供油泵。

表5 供油泵P02G52-P03監(jiān)控振動數(shù)據(jù)對比

圖8 供油泵P02G52-P03測點(diǎn)PIH振動頻譜對比

為了解決該生產(chǎn)遇到的“無名大幅振動”問題，開始認(rèn)真研究此次故障。更換電動機(jī)后，電動機(jī)和供油泵的振動均變大，這是否是由更換后的電動機(jī)功率與泵軸功率不匹配造成的？搜集了SIMENS和ABB這2臺電動機(jī)的技術(shù)參數(shù)并進(jìn)行了對比，結(jié)果見表6。

表6 SIMENS電動機(jī)與ABB電動機(jī)的技術(shù)參數(shù)

通過比較發(fā)現(xiàn)，2臺電動機(jī)其他技術(shù)參數(shù)相同，惟獨(dú)功率差別大。從表6可以看出，更換的ABB電動機(jī)功率比SIMENS電動機(jī)大了20 kW，所以產(chǎn)生了電動機(jī)功率與泵軸功率不匹配的情況。故初步診斷結(jié)果是功率不匹配造成電動機(jī)振動幅度大，建議更換成功率55 kW的此類電動機(jī)。

2007年1月5日，PM2計劃停機(jī)，電氣部門按照建議更換成功率55 kW的SIMENS電動機(jī)(沒有其他相應(yīng)備品電動機(jī))。之后，故障診斷人員對電動機(jī)及供油泵再進(jìn)行振動檢測發(fā)現(xiàn)，電動機(jī)及供油泵的振動大幅下降，恢復(fù)正常。相應(yīng)的振動數(shù)據(jù)分別見表7和表8，振動頻譜對比分別見圖9和圖10。

表7 改變電動機(jī)功率后電動機(jī)振動數(shù)據(jù)對比

表8 改變電動機(jī)功率后供油泵振動數(shù)據(jù)對比

為了驗(yàn)證改善效果，故障診斷人員連續(xù)跟蹤該供油泵的振動情況，結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，泵的最大速度峰值為1.76 mm/s，速度峰值<1.8 mm/s，供油泵的運(yùn)行狀況良好。

圖9 電動機(jī)測點(diǎn)MIH的振動頻譜對比

圖10 供油泵測點(diǎn)PIH的振動頻譜對比

圖11 泵跟蹤檢測的振動頻譜對比(PIH)

通過跟蹤電動機(jī)功率改變前后的振動頻譜對比，發(fā)現(xiàn)更換電動機(jī)取得明顯效果，證實(shí)了“功率不匹配是造成泵振動大幅增大的診斷結(jié)論”是正確的。分析其原因?yàn)椋弘妱訖C(jī)輸出功率遠(yuǎn)超供油泵所需額定功率后，增大了供油泵的壓力，打破了壓力和流量的適配平衡，從而激發(fā)供油泵振動。

3.2 PM2抽濕風(fēng)機(jī)振動診斷

P02H23-F05是改造安裝在紙機(jī)零位的抽濕風(fēng)機(jī)，作用是抽吸紙機(jī)壓榨部的濕氣，輔助提高壓榨部脫水能力，使紙機(jī)進(jìn)一步提高車速。開始時，為了節(jié)省設(shè)備采購費(fèi)用，2007年6月改造安裝的抽濕風(fēng)機(jī)是涂布機(jī)淘汰的抽吸熱空氣的風(fēng)機(jī)。為了減少水的影響，風(fēng)機(jī)前面設(shè)計加裝了水氣分離裝置，但因?yàn)榻橘|(zhì)的變化，特別是抽吸的濕氣中混雜著漿料，漿料吸附在風(fēng)機(jī)葉輪上后造成葉輪動不平衡，使得抽濕風(fēng)機(jī)振動幅度和噪音大。圖12和圖13分別為電動機(jī)和抽濕風(fēng)機(jī)P02H23-F05的振動頻譜圖。由圖12和圖13可知，電動機(jī)和抽濕風(fēng)機(jī)均為1倍轉(zhuǎn)速頻率的振幅峰值非常大。

圖12 P02H23-F05的電動機(jī)MIH測點(diǎn)振動頻譜

圖13 P02H23-F05的FIH測點(diǎn)振動頻譜

為了降低漿料吸附在風(fēng)機(jī)葉輪上對抽濕風(fēng)機(jī)振動的影響，生產(chǎn)部門按照建議定期沖洗葉輪，但因?yàn)樗畾夥蛛x裝置并不能完全將水氣分離開來，葉輪罩殼總有部分水，致使抽濕風(fēng)機(jī)及電動機(jī)振動幅度居高不下，噪音也很大，而且電動機(jī)溫度高達(dá)80℃。安裝在PM1(1號紙機(jī))相同位置上的、結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)與PM2一致的抽濕風(fēng)機(jī)P01H23-F05，即使也同樣存在水的干擾，但電動機(jī)和抽濕風(fēng)機(jī)的振動卻小得多，噪音也低(見圖14和圖15)，電動機(jī)溫度比PM2電動機(jī)的低25℃。

圖14 P01H23-F05的電動機(jī)MIH測點(diǎn)振動頻譜

圖15 P01H23-F05的FIH測點(diǎn)振動頻譜

仔細(xì)觀察比較2臺抽濕風(fēng)機(jī)發(fā)現(xiàn)，這2臺抽濕風(fēng)機(jī)的管道、風(fēng)機(jī)、傳動方式及設(shè)備布置方向都一樣，而且整體基礎(chǔ)下方都墊了橡膠減振材料。PM2抄紙定量比PM1抄紙定量大，PM2壓榨部濕度比PM1的大，因此，造成機(jī)臺振動大及噪音大的原因可能是電動機(jī)功率不夠。

2007年9月26日，PM2電動機(jī)因高溫?zé)龤?使用不足1個月)，于是初步認(rèn)為，驅(qū)動電動機(jī)功率偏小致使電動機(jī)振動及噪音大，引起電動機(jī)溫度過高。建議更換大功率的電動機(jī)，以改善機(jī)臺振動狀態(tài)。

2007年10月9日，電氣部門用45 kW的電動機(jī)替代原來37 kW的電動機(jī)。改造完成后開機(jī)測試，并檢測機(jī)臺的振動。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論電動機(jī)還是抽濕風(fēng)機(jī)的振動都大幅下降，而且，噪音也大大減輕。對比結(jié)果見圖16和表9。

為了驗(yàn)證電動機(jī)功率改變后電動機(jī)溫度的改善情況，待抽濕風(fēng)機(jī)運(yùn)行2天后，用紅外熱像儀對PM2電動機(jī)進(jìn)行了紅外熱像檢測，結(jié)果證實(shí)電動機(jī)的溫度下降超過10℃(見圖17)。

圖16 P02H23-F05改變電動機(jī)功率前后MIA測點(diǎn)振動對比頻譜

表9 改變電動機(jī)功率前后抽濕風(fēng)機(jī)各測點(diǎn)振動數(shù)據(jù)比較

圖17 P02H23-F05的電動機(jī)功率改變前后電動機(jī)熱譜溫度比較

考慮到介質(zhì)的不可更改，更換電動機(jī)后的抽濕風(fēng)機(jī)的振動是可以接受的。更換后的電動機(jī)已使用7個月，沒有再發(fā)生燒毀的故障。

對比振動頻譜和紅外熱像圖可知，抽濕風(fēng)機(jī)振動明顯改善，進(jìn)一步證實(shí)功率不匹配造成了抽濕風(fēng)機(jī)振動大。推斷原因?yàn)轱L(fēng)機(jī)原本抽送熱空氣，改為抽送濕水氣后負(fù)荷增大，原電動機(jī)功率不足以匹配，傳動功率不足，從而激發(fā)抽濕風(fēng)機(jī)振動。

4 結(jié) 語

通過對機(jī)械主動力功率匹配與機(jī)械振動原理的討論分析及2個典型的“無名大幅振動(非零部件故障振動)”診斷案例跟蹤研究，得出如下結(jié)論：

(1)主動力功率不匹配會造成設(shè)備機(jī)臺振動大幅增大。

(2)主動力功率不匹配時，振動頻譜通常表現(xiàn)為振動主頻為1倍轉(zhuǎn)速頻率，似于動平衡不良故障。如果僅通過校正設(shè)備動平衡的方式來處理此類故障，并不能解決該問題。

(3)主動力功率不匹配通常是由現(xiàn)場維修時考慮不全造成的，如果缺乏備品，在尋找替代備品時也需要將功率匹配考慮在內(nèi)，以免造成維修設(shè)備的二次故障。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張 輝， 張笑如. 現(xiàn)代造紙機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷[M]. 3版. 北京: 中國輕工業(yè)出版社， 2013.

[2] 鐘秉林, 黃 仁. 機(jī)械故障診斷學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社， 1997.

[3] 蘇 杭. 機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社， 2000.

[4] 盛兆順, 尹琦嶺. 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社， 2003.

[5] 張笑如, 張 輝. 高速紙機(jī)烘缸軸承狀態(tài)監(jiān)診技術(shù)及故障特征研究[J]. 中國造紙學(xué)報, 2009， 24(4)： 87.