雙級軸流式通風(fēng)機振動分析研究及處理工藝

孟 斌

（晉煤集團長平公司， 山西 晉城 048000）

引言

隨著煤礦企業(yè)不斷向大中型企業(yè)發(fā)展，大型軸流式通風(fēng)機得到廣泛應(yīng)用。軸流式通風(fēng)機的流量大、啟動力矩小、對風(fēng)道系統(tǒng)變化適應(yīng)性強的優(yōu)點正逐步取代離心式風(fēng)機。軸流式通風(fēng)機通過改變?nèi)~片的工作角度來改變工況點，不僅沒有截流損失，還可以避免小流量工況下出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。尤其是雙級軸流式通風(fēng)機，效率比單級軸流式通風(fēng)機有顯著提高，但是引起風(fēng)機異常振動的因素也相對更加復(fù)雜。本文通過對雙級軸流式通風(fēng)機異常振動的故障進行分析研究，成功地解決了蘆家峪主通風(fēng)機在投運初期產(chǎn)生的異常振動問題。

1 項目研究立項背景

蘆家峪回風(fēng)立井安裝有兩臺上海鼓風(fēng)機廠生產(chǎn)的GAF40-21.1-2型雙級軸流式通風(fēng)機，選用YKK1000-10型風(fēng)機電機，電機功率4 000 kW，轉(zhuǎn)速596 r/min。蘆家峪主扇于2017年9月安裝完畢，設(shè)備進入最后調(diào)試和試運行階段。試運行時，1號通風(fēng)機運行平穩(wěn)，2號通風(fēng)機出現(xiàn)風(fēng)機異常振動。2號通風(fēng)機在剛啟動運行時振動值并不大，電腦后臺監(jiān)控顯示風(fēng)機水平振動為2.9 mm/s，垂直振動達到1.5 mm/s，是符合風(fēng)機安全運行要求的振動范圍的。但是隨著通風(fēng)機運行時間的加長振動值逐漸增大，2號通風(fēng)機運行至第二天，電腦后臺監(jiān)控顯示風(fēng)機水平振動達到4.5 mm/s，垂直振動達到3.1 mm/s。2號通風(fēng)機運行至第三天，振動值進一步增大，而且一直處于上升趨勢，沒有趨于穩(wěn)定，電腦后臺監(jiān)控顯示風(fēng)機水平振動達到9.8 mm/s，垂直振動達到6.3 mm/s?，F(xiàn)場使用點檢儀檢測2號通風(fēng)機水平振動達到9.3 mm/s，垂直振動達到5.6 mm/s。水平振動和垂直振動都大于風(fēng)機振速系統(tǒng)報警值4.6 mm/s，嚴(yán)重影響到通風(fēng)機的安全運行，立即執(zhí)行了倒機操作，運至1號通風(fēng)機運行。

2 初步分析研究

技術(shù)人員經(jīng)過初步判斷，出現(xiàn)振動異常的原因有以下四點：風(fēng)機內(nèi)部轉(zhuǎn)子安裝偏心、電機軸與風(fēng)機主軸同心度偏差、風(fēng)機動平衡不好、風(fēng)機安裝基礎(chǔ)不牢。

2.1 風(fēng)機內(nèi)部轉(zhuǎn)子安裝偏心

風(fēng)機轉(zhuǎn)子安裝偏心會造成風(fēng)葉頂部與機殼的間隙不均勻，風(fēng)機在高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生不穩(wěn)定的偏心力導(dǎo)致風(fēng)機異常振動。

通過檢查風(fēng)機葉片頂部與機殼之間的間隙，測量8個方向上每一片葉片頂部與機殼的間隙，測量結(jié)果間隙均勻，且間隙值都在4～8 mm規(guī)定范圍內(nèi)（見表1），符合通風(fēng)機安全運行要求的間隙范圍。通過測量分析，可以排除風(fēng)機內(nèi)部轉(zhuǎn)子安裝偏心是導(dǎo)致2號通風(fēng)機異常振動的原因。

表1 葉片與機殼間隙檢查結(jié)果 mm

2.2 電機軸與風(fēng)機主軸同心度偏差

當(dāng)軸系出現(xiàn)不對中時，主動軸角速度與從動軸角速度不同，當(dāng)主動軸等速轉(zhuǎn)動時，從動軸轉(zhuǎn)速將發(fā)生變化，產(chǎn)生一定的角加速度，由此引起動載荷并發(fā)生振動[1]。通過主從動軸打百分表的方法，檢查電機軸與風(fēng)機主軸的同心度，檢查結(jié)果同心度最大差值為0.1 mm（見下頁表2），符合風(fēng)機安裝≤0.25 mm要求。綜上測量分析，可以排除電機軸與風(fēng)機主軸同心度偏差是導(dǎo)致2號通風(fēng)機異常振動的原因。

2.3 風(fēng)機動平衡不好

風(fēng)機動平衡不好最主要的原因是轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，由于原始制造誤差或葉片安裝不均勻?qū)е碌馁|(zhì)量不平衡使轉(zhuǎn)子的重心有所偏離，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡的離心力，發(fā)生橫向轉(zhuǎn)動的振動，并通過軸承傳播，引起整個風(fēng)機在運行過程中產(chǎn)生振動的問題。其質(zhì)量不平衡的原因主要有：其葉片的磨損或者由于腐蝕導(dǎo)致質(zhì)量不均勻；葉輪上的零件沒有固定，局部松動，導(dǎo)致出現(xiàn)質(zhì)量不平衡[2]。

經(jīng)過現(xiàn)場檢查2號通風(fēng)機的每一片葉片，發(fā)現(xiàn)所有葉片完好，緊固螺栓牢固可靠，沒有任何磨損現(xiàn)象，經(jīng)過多次手動盤車試驗，風(fēng)機內(nèi)部轉(zhuǎn)子可以在任意位置穩(wěn)定停車，而且風(fēng)機轉(zhuǎn)子在出廠時候出具的動平衡試驗報告是滿足風(fēng)機動平衡要求的。

綜上檢查試驗，可以排除風(fēng)機轉(zhuǎn)子動平衡不好是導(dǎo)致2號通風(fēng)機異常振動的原因。

經(jīng)過以上各種分析研究檢查，最后只剩下風(fēng)機基礎(chǔ)不牢的原因可能導(dǎo)致2號通風(fēng)機異常振動，但是為了進一步確定是否由于風(fēng)機基礎(chǔ)不牢引起的通風(fēng)機異常振動，需要由專業(yè)的頻譜分析儀進行現(xiàn)場檢測后根據(jù)振幅頻率曲線來確定。

表2 電機軸與風(fēng)機主軸同心度檢查結(jié)果 mm

3 頻譜分析儀檢測

經(jīng)過初步分析研究后，遂與通風(fēng)機廠家聯(lián)系，廠家安排專業(yè)技術(shù)工程師，使用專業(yè)的頻譜分析儀對2號通風(fēng)機振動進行檢測。經(jīng)測量，2號主通風(fēng)機連續(xù)運行3 d期間風(fēng)機整體振動逐漸增大，停機時水平振動9.8 mm/s，垂直振動4.8 mm/s。

經(jīng)過對2號通風(fēng)機的振幅頻率進行分析發(fā)現(xiàn)，2號通風(fēng)機異常振動不是由于風(fēng)機基礎(chǔ)不牢造成的。如果是基礎(chǔ)不牢導(dǎo)致的異常振動往往導(dǎo)致殼體固有頻譜偏移，產(chǎn)生共振，振動被進一步放大，甚至可以出現(xiàn)1個數(shù)量級的振動差別，在振幅頻率圖與數(shù)字的表現(xiàn)上應(yīng)該是在垂直方向上的振動，而且振動頻率在一倍頻左右，圖1為基礎(chǔ)不牢振幅頻率圖。

圖1 基礎(chǔ)不牢振幅頻率圖

2號通風(fēng)機實測的振幅頻率圖為10倍頻和20倍頻的振幅，異常振動應(yīng)該是由于風(fēng)機內(nèi)部產(chǎn)生的氣流擾動造成的。對于雙級軸流式通風(fēng)機而言，存在兩級葉片角度配合不同步的問題，特別是單電機長軸雙級軸流式通風(fēng)機，由于兩級葉片固定在同一長軸上，葉輪轉(zhuǎn)速相同，兩級葉片旋轉(zhuǎn)角度差固定不變，如果兩級葉片角度配合不同步，一級葉片出風(fēng)量遠大于二級葉片所需進風(fēng)量，導(dǎo)致一級葉片的排氣量不能順利通過二級葉片排出，在機殼內(nèi)產(chǎn)生氣流擾動現(xiàn)象，引起風(fēng)機整體振動異常[3]。

氣流擾動產(chǎn)生的振動一般具有以下特點：

1）振動與機殼的剛性有一定的關(guān)系，氣流擾動帶動機殼振動，機殼振動影響氣流的流動，氣流擾動的振動頻率與機殼的固有振動頻率產(chǎn)生共振，因而，氣流擾動產(chǎn)生的振動隨著通風(fēng)機運行時間加長會逐漸增大。

2）氣流擾動產(chǎn)生的振動主要表現(xiàn)在水平方向上，水平方向振動值遠遠大于垂直方向振動值，而且在10倍頻或者20倍頻等高頻振幅表現(xiàn)比較明顯。

3）對于軸流式通風(fēng)機，氣流擾動多引起風(fēng)機機殼、進出氣口及機殼基礎(chǔ)振動，對軸承及轉(zhuǎn)子機械振動的影響較小。

4）對于雙級軸流式通風(fēng)機的葉片角度冗余度較大，兩級葉片角度的偏差容易導(dǎo)致風(fēng)機的工況點落入不穩(wěn)定運行區(qū)域，產(chǎn)生氣流擾動帶動風(fēng)機振動異常甚至產(chǎn)生喘振。

4 處理工藝及方案

1）檢查兩級風(fēng)葉角度，并將2號風(fēng)機二級風(fēng)葉角度由-15°調(diào)整為-14.2°。二級風(fēng)葉角度比一級風(fēng)葉角度偏大0.2°。試運行后振動數(shù)據(jù)：水平振動6.9 mm/s，垂直振動 4.2 mm/s。

2）將2號風(fēng)機二級風(fēng)葉角度由-15°調(diào)整為-14.4°。二級風(fēng)葉角度比一級風(fēng)葉角度偏大0.4°。試運行后振動數(shù)據(jù)：水平振動3.9 mm/s，垂直振動2.8 mm/s。

3）將2號風(fēng)機二級風(fēng)葉角度由-15°調(diào)整為-14°。二級風(fēng)葉角度比一級風(fēng)葉角度偏大1°。試運行后振動數(shù)據(jù)：水平振動5.0 mm/s，垂直振動3.1mm/s。

4）將2號風(fēng)機二級風(fēng)葉角度由-15°調(diào)整為-14.5°。二級風(fēng)葉角度比一級風(fēng)葉角度偏大0.5°。試運行后振動數(shù)據(jù)：水平振動2.19 mm/s，垂直振動1.56 mm/s。

最終確定蘆家峪2號主通風(fēng)機振動異常是由于風(fēng)機內(nèi)部氣流擾動造成的。將二級葉片角度進行微調(diào)，比一級葉片角度大0.5°時，通風(fēng)機整體振動最小，并且趨于穩(wěn)定水平，滿足通風(fēng)機安全運行條件。蘆家峪2號通風(fēng)機在微調(diào)風(fēng)葉角度后，運行平穩(wěn)正常，沒有再次出現(xiàn)振動異常現(xiàn)象，從根本上解決了振動異常問題。

5 結(jié)論

氣流擾動引起軸流式通風(fēng)機振動總是存在的，當(dāng)氣流擾動較小，風(fēng)機機體強度能夠抵御氣流擾動時，振動就不能構(gòu)成隱患。所以，蘆家峪1號通風(fēng)機沒有異常振動，但2號通風(fēng)機由于制造的個體差異及兩級葉片出廠精度的原因?qū)е庐a(chǎn)生很大的氣流擾動，而且氣流擾動是極不穩(wěn)定且動態(tài)變化的，當(dāng)氣流擾動的振動頻率與機體的固有振動頻率產(chǎn)生共振時將達到最嚴(yán)重的后果。對于雙級軸流式通風(fēng)機產(chǎn)生的異常振動要充分考慮氣流擾動的影響因素。

通過對蘆家峪雙級軸流式通風(fēng)機出現(xiàn)振動異常后進行各種分析研究檢測，診斷結(jié)果是由于兩級葉片角度配合不同步產(chǎn)生氣流擾動引起的振動問題，由此提出了具體有效的風(fēng)機振動故障的處理原則和方法，處理措施實施后從根本上解決了蘆家峪主通風(fēng)機的振動異常問題。

通過本例還可以認(rèn)為，同時應(yīng)用多種檢測和分析方法互為補充對診斷和處理比較復(fù)雜的振動問題是十分有效的，特別是頻譜分析儀對大型設(shè)備的振動分析檢測更為直接直觀，可以使工作人員在第一時間判斷出振動問題的根本原因，具體處理措施應(yīng)該多從設(shè)計方面和工藝方面入手可以保證徹底解決振動問題。

雙級軸流式通風(fēng)機振動故障分析與診斷是一項實踐性很強的技術(shù)，如果不采用專用的檢測設(shè)備很難查找出根本原因。使用頻譜分析儀對雙級軸流式通風(fēng)機進行振動分析診斷，并采取針對性解決措施和工藝，對今后大型軸流式風(fēng)機的安裝調(diào)試起到了關(guān)鍵性作用。