大型空調(diào)機(jī)組離心風(fēng)機(jī)故障診斷與分析

毛 勇

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

1 空調(diào)機(jī)組離心風(fēng)機(jī)故障概述

1.1 風(fēng)機(jī)設(shè)備及故障概述

大型空調(diào)機(jī)組向重水堆核島廠房提供潔凈、干燥和恒溫的氣流，維持核島廠房內(nèi)氣流組織和壓力平衡，并促進(jìn)重水降級(jí)損失最小化和提升重水升級(jí)效率，該空調(diào)設(shè)備對(duì)機(jī)組安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行發(fā)揮著重要作用?？照{(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)有兩層結(jié)構(gòu)，底層執(zhí)行輸送氣流的除塵、干燥和調(diào)溫工藝，頂層執(zhí)行除濕干燥轉(zhuǎn)輪的再生工藝，各層結(jié)構(gòu)均安裝有一臺(tái)懸臂式后彎離心通風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)采用皮帶與皮帶輪組合傳動(dòng)。

近期空調(diào)機(jī)組箱體頂部離心風(fēng)機(jī)依據(jù)預(yù)維計(jì)劃開展解體檢修工作，檢修后運(yùn)行第34 天，巡檢發(fā)現(xiàn)離心風(fēng)機(jī)軸承有明顯的異響，檢修人員認(rèn)為軸承缺少潤滑脂，對(duì)軸承補(bǔ)充潤滑脂后異響立即消除。第二日巡檢時(shí)，仍發(fā)現(xiàn)軸承有明顯的異響。與此同時(shí)，現(xiàn)場進(jìn)行采集振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)基座有明顯的顫振，并且風(fēng)機(jī)蝸殼附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的轟鳴噪聲，該風(fēng)機(jī)整體運(yùn)行狀態(tài)欠佳，為避免風(fēng)機(jī)設(shè)備故障擴(kuò)展及頻繁更換軸承，需要進(jìn)行深入的分析和研究，找出軸承異響故障以及風(fēng)機(jī)異常顫振和轟鳴噪聲的根本原因，并提供整改方案，保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)可知、可控。

1.2 風(fēng)機(jī)軸承運(yùn)行數(shù)據(jù)采集

通風(fēng)機(jī)安裝在空調(diào)機(jī)組箱體外部頂板上，其結(jié)構(gòu)簡圖及測點(diǎn)布置見圖1，現(xiàn)場安裝如圖2 所示。

圖1 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖及測點(diǎn)布置

圖2 風(fēng)機(jī)安裝現(xiàn)場

風(fēng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)見表1。風(fēng)機(jī)各個(gè)測點(diǎn)振動(dòng)幅值均低于運(yùn)行報(bào)警限值6.3 mm/s，軸承運(yùn)行溫度正常，從振動(dòng)烈度角度考量，風(fēng)機(jī)軸承振動(dòng)處于良好的水平。但風(fēng)機(jī)軸承產(chǎn)生的異響，以及風(fēng)機(jī)伴隨的周期性轟鳴噪聲和基座的顫振現(xiàn)象，都在揭示風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間存在某方面的故障，需要深入分析故障根源，避免造成嚴(yán)重的損壞。

表1 風(fēng)機(jī)軸承運(yùn)行數(shù)據(jù)

離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測是一種成熟且有效的狀態(tài)監(jiān)測手段，但當(dāng)滾動(dòng)軸承處于故障早期和氣流激勵(lì)較為微弱時(shí)，沖擊載荷不足以引起振動(dòng)信號(hào)的顯著改變，因而無法識(shí)別出早期微觀故障和輕微沖擊。gSE（gravity Spike Energy，振動(dòng)尖峰能量）對(duì)沖擊信號(hào)較為敏感，脈沖峰值保留更完整，可檢測出軸承早期故障和氣流脈沖激勵(lì)等。風(fēng)機(jī)軸承的振動(dòng)幅值數(shù)據(jù)表明當(dāng)前故障對(duì)振動(dòng)幅值影響較小，因此需對(duì)軸承采集尖峰能量數(shù)據(jù)，以期有效識(shí)別和解決異響問題。

2 故障分析與診斷

風(fēng)機(jī)軸承振動(dòng)強(qiáng)度不大，根據(jù)正向推理方法和思路，可以排除安裝不當(dāng)、不平衡、共振等方面因素，結(jié)合現(xiàn)場氣流振動(dòng)和氣流噪聲伴隨氣流脈動(dòng)故障而同時(shí)出現(xiàn)的故障特點(diǎn)，初步診斷風(fēng)機(jī)存在軸承故障和葉輪氣流脈動(dòng)故障，主要從兩個(gè)方面進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

2.1 軸承故障分析

風(fēng)機(jī)軸承為PEU339 和PU339 型重載帶座深溝球軸承，根據(jù)軸承制造商LINK－BELT 提供的滾動(dòng)軸承各元件特征頻率系數(shù)，計(jì)算軸承特征頻率（表2）。

表2 軸承元件特征頻率

風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承（測點(diǎn)3）尖峰能量譜（圖3）中未發(fā)現(xiàn)軸承元件的特征頻率及其諧波，表明軸承元件狀態(tài)良好。頻譜圖中幅值最大的頻率成分為35.859 1 Hz，該頻率為0.77 倍風(fēng)機(jī)工頻，同時(shí)存在頻率10.920 7 Hz，為0.23 倍風(fēng)機(jī)工頻。在風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速的故障中，存在風(fēng)機(jī)葉輪失速頻率和蝸殼失速頻率，這兩個(gè)頻率一般以成對(duì)方式呈現(xiàn)。一般葉輪或軸流葉片的旋轉(zhuǎn)失速頻率通常在0.60～0.80 倍工頻范圍內(nèi)，擴(kuò)壓器失速頻率在0.10～0.30倍工頻范圍內(nèi)[1]。根據(jù)現(xiàn)場風(fēng)機(jī)周期性噪聲及風(fēng)機(jī)基座顫振的情況，初步診斷頻率35.859 1 Hz 為風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)失速頻率，頻率10.920 7 Hz 為蝸殼失速頻率。

圖3 風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承水平方向尖峰能量頻譜

風(fēng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承（測點(diǎn)4）水平方向尖峰能量頻譜（圖4）中風(fēng)機(jī)工頻fF=46.761 4Hz 幅值最大，符合一般旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)特征。頻率fc＝18.118 1 Hz 的幅值接近工頻幅值，該頻率與表2 中軸承保持架特征頻率17.7 Hz 比較接近，同時(shí)存在該頻率及諧波頻率n×fc與風(fēng)機(jī)工頻的線性組合頻率n×fc+i×fF，具體相關(guān)性如下：

圖4 風(fēng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承水平方向尖峰能量頻譜

從譜圖中可以看出，頻率18.118 1 Hz 為工頻的調(diào)制頻率，根據(jù)滾動(dòng)軸承各元件的故障及調(diào)制特點(diǎn)，可以確認(rèn)18.118 1 Hz 為保持架特征頻率。尖峰能量頻譜中存在保持架特征頻率及其諧波，并且保持架特征頻率以邊帶形式呈現(xiàn)，表明保持架故障非常嚴(yán)重。分析認(rèn)為鋼球與保持架兜孔間存在較大沖擊載荷，同時(shí)產(chǎn)生異響，軸承存在嚴(yán)重故障，需要進(jìn)行更換處理。

2.2 葉輪氣流脈動(dòng)故障

葉輪氣流脈動(dòng)故障通常表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)失速和喘振。通風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)的基本原則之一是使氣流通過葉片時(shí)層流附面層和紊流附面層的分離點(diǎn)位置遠(yuǎn)離葉片末端，使葉片始終工作在層流附面層，減少葉片沖擊與能量損失。由于氣流速度、葉片沖角、葉片安裝角度及氣流流場等因素改變，都會(huì)引起層流附面層和紊流附面層的分離點(diǎn)偏離葉片設(shè)計(jì)位置，氣流在葉片工作表面出現(xiàn)邊界分離，形成渦流區(qū)，稱為風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速。失速阻塞氣流通過，嚴(yán)重時(shí)氣流不能通過葉道，出現(xiàn)倒流情況，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行失穩(wěn)。喘振是風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速與其管道系統(tǒng)耦合振蕩導(dǎo)致流量、壓力和功率都在大幅度波動(dòng)，甚至出現(xiàn)氣流倒流的一種惡劣工況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成風(fēng)機(jī)葉片斷裂或機(jī)械部件損壞，一般嚴(yán)禁風(fēng)機(jī)在喘振工況下運(yùn)行。

實(shí)驗(yàn)表明，旋轉(zhuǎn)失速傳播速度ω1小于葉輪角速度ω，相對(duì)風(fēng)機(jī)，旋轉(zhuǎn)葉道堵塞是以（ω－ω1）的角頻率旋轉(zhuǎn)，方向與葉輪的旋轉(zhuǎn)方向相同。風(fēng)機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速故障時(shí)，轉(zhuǎn)子的異常振動(dòng)將同時(shí)出現(xiàn)ω1和（ω－ω1）兩個(gè)特征頻率[2]。在風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承尖峰能量頻譜中存在頻率35.859 1 Hz 和頻率10.920 7 Hz，這兩個(gè)頻率符合風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速特征頻率分布，表明風(fēng)機(jī)存在旋轉(zhuǎn)失速的情況，并且旋轉(zhuǎn)失速產(chǎn)生的氣流激振引起的沖擊載荷高于轉(zhuǎn)子不平衡、不對(duì)中或偏心產(chǎn)生的工頻沖擊載荷，揭示風(fēng)機(jī)失速情況較為嚴(yán)重。

通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)氣量不足和氣流不均勻是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速故障的常見原因。根據(jù)風(fēng)機(jī)制造商提供的風(fēng)機(jī)性能報(bào)告，該風(fēng)機(jī)定額流量為140 m3/min，喘振工況臨界流量為80 m3/min。該風(fēng)機(jī)管網(wǎng)無可供測量流量的平直管段，故在風(fēng)機(jī)入口徑向?qū)~閥全開時(shí)，根據(jù)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流計(jì)算風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行流量為65.2 m3/min，遠(yuǎn)低于喘振工況臨界流量，風(fēng)機(jī)運(yùn)行于不穩(wěn)定工況區(qū)域，存在旋轉(zhuǎn)失速的現(xiàn)實(shí)客觀條件。經(jīng)過對(duì)通風(fēng)機(jī)及其管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行排查，確認(rèn)影響風(fēng)機(jī)流量和進(jìn)氣口氣流狀況的設(shè)備配置與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有：

（1）該風(fēng)機(jī)與空調(diào)機(jī)組底層結(jié)構(gòu)內(nèi)的風(fēng)機(jī)存在搶風(fēng)情況。兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)共用部分進(jìn)風(fēng)通道，各自使用專用排風(fēng)通道，底層結(jié)構(gòu)內(nèi)的通風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)量為283 m3/min，遠(yuǎn)大于當(dāng)前風(fēng)機(jī)的實(shí)際風(fēng)量，兩個(gè)并聯(lián)通風(fēng)機(jī)兩側(cè)管路阻力特性和性能特性均不一致，制約頂層通風(fēng)機(jī)實(shí)際出力。

（2）通風(fēng)機(jī)皮帶輪配置偏離原設(shè)計(jì)。根據(jù)風(fēng)機(jī)制造商提供的性能報(bào)告，風(fēng)機(jī)側(cè)皮帶輪節(jié)圓直徑為170 mm，電機(jī)側(cè)皮帶輪節(jié)圓直徑為180 mm。經(jīng)過核查，現(xiàn)場風(fēng)機(jī)側(cè)皮帶輪規(guī)格為SPZ180-3-48（錐套型號(hào)2012），電機(jī)側(cè)皮帶輪規(guī)格為SPZ170-3-42（錐套型號(hào)2012），皮帶輪節(jié)圓直徑恰好與原設(shè)計(jì)相反，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速未達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)出力低于原設(shè)計(jì)。追溯該風(fēng)機(jī)歷史維修記錄，在2010 年10 月的預(yù)防性維修時(shí)因原皮帶輪磨損嚴(yán)重而更換成當(dāng)前的皮帶輪。

（3）通風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口氣流溫度梯度分布不均勻。由于空調(diào)機(jī)組特殊結(jié)構(gòu)，通風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口前的腔室底部與冷卻腔室頂部共用隔板進(jìn)行隔離，且兩個(gè)腔室的共用隔板無絕熱防護(hù)層，導(dǎo)致冷卻腔室直接對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)氣腔室底部氣流進(jìn)行冷卻，導(dǎo)致進(jìn)氣口腔室上部和下部氣流形成明顯的溫度梯度。經(jīng)過測量，通風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口處下部氣流溫度為16 ℃，上部氣流溫度為42 ℃，溫差達(dá)26 ℃，過大的溫差導(dǎo)致進(jìn)氣口氣流分布不均。

（4）通風(fēng)機(jī)進(jìn)氣接口管道設(shè)計(jì)不合理。通風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口前直接安裝徑向?qū)~閥、變徑接頭，其入口前端未安裝平直管道過渡，根據(jù)管網(wǎng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為保證入口氣流均勻、平穩(wěn)，風(fēng)機(jī)入口前直管道的長度應(yīng)該大于管道直徑的1.5 倍，顯然當(dāng)前的接口設(shè)計(jì)不符合通用技術(shù)規(guī)范。

從氣流脈動(dòng)載荷頻率、實(shí)際運(yùn)行流量、風(fēng)機(jī)設(shè)備配置和現(xiàn)場管網(wǎng)配置多個(gè)角度相互論證，確認(rèn)風(fēng)機(jī)存在旋轉(zhuǎn)失速的情況，但風(fēng)機(jī)電機(jī)運(yùn)行電流穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)振動(dòng)水平較好，可以確定風(fēng)機(jī)不存在喘振工況。

3 故障處理及驗(yàn)證

3.1 風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速故障處理及驗(yàn)證

由于廠房室內(nèi)空間限制及空調(diào)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對(duì)風(fēng)機(jī)入口管道及空調(diào)腔室進(jìn)行改造比較困難，現(xiàn)階段只能通過增加風(fēng)量以緩解失速工況。將風(fēng)機(jī)皮帶輪配置恢復(fù)至原設(shè)計(jì)狀態(tài)，即電機(jī)側(cè)皮帶輪配置為SPZ180-3-42，風(fēng)機(jī)側(cè)皮帶輪配置為SPZ170-3-48，更換皮帶輪后，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由2805 r/min 提升至3115 r/min，電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流由更換前的14.7 A 增加至16.2 A，根據(jù)電機(jī)運(yùn)行電流計(jì)算風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行流量為76.4 m3/min，已經(jīng)接近喘振工況臨界流量。根據(jù)現(xiàn)場檢查，風(fēng)機(jī)周期性轟鳴噪聲已消除，風(fēng)機(jī)基座仍有較為輕微的周期性顫振現(xiàn)象，但振動(dòng)尖峰能量譜圖中并未出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速特征頻率，如圖5 所示，表明風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速已得到大幅改善和有效控制，但由于風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口氣流不均勻的情況未得到改善，仍存在輕微的失速工況及氣流激振沖擊。當(dāng)前失速工況引起的沖擊在可控范圍內(nèi)，不影響風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。

圖5 恢復(fù)皮帶輪配置后的尖峰能量譜

3.2 風(fēng)機(jī)軸承故障處理及驗(yàn)證

風(fēng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承保持架存在明顯的故障，如不及時(shí)處理，故障快速擴(kuò)展成保持架散架，將造成風(fēng)機(jī)軸彎曲變形、葉輪掃膛等嚴(yán)重事故和損壞。更換風(fēng)機(jī)軸承后未再出現(xiàn)異響。對(duì)故障軸承進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)有一顆鋼球直接從保持架上松脫（圖6），約束該鋼球的兜孔兩側(cè)鉚接處的間隙明顯偏大，屬于軸承制造期間產(chǎn)生的潛在缺陷。

圖6 風(fēng)機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承保持架鉚接松動(dòng)

4 結(jié)語

（1）大型除濕機(jī)組受限于整體空間及各功能段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通風(fēng)通道系統(tǒng)往往優(yōu)先滿足各功能段的工藝設(shè)計(jì)需求，而忽視了通風(fēng)管道系統(tǒng)自身的設(shè)計(jì)要求，極易出現(xiàn)通風(fēng)機(jī)出力不足、進(jìn)口氣流不均勻等情況，使通風(fēng)機(jī)運(yùn)行于旋轉(zhuǎn)失速的非穩(wěn)定工況下，產(chǎn)生周期性顫振和轟鳴噪聲。采用振動(dòng)尖峰能量法能有效識(shí)別旋轉(zhuǎn)失速頻率ω1和失速傳播頻率（ω－ω1）兩個(gè)特征頻率，可通過監(jiān)測兩個(gè)旋轉(zhuǎn)失速特征頻率，對(duì)失速工況進(jìn)行有效監(jiān)控和預(yù)防，對(duì)提高通風(fēng)機(jī)運(yùn)行可靠性具有重要意義。

（2）滾動(dòng)軸承保持架缺陷產(chǎn)生的沖擊載荷較為微弱，不足以引起振動(dòng)幅值和溫度的明顯變化，振動(dòng)頻譜分析對(duì)該類故障診斷存在一定局限性。經(jīng)驗(yàn)證，尖峰能量對(duì)輕微沖擊載荷比較敏感，可有效識(shí)別滾動(dòng)軸承保持架故障，有利于通風(fēng)機(jī)滾動(dòng)軸承早期故障的診斷。