风机基础刚度差引起振动的故障机理和诊断方法

1、风机基础刚度差的振动机理和诊断方法*郜立焕 万畅 杨玮/兰州理工大学 流体动力与控制学院 摘要：针对风机基础刚度差引起的振动故障，建立了旋转机械转子力学模型。从振动机理深入地分析了旋转机械基础刚度差造成的振动原因，得到了用于频谱分析诊断的典型故障特征：振动频率为工频，振动时域波形为正弦波；垂直方向振动速度异常。运用振动分析法、数据采集技术及诊断理论对一故障风机进行了有效的确诊。关键词：通风机；振动；故障特征；振动机理；基础刚度 中图分类号：TH113.1 文献标识码：B文章编号：1006-8155（2007）04-0069-03Vibration Mechanism and Diagnosti

2、c Method for Weak Stiffness of Foundation of Fan Abstract: According to the vibration trouble duo to weak stiffness of foundation of fan, a dynamics rotor model of rotary machinery is established. The reason of vibration due to weak stiffness of foundation of rotary machinery is analyzed from vibrat

3、ion mechanism. Then the typical trouble characteristics for frequency spectrum analysis and diagnosis are concluded, such as vibration frequency is rotator frequency, time waveform is sine wave, and vibration speed in vertical is abnormal. A trouble fan is effectively diagnosed using vibration analy

4、sis, data acquisition and diagnostic theory.Key words: fan；vibration；trouble characteristics；vibration mechanism；foundation stiffness0 引言风机是一种典型的旋转机械，是工矿企业的关键设备。尤其是大中型风机振动比较强烈，振动原因复杂，振动故障会影响全厂生产设备的正常运行。风机故障常从振动状态上体现出来。总体来说风机振动故障产生于4个方面：电机、风机本身、基础和风管1。在振动诊断过程中，机器内部的缺陷引起的振动就是故障振动分析的信息源2。机械系统的振动响应中包含什么

5、频率成分，必然有与之相应的同频激振源。一个或几个频率分量的幅值增大，必然是相对应的激振力的幅值增大而引起的3。通过机器表面部件的振动测量与分析监测机器内部的运转情况，并预测和诊断机器的工作状态。机械故障诊断一般有3个过程：首先是故障信号的获取；其次是提取故障特征；最后是模式识别和故障诊断。其中最关键的是提取故障信号的特征。1 旋转机械基础刚度差的振动机理现场设备一般都要安装在由水泥地板和钢板支架构成的专用基础上（见图1）。旋转机械的主要功能是由旋转动作完成，主要部件是转子。基础刚度不足的设备其振动频谱一般仅出现工频(机器转子的旋转频率)。这是因为：从振动机理分析，任何转子系统总会有少量的质量不

6、平衡，该不平衡会引*基金项目：甘肃省教育厅科研项目（0503B07）起振动，基础刚度不足只是加剧了该不平衡所引起的振动幅度，而其本身并不会引起任何振动。一般的机械振动系统都可以简化为由惯性元件（m）、弹性元件（k）和阻尼元件（c）组成的系统。转子系统作了简化之后基本上能说明转子振动的基本特性4-8。转子系统简化力学模型如图2所示。转子系统简化为质量为的柱状转子放在无质量的弹性转轴上,转轴中心为,转子几何中心为,不平衡质量为,集中于点,偏心距为,由于转子质量使转轴弯曲变形产生的挠度为,为系统阻尼系数,为支承刚度系数。1.风机 2.轴承 3.联轴器 4.电动机 5.基础图1 风机简图和振动测点布置

7、图2 转子系统简化力学模型当转子旋转时产生离心力,(为转子角频率),其在水平和垂直方向的分量分别为 (1)由于此离心力的作用，使由转子和整个支承组成的系统发生强迫振动。其轴心O在水平和垂直方向的振动微分方程分别为 （2）式（2）中,分别为水平和垂直方向的振动位移；C1，C2分别为水平、垂直方向阻尼系数；K1，K2分别为水平、垂直方向刚度系数。式（2）属于有阻尼受迫振动微分方程的标准形式： (3)式（3）通解由两部分组成： （4）式（2）中： （5） （6）式(4)中A和为积分常数，由运动初始条件确定；为受迫振动的相位落后于激振力的相位角。式（4）中等号右边第一部分是衰减振动，由于阻尼的存在第一

8、部分振动随时间的增加很快的衰减，称为过渡过程。一般来说，过渡过程很短暂。第二部分是受迫振动，以后系统基本上按第二部分受迫振动的规律进行振动，过渡过程以后的这段过程称为稳态过程8。由式（4）可知，式（1）的特解（即稳态过程的振动运动方程）分别为 （7）由式（4）得出,振幅分别为: （8） (9)对式(7)求导,并带入振幅1，2，得水平、垂直方向振动速度，：(10) (11)从式(7)看出，振动频率为工频()。从式(8)和式(9)看出。在工频一定的条件下（即转子角速度一定），支承刚度越小，振幅越大；从式(10)和式(11)看出，刚度越小，振速越大。可见,在同等条件下,基础等支承物的刚度不同，设备振

9、动幅度会出现很大的差异；尤其是当基础刚度不足时,振幅和振速就会越大。2 诊断实例分析金川公司某收尘风机现场振动大，对其进行了诊断分析。2.1 数据采集系统和振动测点布置现场测试采用上海东昊DH5920数据采集器、DH185ICP型加速度传感器。旋转机器的基本负荷和转轴上的离心力都是通过轴承传递的，转轴上零件的故障信息都是传递到轴承上。因此选取风机和电机两端轴承为振动测试点。在选取测点时还应考虑到传感器安装方便、安装面的光滑。现场振动测试的4个测点布置见图1。2.2 振动信号分析和诊断主要测试结果：风机稳定运行时，风机侧水平振动烈度1.5mm/s；垂直振动烈度1.6mm/s；电机处水平和垂直振动

10、波形均近似为正弦波；水平方向振动烈度4.0mm/s；垂直方向振动速度时域波形如图3所示，振动烈度达到了10.9mm/s，按ISO 2372已经接近危险值。电机垂直方向振速频谱分析如图4所示，谐波能量明显集中于工频，频率为16.3Hz。图3 电机垂直方向振动速度时域波形图4 电机垂直方向振动速度频谱分析由于其它测点无异常振动，结合基础刚度差的振动信号典型特征可知：电机垂直刚度不足。建议加强基础的刚度,可在底座钢板下面用槽钢焊接加固，经处理后风机运行良好。3 结论（1）判断基础刚度差的两个典型振动故障特征：振动频率为工频，振动时域波形为正弦波；垂直方向振动速度异常。以上两点是区别于其它工频振动的重要特征。（2）提出的诊断方法可有效地诊断出其它旋转机械基础刚度差的故障隐患。参 考 文 献1 汪光洋，等.风机振动故障诊断综述 J.安徽工业大学学报,2006(1):64-68.2 张思.振动测试原理与分析M.北京:清华大学出版社,1992. 3 周邵萍，林匡行,苏永升,等.风机振动分析与故障诊断J.华东理工大学学报,1999(6):316-319.4 盛兆顺，尹琦岭.设备状态监测与故障诊断技术及应用M.北京:化学工业出版社，2003.5 韩捷,张瑞林.旋转机械故障诊断机理及诊断