风机的振动原理

1引言风机与电机之间由联轴器联接，传递运动和转矩。不对中是风机最常见的故障，风机的故障60%与不对中有关［1］。风机的不对中故障是指风机、电机两转子的轴心线与轴承中心线的倾斜或偏移程度。风机转子的不对中可以分为联轴器不对中和轴承不对中。风机转子系统产生不对中故障后，在旋转过程中会产生一系列对设备运行不利的动态效应，引起联轴器的偏转、轴承的磨损、油膜失稳和轴的挠曲变形等，不仅使转子的轴颈与轴承的相互位置和轴承的工作状态发生了变化，同时也降低了轴系的固有频率，使转子受力及轴承所受的附加力导致风机的异常振动和轴承的早期损坏，危害极大。2风机振动概述某风机为双吸、双支撑离心式通风机，齿式联轴器传动，结构简图及测点布置如图1所示，其工作介质为锅炉燃烧所产生的带有灰粒等杂质的高温烟气，工作转速为740r/min。该风机于2002年7月按计划进行检修，由于自由端轴颈变细，在检修期间利用可赛新技术实施了修复，并更换了自由端轴承及轴承座。在7月19日试运时，风机振动严重超标，其振值如表1所示，振动谱图如图2所示。3风机的振动特征测点1、测点2在水平、垂直、轴向3个方向的振动均在30pm以下。测点3、测点4在水平、垂直两个方向的振动均不足30pm,但轴向振动严重超标，最大振动为测点4,高达204pm。振动数据再现性差，往往不同时间测到的同一工况的振动也有明显差别。振动不断波动，瞬间的变化范围可达几十微米。该风机在检修以前，水平、垂直方向的振动很小，轴向振动偏大(134p山)，但振值稳定，长时间变化不大。4故障诊断的思路随着故障诊断工作的深入，此次对风机的故障诊断彻底摆脱了传统观念，避免了解体检查直观寻找故障的现象，同时也抛弃了目前人们常用的反向推理方法，而是采用正向推理［2］方法，避免诊断结果不肯定、产生漏诊和误诊的现象。使用正向推理诊断故障必须明确诊断故障范围，在能够引起风机振动故障的全部原因中与风机实际存在的振动特征、故障历史，进行搜索、比较、分析，采取逐个排除的方法，剩下不能排除的故障即为诊断结果。这一诊断结果包括两个方面：（1）当只有一个故障不能排除时，它是引起振动故障的原因；（2）当还剩下两个以上故障不能排除时，这些故障都是振动的可能原因，需要进一步试验，排除其中无关的故障。5风机振动的类型从振动诊断的角度来看，风机具有以下特点：（1）风机是一种旋转机械因而有不平衡、不对中之类的故障；（2）风机是一种流体机械有旋转失速、喘振存在的可能性；（3）风机受工作环境的影响，经常造成叶片的磨损，输入的介质还可能粘附在转子上形成随机变化的不平衡；（4）风机由电机驱动，可能存在电磁振动。基于上述特点，风机的振动可归结为8种类型，见表3。表3风机的振动类型序号故障类型特征频率/Hz振源1基础不牢f=n/60支承动刚度不足2风机转速接近临界转速f=n/60共振3喘振f=n/60或f=zn/60气流不稳定力4电磁振动f=nP/60，P为转子磁极个数电磁力5转子不平衡f=n/60不平衡量产生的离心力6不对中f=Kn/60（K=1，2，3…）联轴器故障；转子不同心、不平直和轴径本身不圆7部件松动（或配合不良）f=Kn/60（K=1，2，3…）部件引起的冲击力8轴承故障轴承各部件的特征频率轴承各部件的冲击力注：n为风机的转速；z为风机的叶片数。6风机的振动试验与故障诊断6.1轴承座动刚度的检测影响轴承座动刚度的因素有连接刚度、共振和结构刚度。通过检测可知：连接部件的差别振;仅为2〜3^m,认为动态下连接部件之间的紧密程度良好；风机的工作转速为740r/min，远远低于共振转速，风机的振动不属于共振；风机为运行多年的老设备，结构刚度不存在什么问题。因此风机轴承座动刚度没问题，可以排除风机转速接近临界转速和基础不牢的故障。6.2气流激振试验利用调节门开度对风机进行气流激振试验，在调节门开度为0%、25%、50%、75%和100%的工况下对各轴承的水平、垂直、轴向振动进行测试，目的是判别风机振动是否是由喘振引起的。但测量:果表明:风机振动与调节门的开度无关，喘振引起的振动是高频的，振动方向为径向。从频谱上未发现高频振动，且风机的振动主要表现在轴向。因此，风机的振动不是由喘振引起的。6.3电机的启停试验将简易测振表的传感器置于电机地脚，若在启动电机的瞬间，测振表的数值即刻上升到最大隹或在电机断电后，数值迅速下降到零，则属于电磁振动。通过测试得知，振动随转速的升高而逐:增大，随转速的降低而逐渐下降。因此，风机的振动不属于电磁振动。6.4不平衡振动风机不平衡振动最明显的特征：一是径向振动大；二是谐波能量集中于基频。而该风机的径振动均在30pm以下，在图2所示的径向频谱中，基频振动最大只有3.35mm/s，因此，风机的才动并非由不平衡引起。6.5不对中故障由不对中引起的振动主要有3个特点：（1）表现在轴向振动较大；（2）与联轴器靠近的轴】增大；（3）不对中故障的特征频率为2倍频，同时常伴有基频和3倍频。该风机振动最明显的特征是轴向振动较大。由表1可知，靠近联轴器的轴承轴向振动为17邹山，自由端轴承轴向振动为204pm；由图2b和图2d可知，轴向振动的频谱中除基频外，有明显的2倍频和3倍频，且2倍频的幅值高达基频的44%，尽管检修人员一再强调对中没有问题，但是，如果联轴器本身有问题，检修水平再高也无法排除不对中故障。6.6部件松动或配合不良由图2a和图2c可知，在测点3的水平方向，3倍频的分量占基频的37%；而在测点4的水平方向，3倍频的分量达到基频的60%，且存在4、5等高次谐波。显然，自由端轴承与轴配合不良所以，也不能排除自由端轴承的松动故障。6.7轴承故障进一步分析谱图，未发现轴承的故障频率［3,4］，说明轴承本身没问题。综上所述，引起风机轴向振动故障的原因有两个：（1）自由端轴承与轴配合不良或者轴承松动；（2）联轴器本身的故障。其中轴承与轴配合不良是振动的根本原因，联轴器本身的故障属于次要原因，对轴承与轴配合不良产生的振动起到了加剧作用。在7月20〜22日的抢修期间，经检查发现，自由端轴承偏转，联轴器部分齿面有凹坑和麻点。7振动机理由于轴承座偏转，在旋转状态下，轴承对轴径的承力中心点将随转速周期性地沿轴向变化。3a表示转子在某一位置时，轴承承力中心点偏于A侧；图3c表示转子转过180°后，轴承承力心点偏于B侧。若轴承座和基础没有弹性，则轴承承力中心点的变化始终在轴承座底边AB范围内不会引起轴承座的轴向振动。实际上，轴承座和基础组成的支承系统具有一定的弹性，在轴承承中心点周期性变化的作用下，轴承座将沿某一底边发生周期性的轴向振动，且振值忽大忽小，极:稳定。即使轴承座固定螺栓很紧，这种现象也难以避免。8结论振动的3个要素是振动幅值、圆频率和相位。因此，振动是一个具有大小和方向的矢量，相位与率一样，也含有丰富的振动信息，该风机轴承偏转和不对中的故障也可以从相位的变化来判断［5］对于风机自由端轴承来讲，可以对比图4所示的4个测点的相位来识别轴向振动的故障源。如果4,测点的相位明显不同，说明轴承在扭振，是由于轴承在轴上或者在轴承座中翘起造成的。联轴器两H（图1中测点2、3）径向振动的相位差如果基本上为