离心式风机振动原因分析与检修

□ 闫俊杰 □ 姚云辉 □ 李 鹏

中国石化催化剂有限公司长岭分公司 湖南岳阳 414000

1 离心式风机概述

离心式风机是催化剂企业常用的重要设备,在生产中主要用于焙烧炉燃气助燃及系统通风与除尘等。当离心式风机出现轴承振动偏大、轴承运行温度偏高、响声异常等故障现象时,如不能准确判断并及时处理,故障将会进一步严重,造成整条生产线甚至整套装置停工,严重影响生产的正常进行。

在日常生产中,离心式风机轴承振动及轴承运行温度偏高是常见的故障现象。当离心式风机出现轴承振动偏大及轴承运行温度偏高故障现象时,检修人员可以通过轴承运行声响、振动、温升等可观察的现象和测得的数据,来分析离心式风机振动及轴承运行温度偏高的原因,并制订相应的检修方案。一般用手持式测振仪测量振动,用红外测温仪测量轴承运行温度。

2 离心式风机结构

离心式风机通常由集流器、叶轮、机壳、传动部件、基座、电机等组成,如图1所示。

集流器将气流均匀导向至叶轮,使气流流动阻力最小。目前,催化剂厂通常采用的集流器结构为圆弧形。

叶轮是离心式风机唯一的运转部件,叶轮旋转对气流做功,使通过离心式风机的气流压力升高。

离心式风机的机壳为蜗卷形,由两块侧板和一个蜗卷形板组成,蜗卷形板与叶轮之间的截面积沿蜗卷旋转方向逐渐增大,目的是尽量减少气流在机壳内的流动损失。

传动部件包括主轴和轴承,有的离心式风机还包括联轴器和皮带轮。传动部件用于连接离心式风机与电机。

基座是离心式风机的支撑部件,一般采用铸件或用型钢焊接而成。

3 离心式风机工作原理

离心式风机工作时,叶轮高速旋转,充满在叶轮中的气流在离心力作用下被甩向叶轮外侧,使空气受到压缩,压力升高,并汇集到蜗卷形的机壳内。在经过断面逐渐扩大的机壳时,气流速度逐渐降低,气流的一部分动能转换为静压,最后气流以一定的压力由机壳的排气口排出。与此同时,由于叶轮内的气流被排出,叶轮中心区域形成负压,进气口外的气流在压力差作用下,从进风口流入。由于叶轮连续旋转,气流不断地被吸入和压出,从而形成连续的具有一定压力的气流输出。

4 振动原因分析

离心式风机的振动一般表现为轴承部位的振动,通常运用测振仪、测温仪、听诊器测得轴承箱处轴承的振动和温度,同时结合轴承运转声响来分析轴承振动的原因。通过大量检修案例总结,笔者总结引起轴承振动的原因有五方面。

(1) 转子质量不平衡引起的振动。在现场发生的轴承振动中,属于转子质量不平衡引起的振动占多数。造成转子质量不平衡的原因主要有转子叶片表面有不均匀积灰或附着物,叶轮背板积料,叶轮检修后未做动、静平衡导致叶轮不平衡,叶轮零件松动或连接件不紧固,叶轮磨损或腐蚀。

转子质量不平衡引起的振动在水平方向最大,轴向则很小,并且叶轮端轴承振动大于电机端轴承振动,振动比较稳定,对负荷变化不敏感,振幅随转速升高而增大。

(2) 轴承故障引起的振动。一种为轴承装配不良引起的振动。如果主轴颈或主轴肩台加工不良,那么主轴颈弯曲,轴承安装倾斜,造成与轴心线不重合,使轴承每转一圈产生一次交变的轴向力,造成轴承的固定圆螺母松动,产生局部振动。轴承装配不良引起的振动的特征为振动以轴向为最大。另一种为轴承表面损坏引起的振动。轴承由于制造质量差、润滑不良、异物进入、与轴承箱间隙不合标准等,会出现磨损、锈蚀、脱皮剥落、碎裂,进而造成损坏,滚动体相互撞击而产生的高频冲击振动将传给轴承箱,可以通过测振仪测得轴承箱的振动。这种振动稳定性波动大,并且与负荷无关,振动在水平、竖直、轴向三个方向均有可能最大,振动的精密诊断要借助频谱分析。运用频谱分析,可以准确判断轴承损坏的位置和程度。对振动监测,可以判断出轴承绝大多数故障,再辅以声响、温度、金属磨耗监测,可以在早期预查出轴承的故障缺陷。

(3) 联轴器异常引起的振动。联轴器安装不正,联轴器弹性圈损坏,离心式风机主轴和电机轴同轴度差,这些都会引起离心式风机及电机振动。这种振动的特征为振动不稳定,随负荷变化剧烈,空转时小,满载时大;同轴度偏差越大,振动越大;电机单独运行,振动消失。

(4) 轴承箱基座刚度不足引起的振动。基础灌浆不良,地脚螺栓松动,垫片松动,基座腐蚀开裂及连接不牢固,这些都会引起剧烈的强迫共振现象。这种振动的特征为有问题的地脚螺栓处基座振动最大,并且以径向分量为最大。

(5) 动、静部分之间接触引起的振动。动、静之间接触包括叶轮口环和机壳口环摩擦、主轴与密封装置之间摩擦等。这种振动的特征为振动不稳定,振动与转速无关,摩擦严重时会发生反向涡动。

5 检修实例

5.1 转子质量不平衡

2018年4月16日,在日常点检中发现某离心式风机轴承箱的振动大。测得叶轮端承力轴承水平方向振动最大为16.2 mm/s,轴向振动最小为9.1 mm/s,轴承温度为41 ℃,运行声响正常。将离心式风机的频率由45 Hz降低至20 Hz,振动减小至6.8 mm/s。通过相关数据和轴承运行情况,笔者判断是叶轮质量不平衡引起振动。拆开叶轮后,发现叶轮背板积料严重,如图2所示,导致叶轮质量不平衡,引起振动。清理完积料并复位后,离心式风机开机运行正常,承力轴承振动最大为3.1 mm/s,见表1。

表1 转子质量不平衡轴承振动 mm·s-1

图2 叶轮背板积料

5.2 轴承异常

2017年11月8日,某离心式风机出现轴承振动大,轴承运行声响异常的现象。测得电机端轴承轴向振动最大为6.2 mm/s,温度为45 ℃,运行过程中轴承处有周期性“嗬罗、嗬罗”声。通过相关数据及轴承运行情况,笔者判断轴承出现疲劳损伤。解体后,发现轴承滚道及滚珠出现疲劳剥落,如图3所示。更换轴承后,离心式风机运行正常,轴承最大振动为2.3 mm/s,温度为37 ℃,见表2。

5.3 联轴器异常

2017年9月,某离心式风机在运行中振动大,测得电机端轴承轴向振动为12 mm/s,水平方向振动为10.2 mm/s,竖直方向振动为9.8 mm/s,轴承温度为40 ℃。电机轴承振动同样偏大。在故障判断过程中,发现空转时振动小,满载时振动大,振动比较稳定。当电机单独运行时,电机轴承振动正常。电机轴和离心式风机主轴同轴度为0.06 mm,符合要求。根据以上情况,判断是联轴器异常引起振动。拆卸电机后,发现联轴器弹性圈部分损坏。更换弹性圈后,离心式风机运行正常,叶轮端轴承最大振动减小3.3 mm/s,见表3。

图3 轴承疲劳损伤

表2 轴承疲劳损伤轴承振动 mm·s-1

表3 联轴器异常轴承振动 mm·s-1

5.4 轴承箱基座刚度不足

某离心式风机在运行过程中振动大,测得电机端轴承竖直方向振动最大为8.2 mm/s,轴向振动最小为5.2 mm/s,轴承温度为38 ℃。几次检查轴承及地脚螺栓安装,都未发现异常。离心式风机叶轮质量静平衡检测也没有问题,但振动一直消除不了。笔者对轴承振动数据及运行情况进行分析,认为是基座刚度不足造成离心式风机振动大。原基座安装如图4所示。经过现场检查分析,认为基座本身存在缺陷,在基座安装时对主要承力点没有加垫铁,加之离心式风机的电机主机总负载达到20 kN,导致离心式风机在运行过程中基座刚度较差,进而产生振动。

图4 原基座安装

笔者在基座底部主要承力点1～6加装垫铁。因为基座地脚螺栓与主要承力点距离较远,加装垫铁能使整个基座与基础之间更加牢固。同时,在底部钢梁上焊接四根M18螺栓,再在底部钢梁上加压两根钢梁,将基座主要承力的底部钢梁向下压紧。改进后基座安装如图5所示。改进后离心式风机运行正常,轴向最大振动减小为3.3 mm/s,见表4。

图5 改进后基座安装

6 结束语

离心式风机振动大是催化剂企业常见的故障情况,通过测量离心式风机轴承的振动、温度和运行声响,可以快速有效地判断故障原因,并制订相应的检修方案。在实际生产中,应用笔者所介绍的方法可以有效解决大部分离心式风机振动大的故障,避免离心式风机故障恶化,保证生产正常平稳进行。所介绍的方法还可以延伸应用于其它转动设备的故障判断。

表4 轴承箱基座刚度不足轴承振动 mm·s-1