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2018年第 3 期2018 年 7 月新区烧结机主抽风机异常振动分析及控制 李鸿昌 王兴国 徐万从
（昆钢安宁公司检修厂）
摘 要本文针对昆钢新区烧结主抽风机异常振动现象，采用ZXP-F8N振动分析仪对烧结主抽风机运
行数据进行采集，通过对时域波形、频谱、轴心轨迹进行分析，查出风机振动原因为转子不平衡导 致，采用叶轮现场动平衡的方法，消除风机振动异常故障。 关键词 抽风机 振动 频谱分析 动平衡
1 概述
烧结主抽风机是烧结生产的关键设备，其作用是在烧结机台车下抽风形成负压，将空气不断吸入烧结燃烧带使烧结矿燃烧，同时将燃烧产生的废气抽走。主抽风机转子直径、转动惯量较大，在运行中若发生有害振动，不但会使滑动轴承破碎，甚至还会引起地基连接螺栓的松动，以及机壳变形和转子报废。因此，对风机工作状态进行监控，采取措施预防振动的发生，对提高风机工作效率，延长使用寿命具有重要意义。
本文针对昆钢股份安宁公司新区烧结SJ17000-0.815/0.645抽风机出现的振动问题，采用DDCZ-ZXP-F8N振动分析仪器对风机振动数据进行采集，采集烧结抽风机故障信号，通过波形图、频谱图等特征分析出主抽风机产生的振动原因，采取合理措施，使烧结抽风机振动得到有效控制。
2 新区烧结风机结构、主要参数
昆钢股份安宁公司新区烧结厂S J17000-0.815/0.645离心抽风机是陕西鼓风机有限公司制造，风机为双进风，双支承结构，烧结主抽风机构成如图1。主要由电机1、膜片联轴器2、近端轴承座3、远端轴承座4、风机机壳及叶轮及润滑系统等构成。右侧为本次振动监测点布置图。测点为轴承座垂直、水平、轴向三个位置。
图 1 烧结抽风机构成及振动测点布置
烧结主抽风机主要技术参数如下：
双侧进气，电机功率为6 500 kW，叶轮直径φ3 040 mm；
风机转子重量9 993 kg；
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2018 年第 3 期
风机转子GD2：15 650 kg/m 2；风机主轴正常转速1 500 r/min ；风机转子临界转速：1 890 r/min 。转子基频fr(工作频率)fr=1 500/60=25(HZ)，转子固有频率fc=1 890/60=31.5(HZ)
3 新区烧结风机振动情况
安宁公司新区烧结厂1#主抽风机自2011年投入使用，1#主抽风机2017年1月10日因叶轮磨损更
换过风机叶轮，使用过程中设备运行平稳，各项参数工作正常，正常工作时水平振动值为2.5～3.2 mm/s ，振动情况良好。
2017年10月14日检修后开机过程中振动情况如图2所示，风机升速过程中，振动幅值随着转速的上升迅速增大，风机转速达到工作转速1 500 r/min 时，稳定后风机近端水平振动值68∠138°，随着风门0°开到35°时，风门开度增加，振动增加，振动幅值由68μm 增加到115 μm ，相位角在138 °～169 °
之间变化。风机振动趋势向严重发展。
图 2 风机启动振动趋势分析图
4 检测与分析
采用DDCZ-ZXP-F8N 振动分析仪进行振动监
测，检测与分析情况如下：
4.1 振动数据采集
叶轮振动监测结果见表1，表中通频幅值为振动原始波形的振动幅值（单位μm ）
表 1 叶轮振动监测结果
通道名称通频幅（μm）
2倍频分量
3倍频分量
4倍频分量
近端垂直21.515∠4°0000近端水平108.4104.4∠167°08.76 4.58 4.64近端轴向29.623.8∠137° 5.27000远端垂直17.913.7∠31°0000远端水平49.740.7∠189° 2.23 5.8600远端轴向
1.72
0∠0°
表1表明：
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风机近端水平1倍频分量振动幅值为108.4 μm 、存在2倍频分量、3倍频分量、4倍频分量振动，高频分量较小；
风机远端水平1倍频分量振动幅值为49.7 μm 、
存在1/2分量、2倍频分量振动。
近端垂直1倍频分量振幅为15 μm ，不存在2分量、3分量、4分量振动：
远端垂直1倍频分量13.7 μm ，不存在2分量、3分量、4分量振动。
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2018 年第 3 期近端轴向1倍频分量振幅为23.8 μm ，存在1/2倍频振动，无其他高倍频振动；
远端轴向1倍频分量振幅为1.72 μm ，无其他倍频振动。
因此，风机两端垂直振动、轴向振动较小；水平振动幅度最大，振动突出，振动来自水平振动；振动主要集中在1分量，基频振动突出。
相位上，风机近端水平与远端水平相位差22°，风机近端垂直与远端垂直相位差27°，风机近端轴向与
远端轴向相位差43°，由此可判断风机不平衡属于动不平衡，质量轴线与旋转轴线不重合，既不平行也不相交，因此不平衡将发生在两
lrx个平面上，不平衡所产生的离心力作用于两端支承，既不相等且向量角度也不相同。 4.2 叶轮时域波形检测结果
DDCZ-ZXP-F8N 振动分析仪器检测叶轮时域波形图见图3，时域波形图显示振动位移与时间的关系，纵坐标表示振幅，振幅为正峰与负峰之间的位移量。近端水平振动时域波形为等幅正弦波，振动周期稳定，波形平滑，无毛刺，最大振幅为72 μm 。远端水平振动时域波形近似的等幅正弦波，振动周期基本稳定，波形带有毛刺，振幅波动大，振动最大振幅38 μm
。
图 3 叶轮时域波形图
4.3 叶轮频谱检测结果
风机转速1 500 r/min ，其转子基频为25 Hz ，DDCZ-ZXP-F8N 振动分析仪器检测叶轮频谱幅值图见图4，图4中，1倍频振动幅值为70.8 μm ，振
动幅度大。1/2倍频、2倍频振动、3倍频、4倍频等高频分量振动较小，不存在4倍频以上振动，频谱图中谐波主要集中在基频范围内。
图 4 叶轮时域波形图
4.4 轴瓦振动的轴系极坐标轨迹
DDCZ-ZXP-F8N 振动分析仪器检测主抽风机轴心轨迹图见图5，轴心轨迹是转子轴心点相对于轴承座运动而形成的轨迹，转子与轴承之间的间
隙为轴心轨迹的形成构成了条件。因噪声、电磁信号干扰等超高次谐波分量，使得轴心轨迹的形状变得十分复杂，图中虽然多处锯齿形及尖锐毛刺，但是椭圆的形状比较明显。图6为排除了噪声
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和电磁干扰等超高次谐波信号的影响的轴心轨，去除了工频轴心轨迹显示为一个扁椭圆，反映出转子不平衡[1]。
4.5 风机振动原因分析
综合波形图、频谱图、轴心轨迹图测量数据分析，得到以下结论：风机转子不平衡。
新区1#主抽风机的振动主要水平振动为主，垂直、轴向振动值较小，运转状态下的波形图为近似的等幅正弦波，振动周期稳定，波形平滑，无毛刺。频谱图中在谐波分量由1/2倍频、1倍频、2倍频振动、3倍频、4倍频组成，转子1倍频分量（基频fr分量）比较突出，其它倍频分量较小，对负荷变化不敏感。
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时域波形为近似的等幅正弦波，频谱图中谐波能量集中于基频，频率成分以转子工频（1倍频）为主，转速一定时相位稳定，轴心轨迹为偏心率较小的椭圆；振动的强烈程度对工作转速的变化很敏感；可以判定风机振动是因转子不平衡导致[1-2]
。
图 5 轴心轨迹图图 6 滤波后轴心轨迹图（弃除1倍频）
5 风机振动风机不平衡的控制措施及
效果
5.1 风机振动原理
设备振动的振幅大小与作用在该设备上激振
力大小成正比，与设备支撑的动刚度成反比例[3]，
见（1）式，
A＝P／Kd （1）
式中：A—振动的振幅
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P—激振力
Kd—设备支撑动刚度
风机激振力F大小与风机转子偏心质量成正
比，与风机转子偏心距离成正比，与风机转速的
平方成正比，见（2）式
F＝mrω2（2）
式中：m—偏心质量；r—偏心距；ω—偏心
圆周速。
增大设备支撑动刚度、减小风机激振力F可以
降低风机振动振幅。风机振动的控制根据不平衡
量的大小、产生的部位和性质进行动平衡调试，
消除不平衡状态。由于风机激振力F与风机转速的
平方成正比，因此转速降低，振动会产生明显下
降；但降低转速又会直接影响风机的工作效率，
一般不允许降转速运行。减小激振力，只能通过
减小转子的偏心质量和偏心距。
减小偏心质量和减小偏心距的方法[3]，就是
针对转动进行的动平衡，目的是减小转子不平
衡。
5.2 风机振动的控制措施
资料表明[4-5]，风机转子不平衡的原因主要
有：固有质量不平衡；转子运行中的不平衡两大
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类。其中固有质量不平衡产生的主要原因有：设计错误；材料缺陷；加工与装配误差；动平衡方法不当等。转子运行中的不平衡分转子弯曲和转子平衡状态破坏两种。
（1）固有质量不平衡将在转子上产生稳定的每转一次的转速频率振动，在给定转速下其幅值和相位在短时间内一般不随时间变化，但如果温度、负荷等条件变化，振动也可能会发生变化。对于固有质量不平衡引起的振动，最普通的防治办法是改善转子的平衡状态来降低转子的激振力（转子动平衡处理）。
（2）转子运行中的不平衡
①转子弯曲分为永久性弯曲和临时性弯曲两种
永久性弯曲指叶轮轴呈永久性的弓形弯曲后无法恢复。一般是由转子结构不合理、制造误差大、材质不均匀、转子长期存放不当而发生永久性弯曲变形或者热态停车时未盘车或盘车不当、转子的热稳定性差、长期运行后轴的自然弯曲加大等原因所造成；永久变形用盘车及动平衡方式很难修复。
临时性弯曲，转子临时性弯曲，是指转子因外部环境影响或外力的作用而产生弯曲变形，是指可恢复的弯曲，如，转子受热不均；自重引起临时性弯曲；气流冲击、温度和载荷突变引起的弯曲等。这种变形不需经过动平衡，而是只需采取一些简单的措施（如经过低速长时间盘车方式）或改变操作方式即可减缓或消除不平衡振动。否则采用机上动平衡方式降低初始振动值可以取得良好效果。
②转子平衡状态破坏
转子在运行过程中，由于破坏原始的平衡状态而引发机器振动，在生产中经常会遇到。如叶轮严重磨损或磨损不均匀；叶轮叶片、配重块等部件脱落；叶轮挂料；转子零、部件在运转中发生松动等。叶轮挂料时清理叶轮流道内沉积粉尘，可降低风机振动；而叶轮磨损，叶轮叶片、配重块等部件脱落引起的振动，视叶轮磨损情况，可采用更换叶轮，叶轮修补堆焊在线动平衡方式处理。
5.3 在线动平衡消除风机振动
工程上通常以转子临界转速作为划分刚性转子及柔性转子的依据，把工作转速高于临界转速的转子称为柔性转子，把工作转速低于临界转速的转子称为刚性转子。本次转子平衡选用影响系数未知的单面动平衡方法。
（1）试加重（m）确定：
m=321
其中：m 试加重质量 g
R 叶轮半径mm
M 叶轮重量 Kg
N 转速r/min
聚氨酯改性环氧树脂 F 通频幅值μm
（2）试加重位置的确定：
试加重的角度一般选用振动高点的对角，原始振动80∠184°试加重角度4°，试加重：321∠4°。
（3）动平衡过程
试加重后，启动风机测量出试加重后风机振动45∠110°，通过动平衡计算软件计算出加重位置及角度，通过两次加重，增加508 g配重块。加重位置及重量见表2。
表 2 动平衡加重数据
动平衡次数原始振动
试加重模式试加重
保留试加重去试加重保留试加重后振动值
第一次80∠184°321∠4°（试加重） 45∠110° 187∠253°第二次45∠110° 187∠253° 18.2∠59° 83∠184°
