冷卻循環(huán)除塵風(fēng)機(jī)故障診斷

杭 磊 展 宇

（上海寶鋼工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司 上海）

1.概述

2011年9月6日，冷卻循環(huán)除塵風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡后第7天，突然因振動(dòng)增大觸發(fā)風(fēng)機(jī)在線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)控跳機(jī)保護(hù)，機(jī)組停機(jī)。該風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)為雙支撐雙吸離心式，主動(dòng)力為三相異步電機(jī)，功率355 kW，轉(zhuǎn)速997 r/min。電機(jī)和風(fēng)機(jī)兩側(cè)軸承均為軸瓦式滑動(dòng)軸承，電機(jī)與風(fēng)機(jī)通過(guò)彈性柱銷(xiāo)聯(lián)軸器連接。

對(duì)跳機(jī)保護(hù)動(dòng)作后的除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行診斷測(cè)試，使用儀器為T(mén)elesen8823數(shù)采器、CSI2130振動(dòng)測(cè)試分析儀、激光轉(zhuǎn)速表。機(jī)組測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

2.故障分析與診斷

監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)兩側(cè)軸承座水平方向振動(dòng)，以振動(dòng)速度有效值作為狀態(tài)報(bào)警和跳機(jī)保護(hù)參量，分別為狀態(tài)報(bào)警值4.5 mm/s和跳機(jī)保護(hù)值6 mm/s。由于在線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沒(méi)有數(shù)據(jù)記錄功能（僅有振動(dòng)值實(shí)時(shí)顯示、振值超標(biāo)報(bào)警和跳機(jī)保護(hù)功能），不能確認(rèn)風(fēng)機(jī)跳機(jī)前后振動(dòng)值變化情況，即不能確認(rèn)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)受到干擾或傳感器故障引發(fā)信號(hào)失真而誤動(dòng)作，或是風(fēng)機(jī)振動(dòng)烈度超標(biāo)而跳機(jī)保護(hù)。

圖1 機(jī)組測(cè)點(diǎn)布置

如果是風(fēng)機(jī)在線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)受到干擾或傳感器故障引發(fā)信號(hào)失真而誤動(dòng)作，只需使用離線(xiàn)振動(dòng)測(cè)試儀器監(jiān)控風(fēng)機(jī)從啟動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速過(guò)程的振動(dòng)值變化即可進(jìn)行排除；如果是風(fēng)機(jī)振動(dòng)烈度超標(biāo)，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)振動(dòng)大的可能原因有風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子和軸承、軸承座緊固及基礎(chǔ)、電機(jī)轉(zhuǎn)子和軸承、電機(jī)地腳緊固及基礎(chǔ)、機(jī)組聯(lián)軸器及對(duì)中出現(xiàn)了故障，根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸、運(yùn)行參數(shù)和檢修記錄，上述可能故障可逐項(xiàng)排除，最終確定故障原因。

首先，冷卻循環(huán)除塵風(fēng)機(jī)7天前（2011年8月30日）剛因風(fēng)機(jī)葉輪磨損進(jìn)行了補(bǔ)焊和轉(zhuǎn)子平衡校正，振動(dòng)值符合絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)良級(jí)別（表1，風(fēng)機(jī)在線(xiàn)儀表顯示的振動(dòng)數(shù)據(jù)與離線(xiàn)儀表測(cè)試值相當(dāng)）。風(fēng)機(jī)軸承座緊固螺栓、電機(jī)地腳緊固螺栓不可能在機(jī)組振動(dòng)很小的情況下自行松動(dòng)；而電機(jī)、風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)也不可能在小振動(dòng)、短時(shí)間里發(fā)生嚴(yán)重的沉降、開(kāi)裂、松動(dòng)的情況；最后，即使機(jī)組彈性柱銷(xiāo)聯(lián)軸器及對(duì)中存在問(wèn)題，也不可能在7天內(nèi)嚴(yán)重劣化導(dǎo)致振動(dòng)烈度超過(guò)6 mm/s。因此，風(fēng)機(jī)軸承座緊固及基礎(chǔ)故障、電機(jī)地腳緊固及基礎(chǔ)故障、機(jī)組聯(lián)軸器及對(duì)中故障等可以排除。

其次，在冷卻循環(huán)除塵風(fēng)機(jī)跳機(jī)前后，電機(jī)和風(fēng)機(jī)4個(gè)軸瓦的溫度一直保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)波動(dòng)?；瑒?dòng)軸承最嚴(yán)重、最常見(jiàn)的故障是潤(rùn)滑油不足或缺失引起的瓦軸邊界摩擦和干摩擦，而風(fēng)機(jī)是在運(yùn)行7天后發(fā)生振動(dòng)增大，即便是風(fēng)機(jī)因潤(rùn)滑油缺失引起故障，也應(yīng)是一個(gè)漸變過(guò)程，即從潤(rùn)滑油內(nèi)部液體摩擦到瓦軸邊界摩擦，再到瓦軸干摩擦。在此過(guò)程中，軸瓦的溫度首先上升，接著進(jìn)入瓦軸干摩擦狀態(tài)時(shí)，軸承振動(dòng)才會(huì)迅速增大。故電機(jī)和風(fēng)機(jī)軸承發(fā)生故障引起機(jī)組振動(dòng)大跳機(jī)可能性不大。

表1 機(jī)組振動(dòng)值 mm/s

最后，異步電機(jī)轉(zhuǎn)子和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子相比，質(zhì)量、直徑、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于風(fēng)機(jī)，就是小質(zhì)量、小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的電機(jī)轉(zhuǎn)子單獨(dú)發(fā)生故障，也很難在電機(jī)軸承的約束下通過(guò)彈性聯(lián)軸器將振動(dòng)毫無(wú)損失地傳遞給風(fēng)機(jī)并造成大質(zhì)量、大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的風(fēng)機(jī)振動(dòng)烈度超過(guò)6 mm/s。只有大質(zhì)量、大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子本身發(fā)生故障才有可能在風(fēng)機(jī)軸承座上產(chǎn)生如此強(qiáng)烈的振動(dòng)。所以，如果風(fēng)機(jī)振動(dòng)烈度確實(shí)超過(guò)跳機(jī)值，那么不管電機(jī)轉(zhuǎn)子是否存在故障，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子一定存在問(wèn)題并引起風(fēng)機(jī)軸承座振動(dòng)異常。查閱風(fēng)機(jī)檢修檔案，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡是風(fēng)機(jī)投運(yùn)至今常發(fā)且唯一的故障。結(jié)合此次風(fēng)機(jī)水平振動(dòng)值7天內(nèi)從0.66 mm/s上升至6 mm/s以上的現(xiàn)象，認(rèn)為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子部位有物體脫落或異物掛繞，導(dǎo)致其不平衡的可能性最大。據(jù)此，采用在線(xiàn)動(dòng)平衡儀器，全程監(jiān)控和記錄風(fēng)機(jī)從啟動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速過(guò)程中轉(zhuǎn)頻振動(dòng)值和相位的變化，通過(guò)風(fēng)機(jī)一次啟動(dòng)，完成故障判定、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡參數(shù)獲取。

3.故障判斷與驗(yàn)證

根據(jù)綜合分析，無(wú)論風(fēng)機(jī)故障是在線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)受到干擾或傳感器故障引發(fā)信號(hào)失真而誤動(dòng)作，還是振動(dòng)烈度超過(guò)了跳機(jī)保護(hù)值，只需使用測(cè)振儀和動(dòng)平衡儀全程監(jiān)控一次風(fēng)機(jī)從啟動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速過(guò)程中振動(dòng)幅值和相位的變化即可確認(rèn)，同時(shí)為排除風(fēng)機(jī)不平衡故障獲取施工數(shù)據(jù)。

風(fēng)機(jī)重新啟動(dòng)后監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，風(fēng)機(jī)振動(dòng)值（水平方向）不斷增大。當(dāng)接近997 r/min的額定轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)機(jī)振動(dòng)達(dá)到30.5 mm/s高值后跳機(jī)。監(jiān)測(cè)過(guò)程中，在線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、離線(xiàn)測(cè)振儀Telesen8823和CSI2130動(dòng)平衡儀三者的振動(dòng)實(shí)時(shí)值相當(dāng)。因此，在線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性排除，而風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子本體存在故障引發(fā)風(fēng)機(jī)振動(dòng)異常得以確認(rèn)。

進(jìn)一步分析，在線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和離線(xiàn)測(cè)振儀Telesen8823顯示的振動(dòng)數(shù)值為0～1000 Hz頻率段所有振動(dòng)的速度有效值的通頻值，而CSI2130動(dòng)平衡儀顯示的僅僅是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻振動(dòng)的速度有效值，但三者的實(shí)時(shí)值基本相同，這說(shuō)明在風(fēng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻振動(dòng)自始至終是能量占絕對(duì)地位的主振動(dòng)，即風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻振動(dòng)是唯一振動(dòng)。符合轉(zhuǎn)頻振動(dòng)為主、振動(dòng)與轉(zhuǎn)速密切關(guān)聯(lián)特征的轉(zhuǎn)子故障有不平衡、共振等。

如果是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子部位有物體脫落或異物掛繞導(dǎo)致其不平衡，根據(jù)該風(fēng)機(jī)7天前的動(dòng)平衡經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（位置正確的情況下，在葉輪最外緣處加上700 g質(zhì)量的配重，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻振動(dòng)從2 mm/s下降至0.05 mm/s），脫落或掛繞的物體折合在葉輪最外緣處的質(zhì)量約11 000 g，這是一個(gè)相當(dāng)大的質(zhì)量塊。風(fēng)機(jī)葉輪上所有平衡配重塊脫落也不過(guò)2800 g，而能被風(fēng)機(jī)吸入并掛繞在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的集塵布袋、紙張、抹布等異物也難達(dá)到這個(gè)質(zhì)量。因此有可能是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子局部開(kāi)裂脫落。

仔細(xì)查看從啟動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速過(guò)程中動(dòng)平衡儀器記錄的轉(zhuǎn)頻振動(dòng)值。記錄顯示，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速250 r/min時(shí)轉(zhuǎn)頻振動(dòng)值0.38 mm/s，500 r/min時(shí)轉(zhuǎn)頻振動(dòng)值1.62 mm/s，750 r/min時(shí)轉(zhuǎn)頻振動(dòng)值3.93 mm/s，而當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)入900～997 r/min區(qū)間時(shí)，轉(zhuǎn)頻振動(dòng)值迅速?gòu)?.86 mm/s上升至30.5 mm/s?？梢钥闯觯L(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速0～900 r/min區(qū)間時(shí)，轉(zhuǎn)子屬于剛性轉(zhuǎn)子失衡狀態(tài)（高度符合風(fēng)機(jī)振幅與轉(zhuǎn)速的平方成正比的特性），而進(jìn)入900～997 r/min區(qū)間時(shí)已處于非剛性轉(zhuǎn)子失衡狀態(tài)（完全不符合剛性轉(zhuǎn)子失衡時(shí)振幅與轉(zhuǎn)速的平方成正比的變化關(guān)系），這與以往冷卻循環(huán)除塵風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)一直處于剛性狀態(tài)完全不同。

風(fēng)機(jī)在500 r/min時(shí)仍處于剛性轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)轉(zhuǎn)頻振動(dòng)值1.62 mm/s，故可推斷出風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子若能在剛性狀態(tài)下達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)值約為6.44 mm/s，而風(fēng)機(jī)最終的振動(dòng)值高達(dá)30.5mm/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了這一預(yù)期值，由此肯定風(fēng)機(jī)已進(jìn)入了一階臨界轉(zhuǎn)速的共振區(qū)間，據(jù)此認(rèn)為，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子一階固有頻率下移并接近原設(shè)計(jì)的額定工作頻率，引發(fā)共振。

分析造成轉(zhuǎn)子固有頻率下降的原因：影響轉(zhuǎn)子固有頻率的兩個(gè)參數(shù)是轉(zhuǎn)子剛度和轉(zhuǎn)子質(zhì)量，當(dāng)轉(zhuǎn)子剛度下降或者質(zhì)量增大時(shí)，轉(zhuǎn)子固有頻率就會(huì)下降。在轉(zhuǎn)子剛度不變的情況下，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子即使掛繞110 kg（按照11 000 g極限質(zhì)量的10倍估算）異物，相對(duì)12 000 kg的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子來(lái)說(shuō)，增重還不足1%，其對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子固有頻率的影響微乎其微。所以，一定是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子剛度下降造成了冷卻循環(huán)除塵風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子固有頻率的下降。而風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸、中盤(pán)等轉(zhuǎn)子承重主架構(gòu)存在裂紋是引起轉(zhuǎn)子剛度下降的最可能原因。風(fēng)機(jī)存在巨大的故障隱患，不能繼續(xù)運(yùn)行，必須對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行全面探傷檢查。

將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子吊出檢查發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)葉輪中盤(pán)在粉塵的長(zhǎng)期磨損下厚度變薄，徑向截面積變小，承載能力下降，在原有的拉應(yīng)力作用下開(kāi)裂，造成風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子剛度下降嚴(yán)重，這與上述診斷一致。