動(dòng)平衡技術(shù)在臥螺離心機(jī)振動(dòng)問(wèn)題中的應(yīng)用

范志卿 傅樹(shù)霞 李 寧

(廣東石油化工學(xué)院 a.機(jī)電工程學(xué)院；b.廣東省石化裝備故障診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

動(dòng)平衡技術(shù)在臥螺離心機(jī)振動(dòng)問(wèn)題中的應(yīng)用

范志卿1a傅樹(shù)霞b李 寧a

(廣東石油化工學(xué)院 a.機(jī)電工程學(xué)院；b.廣東省石化裝備故障診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

針對(duì)某污水處理廠(chǎng)臥式螺旋離心脫水機(jī)出現(xiàn)的振動(dòng)和異常噪聲問(wèn)題進(jìn)行了研究，通過(guò)拆機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)臥式螺旋脫水機(jī)的螺旋輸送器葉片發(fā)生了較大磨損，分析表明振動(dòng)主要由螺旋輸送器磨損造成的不平衡引起。對(duì)螺旋輸送器葉片維修后進(jìn)行了動(dòng)平衡校正，裝機(jī)后振動(dòng)明顯減小，達(dá)到安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

臥式螺旋離心機(jī) 螺旋輸送器 振動(dòng) 動(dòng)平衡

臥式螺旋離心脫水機(jī)是一種臥式螺旋卸料、連續(xù)操作的高效離心分離、沉降設(shè)備，常用于對(duì)液-固、液-液、液-液-固等非均相混合物的分離，廣泛應(yīng)用于污水處理廠(chǎng)中[1]。由于臥螺離心機(jī)是連續(xù)性操作，處理量大，在應(yīng)用中會(huì)造成螺旋葉片的嚴(yán)重磨損，螺旋葉片磨損后,通常會(huì)使螺旋的輸渣能力降低,造成沉渣含濕量增大從而引起設(shè)備故障，降低生產(chǎn)效率，這就需要定期對(duì)螺旋輸送器上的螺旋葉片進(jìn)行檢查維修[2]。

振動(dòng)是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械運(yùn)行中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，轉(zhuǎn)動(dòng)部件質(zhì)量不平衡是引起振動(dòng)最為普遍的原因之一。臥式螺旋離心脫水機(jī)是一種典型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，螺旋輸送器是其中重要的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，螺旋輸送器上的螺旋葉片磨損通常會(huì)引起設(shè)備不正常的振動(dòng)。長(zhǎng)時(shí)間不正常的振動(dòng)會(huì)造成機(jī)組金屬材料疲勞損壞，螺旋輸送器上的緊固件發(fā)生松動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生設(shè)備故障甚至發(fā)生事故。因此，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)是轉(zhuǎn)子在制造、安裝調(diào)試或修理時(shí)必不可少的一個(gè)步驟，在化工行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

1 臥式螺旋離心脫水機(jī)振動(dòng)分析

某污水處理廠(chǎng)日處理污水達(dá)10萬(wàn)噸，采用AAO工藝。近期發(fā)現(xiàn)污泥脫水車(chē)間臥式螺旋離心脫水機(jī)發(fā)生過(guò)大振動(dòng)和異常噪聲，在左右軸承座處測(cè)量發(fā)現(xiàn)其垂直振動(dòng)分別達(dá)到7.37mm/s和8.54mm/s，已超過(guò)我國(guó)規(guī)定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(表1)，必須立即停機(jī)進(jìn)行檢查[3]。

表1 離心分離機(jī)典型振動(dòng)區(qū)域邊界限值

注：Ⅰ類(lèi)——主電機(jī)輸出功率在15kW以下；Ⅱ類(lèi)——主電機(jī)輸出功率在15～75kW之間；Ⅲ類(lèi)——主電機(jī)輸出功率在75kW以上；A——新安裝使用的機(jī)器振動(dòng)區(qū)域；B——該區(qū)域的振動(dòng)值通常被認(rèn)為是合格的，可長(zhǎng)期運(yùn)行； C——該區(qū)域的振動(dòng)值通常被認(rèn)為不適合長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行，需在合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行停車(chē)檢修；D——該區(qū)域的振動(dòng)值通常被認(rèn)為振動(dòng)劇烈，足以引起機(jī)器損壞。

臥式螺旋離心脫水機(jī)一般振動(dòng)是由3個(gè)方面引起的：工藝問(wèn)題、機(jī)械問(wèn)題和電氣問(wèn)題。通過(guò)檢查物料的成分和進(jìn)料速度發(fā)現(xiàn)并無(wú)什么問(wèn)題，首先就可排除工藝問(wèn)題。之后對(duì)電機(jī)振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果并無(wú)過(guò)大振動(dòng)，檢查差速器運(yùn)行狀態(tài)也無(wú)明顯問(wèn)題，可以排除電氣問(wèn)題。那么基本可以確定是由機(jī)械問(wèn)題引起的，筆者決定進(jìn)行拆機(jī)檢查。

離心機(jī)振動(dòng)的機(jī)械問(wèn)題一般是由以下問(wèn)題引起的：軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致軸承出現(xiàn)磨損；螺旋葉片纏繞上雜物、堵塞，引起轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題；基座等固定位置螺栓出現(xiàn)松動(dòng)；螺旋葉片磨損破壞轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡[4]。通過(guò)拆機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)螺旋葉片出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，分析可能是磨損導(dǎo)致不平衡引起的，所以決定對(duì)螺旋輸送器進(jìn)行修補(bǔ)并進(jìn)行動(dòng)平衡處理。

2 螺旋輸送器動(dòng)平衡的必要性

螺旋輸送器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和設(shè)計(jì)參數(shù)直接影響離心機(jī)的生產(chǎn)能力、分離效果和使用壽命[5]。螺旋輸送器一般由螺旋葉片、內(nèi)筒和進(jìn)料室構(gòu)成，并在尾端開(kāi)有進(jìn)料口，加上螺旋葉片的不均勻分布，都會(huì)造成螺旋輸送器各截面質(zhì)量單元的分布不均，進(jìn)而對(duì)螺旋輸送器的動(dòng)平衡效果造成嚴(yán)重影響。因此，在螺旋輸送器安裝前必須進(jìn)行動(dòng)平衡，以免安裝后在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)生劇烈振動(dòng)，發(fā)生安全事故。

在臥式螺旋離心脫水機(jī)的日常運(yùn)轉(zhuǎn)中，螺旋輸送器的螺旋葉片是與沉渣直接接觸并高速旋轉(zhuǎn)，因此通常螺旋葉片會(huì)產(chǎn)生很大的磨損，磨損后造成沉渣濕含量增加，離心機(jī)的工作效率顯著下降。同時(shí)，為了節(jié)能的考慮許多生產(chǎn)廠(chǎng)家加大了螺旋輸送器的長(zhǎng)徑比，這樣就造成設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行螺旋輸送器的軸發(fā)生變形，產(chǎn)生質(zhì)心偏移，因而在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)生振動(dòng)[6]。在一些污水處理廠(chǎng)，由于離心機(jī)用于污水的離心處理，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行之后，螺旋葉片產(chǎn)生銹蝕和結(jié)垢，這些都會(huì)影響螺旋輸送器的質(zhì)量分布，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重的發(fā)生安全隱患。

通常整機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡能很好地解決設(shè)備的振動(dòng)問(wèn)題，但由于葉片磨損、結(jié)垢和銹蝕造成的工作效率降低和原料離心效果的影響并不能得到解決。同時(shí)螺旋輸送器兩個(gè)支承端中間是長(zhǎng)跨距，長(zhǎng)時(shí)間放置容易發(fā)生軸的變形。因此需要對(duì)螺旋輸送器進(jìn)行定期檢查維修，尤其是對(duì)螺旋葉片進(jìn)行修補(bǔ)和對(duì)內(nèi)筒進(jìn)行找正。在修補(bǔ)后安裝回離心機(jī)之前，必須進(jìn)行機(jī)上動(dòng)平衡，因?yàn)榫S修后破壞了螺旋輸送器之前的平衡效果，如果不平衡量過(guò)大，設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，嚴(yán)重的甚至造成設(shè)備損壞，人員傷亡。

3 螺旋輸送器動(dòng)平衡方法

螺旋輸送器作為高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，無(wú)論是在安裝調(diào)試之前還是在維修之后，都需要重新進(jìn)行動(dòng)平衡，在此主要用的是螺旋輸送器機(jī)上動(dòng)平衡技術(shù)。針對(duì)螺旋輸送器的特殊結(jié)構(gòu)，采取低應(yīng)力均衡加重法進(jìn)行雙面動(dòng)平衡。

3.1 支撐位的選取

任何轉(zhuǎn)子在進(jìn)行動(dòng)平衡之前都要確定其支撐位置，通常會(huì)選取轉(zhuǎn)子實(shí)際的軸承位作為動(dòng)平衡的支撐位，但是在一些特殊情況下會(huì)根據(jù)葉輪等分布情況進(jìn)行選取[7]。

螺旋輸送器上分布有螺旋葉片，不能作為支撐位，支撐位置只能選擇靠?jī)啥宋恢谩Ｓ捎谄鋬啥瞬](méi)有軸頸，所以需進(jìn)行配做心軸，以心軸為支撐位置(圖1)。

圖1 螺旋輸送器動(dòng)平衡實(shí)際操作

3.2 平衡面的確定

動(dòng)平衡一般采取雙面平衡法，需要在轉(zhuǎn)子上選取兩個(gè)面作為其平衡面。平衡面的選取一般遵循力臂平衡原理，使兩個(gè)平衡面盡量相距較遠(yuǎn)，以達(dá)到不平衡量較小的目的，通常都選擇轉(zhuǎn)子上的葉輪以方便進(jìn)行去重[8]。

螺旋輸送器沒(méi)有葉輪，因此根據(jù)力臂平衡原理選擇在鼓身上相距較遠(yuǎn)便于操作的兩個(gè)位置確定為平衡面進(jìn)行動(dòng)平衡。

3.3 平衡配重

根據(jù)螺旋輸送器的結(jié)構(gòu)外形，并沒(méi)有明顯適合進(jìn)行打磨處理的位置，通過(guò)動(dòng)平衡機(jī)測(cè)量其不平衡量的大小，一般當(dāng)不平衡量大于30g時(shí)采取平衡加重，當(dāng)不平衡量不足30g時(shí)，可以適當(dāng)?shù)脑谄胶饷嫖恢眠M(jìn)行打磨去重。

當(dāng)對(duì)螺旋輸送器進(jìn)行焊接加重時(shí)，必須考慮對(duì)結(jié)構(gòu)的影響和材料性質(zhì)。螺旋輸送器大多為不銹鋼材料，配重塊在焊接時(shí)一般采用集中熱源在局部加熱,因此會(huì)在螺旋輸送器的焊接區(qū)域上產(chǎn)生不均勻溫度場(chǎng)產(chǎn)生焊接變形[9]。

4 工程應(yīng)用

離心機(jī)的螺旋輸送器主要承擔(dān)著分離任務(wù)，物料經(jīng)過(guò)右端的進(jìn)料口通入輸送器柱身中，再通過(guò)柱身上的分液口進(jìn)入螺旋葉片中，在離心力和螺旋葉片的推力下，液體經(jīng)由左側(cè)排出，固體殘?jiān)鼜挠覀?cè)排出，剖面簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 離心機(jī)運(yùn)行剖面圖

由于離心機(jī)振動(dòng)過(guò)大分離效果減弱，拆機(jī)檢修發(fā)現(xiàn)其右端固體排出口的螺旋葉片磨損比較嚴(yán)重，影響分離效果，決定對(duì)螺旋葉片進(jìn)行修補(bǔ)。此螺旋輸送器全長(zhǎng)2 700mm，重435kg,最大直徑450mm，工作轉(zhuǎn)速2 980r/min。利用304不銹鋼對(duì)磨損嚴(yán)重的螺旋葉片進(jìn)行了修補(bǔ)，為方便動(dòng)平衡校正，在兩端中心位置配備了心軸進(jìn)行支撐。選擇輸送器兩端靠中心兩個(gè)葉片處為平衡面進(jìn)行平衡配重。該轉(zhuǎn)子為剛性轉(zhuǎn)子，在平衡機(jī)上選擇450r/min的速度進(jìn)行平衡測(cè)量，初始不平衡量結(jié)果見(jiàn)表2。

測(cè)量結(jié)果顯示右側(cè)配重面有較大的不平衡量，對(duì)于初始的測(cè)量結(jié)果首先要進(jìn)行試配重，通常采用工業(yè)用膠泥進(jìn)行模擬配重。本次實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)際配重情況將200g膠泥分成了60、80、60g，分別添加在右側(cè)測(cè)量角度的位置和兩邊相距10°左右的距離進(jìn)行了固定，同時(shí)對(duì)左側(cè)不平衡位置添加了30g的配重，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3(轉(zhuǎn)速仍保持450r/min)。

表3 模擬加重后不平衡量

此次測(cè)量發(fā)現(xiàn)右側(cè)不平衡顯著降低，說(shuō)明初始測(cè)量結(jié)果是正確的，同時(shí)選擇的配重量和位置也是準(zhǔn)確的，可以進(jìn)行焊接加重。針對(duì)模擬配重的測(cè)量結(jié)果，分別選取30、60、80、60g不銹鋼塊在之前的位置進(jìn)行焊接。初始焊接采用點(diǎn)焊的方式進(jìn)行固定，敲掉焊渣等溫度恢復(fù)至室溫后測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 平衡配重后不平衡量

測(cè)量結(jié)果顯示不平衡量已明顯降低，動(dòng)平衡目的初步達(dá)成，接下來(lái)對(duì)配重塊進(jìn)行補(bǔ)焊，防止運(yùn)行中發(fā)生脫落。同時(shí)焊接完成后進(jìn)行測(cè)量，對(duì)小范圍的不平衡量進(jìn)行打磨去重，使離心機(jī)的螺旋輸送器的平衡精度達(dá)到要求，最終結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 平衡去重后測(cè)量

根據(jù)最后測(cè)得的結(jié)果，其平衡品質(zhì)等級(jí)已達(dá)到G2.5，低于離心機(jī)螺旋輸送器G6.3的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，平衡完成。

5 結(jié)束語(yǔ)

維修后的螺旋輸送器安裝后首先進(jìn)行了空載運(yùn)行，測(cè)得其軸承位處的垂直振動(dòng)烈度分別為2.56mm/s和3.47mm/s，振動(dòng)明顯減小，達(dá)到國(guó)家規(guī)定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。動(dòng)平衡技術(shù)是臥式螺旋輸送器進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng)必不可少的一種手段，在臥式螺旋輸送器使用說(shuō)明書(shū)上有明確要求。因此動(dòng)平衡技術(shù)在解決離心機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題中有很高的應(yīng)用價(jià)值。

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范志卿(1989-)，助教，從事轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡校正的研究，fanzhiqing001@126.com。

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