轉(zhuǎn)爐煤氣回收除塵風(fēng)機(jī)軸向振動(dòng)原因分析

翁萬卿 馬克

（寧波鋼鐵有限公司 浙江 寧波 315807）

1 前言

轉(zhuǎn)爐在煉鋼過程中產(chǎn)生大量煙塵，煙塵的主要成分是轉(zhuǎn)爐煤氣和灰塵。轉(zhuǎn)爐煙氣凈化回收系統(tǒng)稱之為一次除塵系統(tǒng)，是用于將煙塵進(jìn)行冷卻、凈化、除塵處理，并對(duì)符合回收條件的轉(zhuǎn)爐煤氣進(jìn)行回收，對(duì)不符合回收條件的廢氣對(duì)空進(jìn)行排放［1］。寧波鋼鐵有限公司煉鋼廠轉(zhuǎn)爐煤氣回收系統(tǒng)安裝有3臺(tái)一次除塵風(fēng)機(jī)，其工藝流程為：轉(zhuǎn)爐冶煉過程中產(chǎn)生的大量高溫?zé)煔?，?jīng)汽化煙道進(jìn)入一次蒸噴塔噴水冷卻和初次除塵，再經(jīng)過上升管進(jìn)入二次蒸噴塔進(jìn)行二次除塵，最后經(jīng)過文氏管、下降管進(jìn)入脫水器，凈化和干燥后的煙氣經(jīng)過一次風(fēng)機(jī)進(jìn)入轉(zhuǎn)爐煤氣柜或者放散塔。

一次除塵風(fēng)機(jī)是轉(zhuǎn)爐煙氣凈化回收系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備，是凈化回收系統(tǒng)的動(dòng)力中樞，該風(fēng)機(jī)是按照德國(guó)TLT公司引進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)制造的單吸離心風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)主要由轉(zhuǎn)子、機(jī)殼、軸承座、滑動(dòng)軸承、潤(rùn)滑油箱、水冷系統(tǒng)、閥門、高位油箱等組成，其中滑動(dòng)軸承為強(qiáng)制潤(rùn)滑，由獨(dú)立的稀油站供油。風(fēng)機(jī)使用剛性轉(zhuǎn)子，與電機(jī)之間采用膜片聯(lián)軸器連接。該風(fēng)機(jī)由防爆電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，防爆電動(dòng)機(jī)使用變頻調(diào)速，額定電壓為10kV，額定功率為3000kW，額定最高轉(zhuǎn)速為1480r／min，如圖1所示。

圖1 一次除塵風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

該風(fēng)機(jī)原兩側(cè)軸承座內(nèi)為滑動(dòng)軸承，內(nèi)安裝有軸瓦，每次更換軸瓦時(shí)需要對(duì)軸瓦進(jìn)行研刮，刮瓦不僅需要的加工時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且對(duì)研刮工人技能要求高，需要有豐富操作經(jīng)驗(yàn)。為了日常安裝方便，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)備的穩(wěn)定性，達(dá)到運(yùn)行可靠的目的，經(jīng)過多次調(diào)研于考察，公司決定對(duì)軸瓦和軸承座進(jìn)行改造性維修，將該軸瓦改成免刮瓦的結(jié)構(gòu)型式。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)爐修情況，2021年5月份，對(duì)1＃風(fēng)機(jī)進(jìn)行了改造性維修。

2 存在問題

設(shè)備改造后對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了試運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承座軸向振動(dòng)較大，如表1所示，當(dāng)風(fēng)機(jī)試機(jī)轉(zhuǎn)速在1150r／min以下時(shí)，軸向振動(dòng)基本隨轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)性增加；當(dāng)轉(zhuǎn)速超過1200r／min后，軸向振動(dòng)呈現(xiàn)較為明顯的增加。經(jīng)測(cè)量，當(dāng)轉(zhuǎn)速在1250r／min時(shí)，軸向振動(dòng)達(dá)到6.0mm／s。試機(jī)期間具體有以下4個(gè)表現(xiàn)。

表1 除塵風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速-振動(dòng)圖

1）轉(zhuǎn)速增加后，振動(dòng)值徑向和軸向都明顯增加；

2）轉(zhuǎn)速升到1150r／min后，軸向振動(dòng)增加更為明顯；

3）驅(qū)動(dòng)端軸向振動(dòng)遠(yuǎn)大于徑向振動(dòng)值；

4）振動(dòng)峰值1倍頻特征明顯。

3 原因分析

3.1 原因排查

風(fēng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的原因主要有：軸承異常、軸承座基礎(chǔ)剛度不夠、油膜振蕩、對(duì)中問題、電機(jī)磁力中心線問題、轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子彎曲、地腳螺栓松動(dòng)等［2］，針對(duì)一次風(fēng)機(jī)軸承座軸向振動(dòng)異?，F(xiàn)象，結(jié)合風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，對(duì)振動(dòng)原因進(jìn)行排查。

3.1.1 對(duì)中不理想

不對(duì)中故障是指轉(zhuǎn)子之間存在偏移或者傾斜［3］。根據(jù)該風(fēng)機(jī)的維修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，該聯(lián)軸器的對(duì)中要求為徑向控制在0.05mm以內(nèi)，端面控制在0.34mm以內(nèi)。

經(jīng)過對(duì)安裝過程記錄表核查發(fā)現(xiàn)，徑向和端面對(duì)中數(shù)據(jù)都控制在允許范圍內(nèi)?？紤]到該聯(lián)軸器為膜片聯(lián)軸器，其具有一定的補(bǔ)償量，允許的偏差也要比維修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)大，因此可以排除對(duì)中原因引起。再者從頻譜分析來看，振動(dòng)峰值1倍頻特征明顯，而當(dāng)轉(zhuǎn)子對(duì)中不良時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生周期性變動(dòng)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一周變動(dòng)2次，因而其振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的2倍，故會(huì)產(chǎn)生2倍頻，與現(xiàn)場(chǎng)頻譜分析不符，也可以排除對(duì)中原因。

3.1.2 電機(jī)磁力中心線不重合

排除對(duì)中原因，對(duì)電機(jī)也進(jìn)行可能的原因分析。若電機(jī)磁力中心線不重合，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的軸向竄動(dòng)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)，進(jìn)而引起軸承座軸向振動(dòng)大。

現(xiàn)場(chǎng)試車時(shí)進(jìn)行了多次啟停，若為磁力中心線不重合引起，那么在停機(jī)的瞬間，電機(jī)失電后，磁力中心線不重合引起的軸向竄動(dòng)會(huì)消失。但現(xiàn)場(chǎng)停機(jī)瞬間，軸承座軸向振動(dòng)大并未消失和減小，由此排除電機(jī)磁力中心線問題。

3.1.3 軸承座裝配不良

一次風(fēng)機(jī)軸承座安裝控制尺寸主要為兩側(cè)軸承座的水平度、兩側(cè)軸承座的中心線偏差、瓦背的預(yù)緊力、軸瓦的側(cè)隙和頂隙等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，查閱安裝過程記錄表，整個(gè)安裝過程按要求進(jìn)行，均符合標(biāo)準(zhǔn)，在試車過程中若軸瓦和軸存在摩擦，特征頻率主要以1倍頻為主，停機(jī)對(duì)軸承座軸瓦開蓋復(fù)查，未發(fā)現(xiàn)由摩擦痕跡。因此排除因軸承安裝不當(dāng)引起的振動(dòng)。

3.1.4 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡

該轉(zhuǎn)子為改造前的舊轉(zhuǎn)子，若該轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不平衡類故障時(shí)，其振動(dòng)特征一般表現(xiàn)為：在一段時(shí)間內(nèi)，振值呈緩慢上漲的趨勢(shì)，偶爾還會(huì)有小幅跳變（向上或向下）的現(xiàn)象；變化的特征頻率主要以1倍頻為主，1倍頻相位隨之同步小幅變化。試機(jī)時(shí)的現(xiàn)象為軸向振動(dòng)遠(yuǎn)比水平振動(dòng)大，軸向振動(dòng)增加明顯，由此排除該現(xiàn)象不僅僅是轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡原因引起。

3.1.5 轉(zhuǎn)子彎曲

轉(zhuǎn)子彎曲是指轉(zhuǎn)子的中心線處于不直狀態(tài)，它是由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不合理、制造誤差大、材質(zhì)不均勻、轉(zhuǎn)子長(zhǎng)期存放不當(dāng)而發(fā)生永久性的彎曲變形，或是熱態(tài)停車時(shí)未及時(shí)盤車或盤車不當(dāng)、轉(zhuǎn)子的熱穩(wěn)定性差、長(zhǎng)期運(yùn)行后軸的自然彎曲加大等原因所造成。

若轉(zhuǎn)子彎曲時(shí)通常都會(huì)產(chǎn)生很大的徑向振動(dòng)和軸向振動(dòng)，如果彎曲位于轉(zhuǎn)軸中央附近，支承轉(zhuǎn)子的兩個(gè)軸承上的軸向振動(dòng)主要呈1倍頻分量，如果彎曲位于聯(lián)軸器附近或懸臂式支撐轉(zhuǎn)子的外伸端產(chǎn)生彎曲時(shí)，則可能產(chǎn)生較大的2倍頻振動(dòng)分量。此外，轉(zhuǎn)子彎曲時(shí)一般會(huì)在一階臨界轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生較大的徑向振動(dòng)。

但在試運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)現(xiàn)水平振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化不明顯，軸向振動(dòng)值變化卻較為明顯。故可以排除轉(zhuǎn)子彎曲不是主因。

3.1.6 地腳螺栓松動(dòng)

現(xiàn)場(chǎng)軸承座地腳螺栓、中分面螺栓若松動(dòng)，也會(huì)引起振動(dòng)過大現(xiàn)象，這種螺栓松動(dòng)引起的振動(dòng)頻譜應(yīng)為2倍頻，現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)是1倍頻，故可以排除螺栓松動(dòng)原因引起。另螺栓松動(dòng)后的振動(dòng)主要體現(xiàn)在垂直方向上，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)振，垂直方向振動(dòng)并不大。由此排除螺栓松動(dòng)原因。

3.1.7 油膜振蕩

二階轉(zhuǎn)速時(shí)才會(huì)油膜振蕩，該現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速最高1480r／min，遠(yuǎn)達(dá)不到二階轉(zhuǎn)速，故可以排除油膜振蕩原因引起。

3.2 轉(zhuǎn)子受力分析

該離心風(fēng)機(jī)介質(zhì)為空氣，通常計(jì)算該類風(fēng)機(jī)的軸向力時(shí)取轉(zhuǎn)子前后盤的流體靜壓產(chǎn)生的軸向力和流體在吸風(fēng)口進(jìn)入轉(zhuǎn)子而產(chǎn)生的沖刷力之和?？紤]該介質(zhì)為空氣，此處忽略介質(zhì)沖刷產(chǎn)生的軸向力。風(fēng)機(jī)葉輪后盤外側(cè)的受力面積大于前盤，后盤軸壓力p2大于前盤壓力p1，如圖2所示。通過簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算，可以看出葉輪產(chǎn)生一個(gè)由后盤向前盤方向的軸向推力，該軸向力指向自由側(cè)。過大的軸向推力會(huì)增加主軸承的軸向負(fù)荷，使主軸承在較大負(fù)荷下運(yùn)行，這就容易加大轉(zhuǎn)子的軸向振動(dòng)。

圖2 一次除塵轉(zhuǎn)子受力及結(jié)構(gòu)圖

式中：F1—前盤軸向力，N；

F2—后盤軸向力，N；

p1—前盤壓力，Pa；

p2—后盤壓力，Pa；

d1—吸風(fēng)口直徑，mm；

d2—葉輪直徑，mm。

3.3 原因確定

經(jīng)過上述對(duì)設(shè)備和現(xiàn)象的介紹，以及原因分析及排除，可以確定：

1）測(cè)量時(shí)對(duì)軸承座底部、中部、上部逐步進(jìn)行了檢測(cè)，三個(gè)部位的振幅不一樣，上部大，底部小，可以得出軸承座單薄加劇了上部的軸向振幅。

2）水平振動(dòng)值的變化與臨時(shí)轉(zhuǎn)子撓度的特征相符，說明轉(zhuǎn)子存在一定的弓形擾度問題，水平振動(dòng)主要由轉(zhuǎn)子變形引起。

3）軸承座軸向振動(dòng)大和隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的情況看，與軸承座剛性差的振動(dòng)特征相符。

另外，現(xiàn)場(chǎng)在驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承座底部中間位置發(fā)現(xiàn)墊片未墊足，加上0.10mm墊片后，軸向振動(dòng)有所改善，但再次檢測(cè)軸承座瓦枕過盈量時(shí)發(fā)現(xiàn)，過盈量已由先前安裝時(shí)的0.12mm變成了0.18mm，說明軸承座中間加上墊片后，軸承座出現(xiàn)變形現(xiàn)象，變形后瓦枕過盈量出現(xiàn)了變化，這也從側(cè)面反應(yīng)出軸承座剛度不足、過于單薄。

4 處理措施

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試機(jī)、討論、排除法以及頻譜分析，找出了該OG系統(tǒng)一次風(fēng)機(jī)軸承座軸向振動(dòng)大原因?yàn)檩S承座剛度不足、軸承座結(jié)構(gòu)單薄引起，這與試機(jī)時(shí)的頻譜分析現(xiàn)象吻合。

經(jīng)與該軸承座制造與設(shè)計(jì)廠家進(jìn)一步交流分析，確認(rèn)了軸承座原因：軸承座底板單薄，不是整體的底板，底板中間存在空缺，軸承座壁厚不足，如圖3所示。

圖3 一次除塵風(fēng)機(jī)加強(qiáng)前軸承座結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)專業(yè)廠家對(duì)該軸承座的重新設(shè)計(jì)與鑄造，將軸承座底板改造為一體式整體底板，在軸承座內(nèi)外部增加了加強(qiáng)筋，增加了剛度與強(qiáng)度，如圖4所示。

圖4 一次除塵風(fēng)機(jī)加強(qiáng)后軸承座結(jié)構(gòu)圖

上機(jī)后對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了試機(jī)，風(fēng)機(jī)1250r／min時(shí)，軸向振動(dòng)達(dá)到1.28mm／s，振動(dòng)值一直穩(wěn)定在該數(shù)值附近，風(fēng)機(jī)穩(wěn)定了下來，OG系統(tǒng)得到了正常運(yùn)行，保證了生產(chǎn)的順利進(jìn)行。