船用離心通風機異常振動研究

江 晨，樓京俊，翁雪濤

(海軍工程大學 船舶與動力學院，武漢430033)

某型通風機是艦艇動力系統(tǒng)的關鍵設備，主要作用是為工作的推進電機提供通風冷卻。為保證推進電機的正常工作，必須提供一定量的冷卻空氣。該型風機投入運行時間近10年，風機噪聲有變大的趨勢。尤其是更換了部分斷裂了的風機葉輪葉片之后，風機振動噪聲進一步加劇。因此必須對風機振動噪聲過大的原因進行分析并采取相應降噪措施，以避免對艦艇隱身性能造成顯著影響。

1 風機噪聲產(chǎn)生機理

風機振動與噪聲從來源講主要可分為結構振動噪聲和氣動噪聲兩大類。

1.1 結構噪聲

結構噪聲通常由風機制造安裝工藝和動平衡精度所決定的。通常情況下，由于風機轉(zhuǎn)子的動平衡性能可以做得比較好，因此其結構噪聲是比較小的。但是在故障狀態(tài)下，風機就可能會產(chǎn)生較大的結構噪聲，且其振動特征反映了其相應的故障模式。機械系統(tǒng)振動響應中包含的頻率成分，反映了與之相對應的同頻激振源;而幅值增大了的激勵源，通常也意味著某種故障的存在。因此，利用頻譜分析技術從頻域角度研究機械系統(tǒng)振動響應的頻率構成、頻率成分強度大小及頻率結構的變化，可以為振動故障的識別提供豐富的故障特征信息［1］。常用的頻譜圖有幅值譜、相位譜和功率譜。目前在旋轉(zhuǎn)機械故障診斷領域使用較多的是幅值譜。幅值譜可以提供以下信息:振動信號中主要由哪些頻率成分及諧波分量組成的;組成的諧波分量中哪些成分的幅值最為突出，這提示著和故障的某種聯(lián)系。

1.2 氣動噪聲

風機的氣動噪聲是氣體流動過程中所產(chǎn)生的噪聲，其主要原因是氣體的非定常流動。當風機設計不良或風道中存在缺陷時，流動的氣體中會產(chǎn)生渦流或者速度、壓力等狀態(tài)參數(shù)的突變，誘發(fā)氣體本身的激蕩。激蕩的氣體作用于管道、葉片等結構上時，就會激起這些部位的振動。空氣動力振動直接與氣體在風機中的流動性能有關，因此，改善風機進、排氣管路上氣體流動性能，可以降低風機的振動［2］。氣動噪聲引起的結構噪聲的特點是其振動頻率是結構的固有頻率，往往與軸頻關系不大，但其振動幅值和風量、風速等的相關性很強。

2 風機振動測試

2.1 采集儀器與參考標準

本文研究的風機是離心式風機，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，電機的基頻為f0=N/60=50 Hz。

現(xiàn)場測試采用Econ信號采集分析儀，傳感器采用Dytran壓電式加速度傳感器，靈敏度統(tǒng)一設置為100 mV/g，加速度傳感器通過螺孔連接在環(huán)氧樹脂底座上，底座再通過502膠水固定在測試點上。

風機吊裝在上層甲板上，電機通過橡膠隔振器與安裝支架相連。根據(jù)文獻［3］，該型風機屬于第三類機組:額定功率15～300 kW彈性安裝機組。該類機組烈度評定等級的范圍是B級(正常工作狀態(tài))為1.8～4.5 mm/s;C級(容忍工作狀態(tài)，但必須采取維修措施)為4.5～11.2 mm/s。

2.2 振動測點布置

旋轉(zhuǎn)機械的基本負荷和轉(zhuǎn)軸上的離心力都是通過軸承傳遞的，軸承上零件的故障信息都是傳遞到軸承上的。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，軸承沒有外露部分，因此測點選取在電機自由端和輸出端靠近軸承部位，見圖1。

圖1 風機振動測點布置

振動速度測試結果見表1。

表1 機組振動速度測試結果(1) mm/s

由表1可見，機組上2個部位的振動均有不同程度的超標，其中自由端的振動烈度值為10.5 mm/s，超過振動烈度等級B(由于空間限制，輸出端軸向速度無法測試)。可以判斷風機處于C級狀態(tài)，內(nèi)部可能存在某些故障，需要及時停機檢修。

3 風機噪聲原因分析

風機轉(zhuǎn)速較高，輸出風量大，風壓高，致使風機常出現(xiàn)振動異常現(xiàn)象。造成風機振動的因素很多，在各種振動激勵與傳輸之間又相互制約，相互重疊，致使風機故障的識別工作比較困難。相似的振動現(xiàn)象，可能是由于不同的故障原因引起的，同一類型故障也會導致不同的振動現(xiàn)象［4］。

3.1 結構噪聲分析

3.1.1 機械松動

機械松動是旋轉(zhuǎn)機械比較常見的故障。松動有兩種情況，一種是地腳螺栓連接松動，其結果是引起整個機器的振動;另一種情況是零件之間正常配合被破壞，造成配合間超差引起松動。由松動引起的振動信號的頻率成分相當復雜，除了基頻之外，還產(chǎn)生高次諧波和分頻成分，有時還表現(xiàn)出一些看起來很特殊的頻率成分［5］。由地腳螺栓松動引起的振動方向特征很明顯，表現(xiàn)為垂直方向振動強烈。

從測試結果來看，風機的振動具有機腳螺栓松動的特征。但通過緊固螺栓等措施，未發(fā)現(xiàn)有松動現(xiàn)象，也未能減少振動，排除機械松動這一故障原因。

3.1.2 不平衡

由于制造誤差和使用過程中的磨損等原因，風機轉(zhuǎn)子主軸偏離其旋轉(zhuǎn)軸線，產(chǎn)生不平衡，從而在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生離心力。即使是在較小偏心距情況下的微小偏心質(zhì)量，當軸的轉(zhuǎn)速較高時，其產(chǎn)生的離心力也將對支撐軸承構成顯著的動壓力。轉(zhuǎn)子的不平衡產(chǎn)生的振動頻率與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率相同［6］。

除此之外，不平衡振動還會激起其他一些弱小的頻率成分。不平衡振動所產(chǎn)生的離心力垂直于轉(zhuǎn)子軸線，因此在徑向上的振動大于軸向上的振動。風機在水平方向上的剛度最小，由不平衡而產(chǎn)生的激勵力在水平方向反應最強烈。

圖2是電機輸出端的水平方向振動頻譜圖。可以看出，頻譜中軸頻分量f0非常大，符合轉(zhuǎn)子不平衡的特征，說明風機轉(zhuǎn)子平衡性不好。該風機使用時間較長，可能因為軸承磨損或葉片破壞導致質(zhì)量分布不平衡。

圖2 輸出端水平方向振動頻譜

3.1.3 不對中

不對中也是風機的常見故障，大多發(fā)生在聯(lián)軸器部位。軸系轉(zhuǎn)子之間不對中分為平行不對中、角度不對中、組合不對中等幾種形式，其動態(tài)特性比較復雜。平行不對中主要是會激起2倍轉(zhuǎn)頻，角度不對中則表現(xiàn)為基頻振動突出，他們的共同特點是都會產(chǎn)生高次諧波振動。當轉(zhuǎn)子同時存在較明顯的不平衡時，f0與2f0會同時出現(xiàn)峰值。其原因有軸承安裝傾斜或偏心，聯(lián)軸器安裝不當，聯(lián)軸器與軸承配合不好，聯(lián)軸器零件磨損、松動等［7］。

圖3顯示了輸出端垂向振動頻譜，具有典型的不對中的特征。由圖3可見，在電機輸出端垂直方向基頻與2倍頻振幅比較明顯，而且2倍頻處的振幅接近于基頻振幅，由此可以判斷該機組除存在不平衡問題外，還存在不對中問題。

圖3 輸出端垂向振動頻譜

3.2 氣動噪聲分析

離心風機內(nèi)部流場是三維非定常流場，應求解具有延遲時間、包含三維流速影響的非齊次波動方程，得到旋轉(zhuǎn)葉輪產(chǎn)生的氣動聲場［8］。y(r，θ，z)表示點源，x(r'，θ'，z')表示觀察點，聲速c恒定。通過求解廣義的格林函數(shù)，得到離心風機葉輪的氣動聲學基本公式為

式中:v＇n為法向速度在葉片法向方向上的投影。其右端第1項為流體體積位移產(chǎn)生的聲音，是單極子源;第2項為作用在流體邊界上脈動力產(chǎn)生的聲音，屬于偶極子源;第三項代表體積源產(chǎn)生的聲音，是四極子源。對于二維薄板葉片，有v＇n=0，即上式右端第一項為零，原方程可簡化為

由式(2)知，在離心風機的氣動噪聲中，起主要作用的是偶極子源和四極子源。從噪聲產(chǎn)生機理來講，與之對應的離心風機氣動噪聲主要是渦流噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲。

因為葉片的存在使得蝸殼內(nèi)的定常流動的氣體狀態(tài)并不是均勻一致的，而是存在某種穩(wěn)定的分布，且這種分布在蝸殼內(nèi)隨著葉片而旋轉(zhuǎn)。這種不均勻的氣流，作用在蝸殼上形成了壓力隨時間的脈動，即形成了旋轉(zhuǎn)噪聲，旋轉(zhuǎn)噪聲的頻率不是軸頻而是高得多的葉頻。渦流噪聲則是氣體的非定常流動引起壓力脈動所造成的［9］。氣動噪聲的共同特征是其大小與風量有很大關系。

在葉輪進風口與進口集流器之間有一定的間隙，部分空氣可以從間隙排出，因而可以控制風機的進風量。葉輪進風口與進口集流器之間的間隙是影響風機旋轉(zhuǎn)噪聲大小的重要因素，并對流量和風壓也有較大的影響，間隙增大則噪聲明顯降低［10］。為了加強風機葉輪的強度，換裝上的新葉輪厚度比舊葉輪有所增加，導致進風口與進口集流器之間的間隙變小，實際運行的流量過大。風機流量過大可能導致振動噪聲過大。

為了驗證該分析，在不改變軸的轉(zhuǎn)速的情況下，采取措施改變風量，測試振動噪聲。①用擋板堵住部分進風口(封堵面積約為40%、50%);②將風機進口集流器拆除。在這兩種情況下分別測試風機實際運行時的電流和振動速度，測試結果見表2。

表2 機組振動速度測試結果(2) mm/s

由表2可見，采取措施使風機實際運行流量變小之后，風機的振動明顯降低。

此外，通過查閱相關資料，該型風機運行在額定工況時，流量為10 000 m3/h，全壓為2 600 Pa，額定輸入功率約為10 kW。現(xiàn)場測試風機運行時的電流為57 A，電壓為240 V，估算得到電機功率為13.68 kW，大于額定輸入功率，因此實際風量大于設計所需風量。

通過以上分析可以得出，風機的實際運行工況偏離額定工況點，引起風機進口堵塞，是導致風機整機振動過大的原因之一。

3.3 故障分析

綜上所述，通風機振動過大是由葉片動平衡不好、機組軸安裝不對中和風機進口堵塞這三個方面因素綜合造成的。通風機的檢修要從這三個方面著手。

4 措施和效果

1)在電機自由端軸承的凹槽內(nèi)加平衡質(zhì)量塊，換上新的葉輪;

2)拆除聯(lián)軸器螺栓，打表檢驗后，發(fā)現(xiàn)電機軸與風機軸確實為平行不對中，重新進行對中;

3)調(diào)整葉輪進風口與進口集流器的間隙，增大約2 mm。

機組經(jīng)檢修后，其振動烈度值滿足GB11347—89中規(guī)定的可長期運行的要求，即Vrms≤4.5 mm/s。

［1］楊志伊，鄭 文.設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷［M］.北京:中國計劃出版社，2006.

［2］付澤民.船用風機不穩(wěn)定振動研究［J］.江蘇船舶，2000(5):15-17.

［3］國家技術監(jiān)督局.GB11347—89大型旋轉(zhuǎn)機械振動烈度現(xiàn)場測量與評定的標準［S］.1989.

［4］楊 洪.基于小波分析的韶鋼4號風機故障診斷子系統(tǒng)的研究［D］.長沙:中南大學，2007.

［5］劉曉波.風機故障監(jiān)測與智能系統(tǒng)的研究與制作［D］.武漢:武漢科技大學，2007.

［6］鄧宏光，鄭 文.基于頻譜分析的煉油除塵風機故障診斷［J］.風機技術，2009(3):77-79.

［7］喬文生，孫曉波.利用現(xiàn)場動平衡技術提高企業(yè)設備維修效率［J］.風機技術，2002(2):56-57.

［8］劉國丹，王 剛，曹志坤，等.多翼離心風機噪聲控制方案的優(yōu)化研究［J］.噪聲與振動控制，2007(2):123-127.

［9］施 引，朱石堅，何 琳.船舶動力機械噪聲及其控制［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1990.

［10］錢網(wǎng)生，裴漢民.船用風機降噪設計研究［J］.艦船科學技術，1996(1):50-54.