離心風機振動干擾問題分析

【摘 要】通過對離心風機振動干擾力的分析，闡述了振動干擾力在穩定的狀態下和離心風機系統處于彈性形變的范圍之內，是離心風機進行動平衡的前提條件。啟發對現場離心風機的不同振動情況進行分析，從而實現有效動平衡。

【關鍵詞】離心式通風機；振動；動平衡

0.引言

離心風機的振動是用戶和制造廠家共同關注的問題。振動超標，會使軸承溫度上升，磨損加劇，嚴重的還會使地腳螺栓斷裂，軸承箱體開裂，甚至會使葉輪開裂和解體。減小振動的最好辦法是進行動平衡：葉輪平衡和整機動平衡。為什么葉輪在動平衡機上達到標準，還要進行整機動平衡，因為風機的振動是由周期性的干擾力產生。根據機械振動的公式：X=-F/K，在彈性形變范圍之內，振動的大小X與干擾力F成正比，與系統的剛性K成反比。

1.風機所受的主要干擾力

風機運行時受到空間力系的作用。在這一力系中，不做周期性變化的力，不產生干擾力，如重力、軸承座對軸承的反作用力等等，它們稱為靜反力。周期性的干擾力稱為動反力。周期性干擾力包括3種。

1.1偏心干擾力

由于制造誤差和材料不均勻等因素，使葉輪的質心不在葉輪的圓心上，有一個偏移量e（e=OP，方向從O到P）。就使得葉輪運轉時產生一個離心力，也叫偏心干擾力。假設葉輪轉子的質量為m，角速度為ω，則偏心干擾力F=meω。而ω=nπ/30。

例m=5000kg

e=0.02mm=0.02×10-3m

n=980r/min

則F=5000×0.02×10-3×（[980×π）/30]2

≈1053.2N

干擾力F還是相當大的。

葉輪在平衡床上做動平衡配重，實際上是對葉輪的重心進行調整，使重心盡量處在軸線上。但在平衡床上做動平衡配重存在 3 點不足（無論是單面還是雙面）：（1）平衡床的轉速一般只有幾百轉，與實際使用時有很大的差距；（2）葉輪在平衡床做動平衡配重，受空氣阻力的影響。如果是在真空和失重狀態下做動平衡配重，葉輪的重心偏移量可以做得更小一些；（3）動平衡方式的不同，使動平衡余量不同。如平衡床上是F型傳動做的，風機可能是D型傳動的。這樣，葉輪的質心不可能完全在葉輪的幾何圓心上。

1.2 氣動干擾力

同樣，由于制造誤差和材料不均勻等原因，風機運行時，氣流作用在各葉片及葉輪各部位的作用力就不一樣，無法使它的合力等于零。這樣，就產生了氣動干擾力，主要有：

1.2.1 葉片的差異引起干擾力

葉輪在制造時是存在誤差的，如各葉片的角度、方向、輪盤及輪蓋的間隙都可能存在差異。由于生產上差異的存在，運行時各葉片所受到的氣體反作用力之和不等于零，即∑F=F1+F2+F3+…+Fn≠0， 就產生了氣動干擾力。氣動干擾力隨轉速、風量的增大而增大。

1.2.2 輪盤、輪蓋的晃動干擾

輪盤、輪蓋的端面跳動要控制在一定的要求內，目的就是要減小因晃動產生的干擾。輪盤、輪蓋的晃動將會在軸向產生周期性的干擾力，通過空氣的傳動，機殼也會產生振動。

1.2.3 反饋氣流的干擾力

風機的葉輪與集流器（進風口）之間有一定的間隙，該間隙的存在，就使一部分氣流回流。這部分氣流可以叫做反饋氣流。反饋氣流的穩定與否，也將影響風機的振動。所以，安裝時要求葉輪與進風口之間四周的間隙均勻，重疊量要保證，目的就是使反饋氣流最小并穩定，以減小風機的振動。一般來說，反饋氣流越小，風機功效越高，反之風機功效就低。

1.2.4 機殼內壓力分布差異

葉輪運行時，向四周輸送的風量是一樣的，但受機殼的限制，風只能向一個方向移動。因機殼各部位的空氣壓力不一樣。如果風機在平穩狀態下運行時，風機內的壓力分布就比較穩定，對風機的振動干擾比較小。但隨著運行情況的改變，如轉速、風門開度等，都會使風機內的壓力分布產生變化，從而引起振動變化。這就是為什么改變風門、轉速時振動會增大或減小的原因之一。該干擾存在于運行狀態情況的變化之中。

1.3偏心干擾力和氣動干擾力的疊加與消除

葉輪在平衡床上以一定的轉速（低速）做動平衡， 每個葉輪都達到了標準，使氣動干擾力和偏心干擾力都減小到標準的要求。但這個不平衡余量，實際上是偏心干擾力和氣動干擾力合力的體現；因而，無法知道偏心干擾力和氣動干擾力各自的大小和方向。當風機實際高速運行時，偏心干擾力和氣動干擾力也隨著增大。如果這兩個力的夾角不大于 120°或小于240°，則合力大于這兩個分力，這樣的葉輪裝機運行，振動就很大；如果這兩個力的夾角大于120°且小于240°，則合力小于這兩個分力，這樣的葉輪裝機運行，振動就較小。

所以，振動大的，還要進行整機動平衡。這樣，我們就可以知道， 葉輪在平衡床上進行了動平衡，每只葉輪都達到了標準。為什么還要進行整機動平衡？我們就可以解析， 葉輪裝機之后開機，有的一試就好；有的振動很大，要配重；有的葉輪與機殼的位置做一定的移動，振動也會好一些，而對大型風機，最好的辦法是進行葉輪超速動平衡。

對于葉輪轉子來說，運行條件一定，它的干擾合力也穩定。對于F型傳動的風機，有人曾用合力的疊加和消除來減小振動。利用同心度誤差干擾力和轉子干擾力相互抵消來減小振動。

2.材料剛性對振動的影響

（1）長期處于振動超標的情況下運行，會引起材料剛性的下降。（2）風機振動超標，底座剛性太好，會引起軸承箱體的開裂。（3）風機試車時，有時會碰到這樣的情況：風機轉速漸漸增加，在某個轉速下，振動一直良好，當超過這個轉速時，振動突然明顯增大。這就是風機的材料彈性形變引起干擾力的躍變。風機隨轉速的增加，離心力也隨著增加，當離心力增加到一定程度，終于引起了葉片、主軸等的明顯的彈性形變，從而引起了偏心量的增加，偏心干擾力也明顯增大；由于葉片、主軸等產生明顯的彈性形變，葉片與氣流的作用力也產生了改變，即氣動干擾力也產生了改變。當運行狀態穩定后，干擾力處于穩定，又可以進行動平衡。這時的平衡，是對彈性形變引起的干擾力進行平衡。但這種平衡的風機往往會產生這樣的啟動情況：剛啟動時，振動不大；到某個程度時，振動特別大；風機運行后，振動又不大。

3.關于風機的對中

風機的對中與不對中，一般認為符合安裝要求的為對中。但我們可以進一步的擴展：風機的振動是空間力系綜合作用的結果，也可以簡化為“質量-彈簧系”的振動，這種振動產生的形變，在彈性形變范圍內的，我們都可以稱之為對中，反之為不對中。判斷風機的振動形變是否運行在彈性形變范圍內，與“質量-彈簧系”相比，要復雜的多。聯軸器同心度誤差、水平度誤差偏大，地腳螺栓及其它固定螺栓松動，軸承損壞，水泥基礎剛性不夠，葉輪材料疲勞等。這些都可能使風機（整體）的振動不在彈性形變范圍內。現場動平衡難做，主要在如何判斷風機是否運行在彈性形變范圍內。了解了風機葉輪的受力情況，同時又能夠判斷風機振動的形變是否運行在彈性形變范圍內，使現場做動平衡也相對簡單。

4.結論

風機的動平衡首要的條件是風機要運行在彈性形變范圍之內，其次是振動干擾力要在穩定的狀態下。在這樣的條件下，初始的振動數據和試重振動數據才是可靠、可用的，風機系統復雜的空間力系才可以簡化為“質量-彈簧系”，符合X=-F/K的要求，風機的動平衡也就變得容易和簡單了。

【參考文獻】

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