動平衡技術(shù)在臥螺離心機振動問題中的應(yīng)用

范志卿 傅樹霞 李 寧

(廣東石油化工學(xué)院 a.機電工程學(xué)院；b.廣東省石化裝備故障診斷重點實驗室)

動平衡技術(shù)在臥螺離心機振動問題中的應(yīng)用

范志卿1a傅樹霞b李 寧a

(廣東石油化工學(xué)院 a.機電工程學(xué)院；b.廣東省石化裝備故障診斷重點實驗室)

針對某污水處理廠臥式螺旋離心脫水機出現(xiàn)的振動和異常噪聲問題進行了研究，通過拆機檢查發(fā)現(xiàn)臥式螺旋脫水機的螺旋輸送器葉片發(fā)生了較大磨損，分析表明振動主要由螺旋輸送器磨損造成的不平衡引起。對螺旋輸送器葉片維修后進行了動平衡校正，裝機后振動明顯減小，達(dá)到安全運行標(biāo)準(zhǔn)。

臥式螺旋離心機 螺旋輸送器 振動 動平衡

臥式螺旋離心脫水機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)用于污水處理廠中[1]。由于臥螺離心機是連續(xù)性操作，處理量大，在應(yīng)用中會造成螺旋葉片的嚴(yán)重磨損，螺旋葉片磨損后,通常會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，這就需要定期對螺旋輸送器上的螺旋葉片進行檢查維修[2]。

振動是轉(zhuǎn)動機械運行中的一項重要指標(biāo)，轉(zhuǎn)動部件質(zhì)量不平衡是引起振動最為普遍的原因之一。臥式螺旋離心脫水機是一種典型的旋轉(zhuǎn)機械，螺旋輸送器是其中重要的轉(zhuǎn)動部件，螺旋輸送器上的螺旋葉片磨損通常會引起設(shè)備不正常的振動。長時間不正常的振動會造成機組金屬材料疲勞損壞，螺旋輸送器上的緊固件發(fā)生松動，進而產(chǎn)生設(shè)備故障甚至發(fā)生事故。因此，轉(zhuǎn)子動平衡技術(shù)是轉(zhuǎn)子在制造、安裝調(diào)試或修理時必不可少的一個步驟，在化工行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用價值。

1 臥式螺旋離心脫水機振動分析

某污水處理廠日處理污水達(dá)10萬噸，采用AAO工藝。近期發(fā)現(xiàn)污泥脫水車間臥式螺旋離心脫水機發(fā)生過大振動和異常噪聲，在左右軸承座處測量發(fā)現(xiàn)其垂直振動分別達(dá)到7.37mm/s和8.54mm/s，已超過我國規(guī)定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(表1)，必須立即停機進行檢查[3]。

表1 離心分離機典型振動區(qū)域邊界限值

注：Ⅰ類——主電機輸出功率在15kW以下；Ⅱ類——主電機輸出功率在15～75kW之間；Ⅲ類——主電機輸出功率在75kW以上；A——新安裝使用的機器振動區(qū)域；B——該區(qū)域的振動值通常被認(rèn)為是合格的，可長期運行； C——該區(qū)域的振動值通常被認(rèn)為不適合長期持續(xù)運行，需在合適的時機進行停車檢修；D——該區(qū)域的振動值通常被認(rèn)為振動劇烈，足以引起機器損壞。

臥式螺旋離心脫水機一般振動是由3個方面引起的：工藝問題、機械問題和電氣問題。通過檢查物料的成分和進料速度發(fā)現(xiàn)并無什么問題，首先就可排除工藝問題。之后對電機振動進行測量，結(jié)果并無過大振動，檢查差速器運行狀態(tài)也無明顯問題，可以排除電氣問題。那么基本可以確定是由機械問題引起的，筆者決定進行拆機檢查。

離心機振動的機械問題一般是由以下問題引起的：軸承潤滑系統(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)動問題；基座等固定位置螺栓出現(xiàn)松動；螺旋葉片磨損破壞轉(zhuǎn)子動平衡[4]。通過拆機檢查發(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，所以決定對螺旋輸送器進行修補并進行動平衡處理。

2 螺旋輸送器動平衡的必要性

螺旋輸送器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇和設(shè)計參數(shù)直接影響離心機的生產(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)筒和進料室構(gòu)成，并在尾端開有進料口，加上螺旋葉片的不均勻分布，都會造成螺旋輸送器各截面質(zhì)量單元的分布不均，進而對螺旋輸送器的動平衡效果造成嚴(yán)重影響。因此，在螺旋輸送器安裝前必須進行動平衡，以免安裝后在高速運轉(zhuǎn)中發(fā)生劇烈振動，發(fā)生安全事故。

在臥式螺旋離心脫水機的日常運轉(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產(chǎn)生很大的磨損，磨損后造成沉渣濕含量增加，離心機的工作效率顯著下降。同時，為了節(jié)能的考慮許多生產(chǎn)廠家加大了螺旋輸送器的長徑比，這樣就造成設(shè)備長時間運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)備運轉(zhuǎn)中發(fā)生振動[6]。在一些污水處理廠，由于離心機用于污水的離心處理，長時間運行之后，螺旋葉片產(chǎn)生銹蝕和結(jié)垢，這些都會影響螺旋輸送器的質(zhì)量分布，進而產(chǎn)生振動，嚴(yán)重的發(fā)生安全隱患。

通常整機的現(xiàn)場動平衡能很好地解決設(shè)備的振動問題，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。同時螺旋輸送器兩個支承端中間是長跨距，長時間放置容易發(fā)生軸的變形。因此需要對螺旋輸送器進行定期檢查維修，尤其是對螺旋葉片進行修補和對內(nèi)筒進行找正。在修補后安裝回離心機之前，必須進行機上動平衡，因為維修后破壞了螺旋輸送器之前的平衡效果，如果不平衡量過大，設(shè)備在啟動時將產(chǎn)生強烈的振動，嚴(yán)重的甚至造成設(shè)備損壞，人員傷亡。

3 螺旋輸送器動平衡方法

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

3.1 支撐位的選取

任何轉(zhuǎn)子在進行動平衡之前都要確定其支撐位置，通常會選取轉(zhuǎn)子實際的軸承位作為動平衡的支撐位，但是在一些特殊情況下會根據(jù)葉輪等分布情況進行選取[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兩端位置。由于其兩端并沒有軸頸，所以需進行配做心軸，以心軸為支撐位置(圖1)。

圖1 螺旋輸送器動平衡實際操作

3.2 平衡面的確定

動平衡一般采取雙面平衡法，需要在轉(zhuǎn)子上選取兩個面作為其平衡面。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行去重[8]。

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

3.3 平衡配重

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

當(dāng)對螺旋輸送器進行焊接加重時，必須考慮對結(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，配重塊在焊接時一般采用集中熱源在局部加熱,因此會在螺旋輸送器的焊接區(qū)域上產(chǎn)生不均勻溫度場產(chǎn)生焊接變形[9]。

4 工程應(yīng)用

離心機的螺旋輸送器主要承擔(dān)著分離任務(wù)，物料經(jīng)過右端的進料口通入輸送器柱身中，再通過柱身上的分液口進入螺旋葉片中，在離心力和螺旋葉片的推力下，液體經(jīng)由左側(cè)排出，固體殘渣從右側(cè)排出，剖面簡圖如圖2所示。

圖2 離心機運行剖面圖

由于離心機振動過大分離效果減弱，拆機檢修發(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，決定對螺旋葉片進行修補。此螺旋輸送器全長2 700mm，重435kg,最大直徑450mm，工作轉(zhuǎn)速2 980r/min。利用304不銹鋼對磨損嚴(yán)重的螺旋葉片進行了修補，為方便動平衡校正，在兩端中心位置配備了心軸進行支撐。選擇輸送器兩端靠中心兩個葉片處為平衡面進行平衡配重。該轉(zhuǎn)子為剛性轉(zhuǎn)子，在平衡機上選擇450r/min的速度進行平衡測量，初始不平衡量結(jié)果見表2。

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

表3 模擬加重后不平衡量

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

表4 平衡配重后不平衡量

測量結(jié)果顯示不平衡量已明顯降低，動平衡目的初步達(dá)成，接下來對配重塊進行補焊，防止運行中發(fā)生脫落。同時焊接完成后進行測量，對小范圍的不平衡量進行打磨去重，使離心機的螺旋輸送器的平衡精度達(dá)到要求，最終結(jié)果見表5。

表5 平衡去重后測量

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

5 結(jié)束語

維修后的螺旋輸送器安裝后首先進行了空載運行，測得其軸承位處的垂直振動烈度分別為2.56mm/s和3.47mm/s，振動明顯減小，達(dá)到國家規(guī)定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。動平衡技術(shù)是臥式螺旋輸送器進行維護、保養(yǎng)必不可少的一種手段，在臥式螺旋輸送器使用說明書上有明確要求。因此動平衡技術(shù)在解決離心機的振動問題中有很高的應(yīng)用價值。

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

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