高速高效離心式鼓風機振動監測與故障診斷*

張　勇，張躍春,2，李榮滿，楊家禮，張正華

(1.湖南航翔燃氣輪機有限公司，湖南　株洲　412002； 2.中國航空動力機械研究所，湖南　株洲　412002)

0　引言

隨著我國建設“資源節約型和環境友好型”兩型社會的要求以及高端裝備制造業的快速發展，高速高效離心式鼓風機作為污水處理領域的關鍵設備，對其進行開發和應用受到國家相關政策的鼓勵。高速高效離心式鼓風機的輸出軸轉速較高，最高轉速可達51 000 r/min，在高速運行時需要實時監測鼓風機的運行狀態，一旦發現異常運行狀態，要快速辨別系統故障，并及時排除故障，避免造成破壞性的后果[1-2]。

基于高速高效離心式鼓風機實時振動監測的需求，本文以55 kW高速高效離心式鼓風機為研究對象，采用DEWESoft振動測試軟件與PCB振動加速度傳感器，實時監測鼓風機運行狀態[3-4]，并對出現的異常狀態進行快速診斷，及時排除故障，確保高速高效離心式鼓風機的安全、高效、穩定運轉。

1　高速高效離心式鼓風機結構

高速高效離心式鼓風機采用高速增速齒輪箱，將普通三相異步電機的轉速升高到葉輪的工作轉速，由離心葉輪對空氣做功，實現能量轉換，以確保在出氣口獲得壓力、流量穩定的高壓氣流，其具體的結構如圖1所示。

高速高效離心式鼓風機的三相異步電機和高速增速箱采用立式安裝，極大地節省了占地空間，并且具有運行平穩、噪聲小、振動低等特點。

2　高速增速箱

高速增速箱作為高速高效離心式鼓風機的核心部件，其動態性能直接決定鼓風機的整機性能[5-6]。因此，為了確保增速齒輪箱具有良好的動態性能，采用振動測試軟件，通過將時域試驗數據進行快速傅里葉變換轉化為頻域值，監測各關鍵部件在特征頻率下的振動情況，即可判斷各關鍵部件的運行狀態。一旦出現異常運行狀態，其振動值會急劇增大，將頻域分析結果與故障庫中的數據進行對比分析，就可以快速辨別故障特征，及時排除故障[7]。

1-高速增速箱；2-鼓風機出氣口；3-鼓風組件；4-鼓風機箱體；5-三相異步電機

高速增速齒輪箱的結構簡圖如圖2所示，該齒輪箱采用平行軸兩級傳動，總傳動比為17.17，輸入軸和中間軸采用高精密滾動軸承，輸出軸采用徑向滑動軸承和推力軸承，輸出軸末端與離心葉輪相連，并用自鎖螺母鎖緊，防止葉輪松動導致的嚴重后果。高速增速齒輪箱的結構參數、特征頻率分別見表1和表2。

表2中為關鍵零部件的特征頻率，其倍頻即在相應的數值上乘上相應的倍數。

3　試驗驗證

對高速高效離心式鼓風機進行性能試驗時，需要采用振動監測設備對其進行實時監測與故障診斷，振動監測設備如圖3所示，主要包括筆記本電腦、DEWESoft測試軟件、DEWE8通道數據采集卡、加速度傳感器、測試數據線等。

高速轉子的運行速度高，滑動軸承可能存在半速渦動，甚至油膜振蕩，一旦運行有異常，可能會產生破壞性的嚴重后果[8-9]，所以將傳感器布置在高速軸的垂直與軸向方向，可以實時監測高速轉子的運行狀態，及時發現異常狀態，傳感器安裝位置如圖4所示。

1-輸入軸；2-第一級嚙合齒輪；3-潤滑油泵；4-鼓風組件；5-中間軸；6-第二級嚙合齒輪；7-輸出軸

名稱齒數電機帶輪56輸入軸帶輪56一級大齒輪89一級小齒輪29二級大齒輪95二級小齒輪17

表2　增速箱輸出轉速51 000 r/min時的特征頻率

圖3振動監測設備圖4試驗現場及傳感器布置位置

振動測試采用DEWESoft數據采集系統，軟件界面如圖5所示。振動測試試驗方案如表3所示，在試驗過程中實時監測系統振動的時域值及頻譜圖。

根據振動測試軟件的監測，增速箱由低速過程升高到最高轉速時，整機振動平穩，沒有出現急劇增大的情況，高速穩定性良好。最高轉速時的振動時域波形圖和頻域頻譜圖如圖6所示。

高速高效離心式鼓風機在最高轉速運行下，整體振動平穩，垂直和軸向的振動加速度值均小于4g(g為重力加速度)，且頻譜圖中各特征頻率振動值均較小，詳細見表4，滑動軸承運動無失穩現象，高速穩定性良好。

圖5　DEWESoft振動測試軟件界面

序號操作1系統檢查,然后打開電氣控制系統,準備試驗2設置好DEWESoft振動測試軟件,固定好加速度傳感器,開始存儲振動數據3開機試驗,試驗步驟如下:①電機轉速582r/min穩定運行3min;②電機轉速873r/min穩定運行3min;③電機轉速1164r/min穩定運行3min;④電機轉速1455r/min穩定運行3min;⑤電機轉速1747r/min穩定運行3min;⑥電機轉速2038r/min穩定運行3min;⑦電機轉速2330r/min穩定運行3min;⑧電機轉速2620r/min穩定運行3min;⑨電機轉速2912r/min穩定運行3min;⑩電機轉速2970r/min穩定運行30min4振動監測:①振動時域波形圖;②振動頻譜圖,特征頻率下的振動情況5停機,整理試驗現場6數據分析

圖6　鼓風機輸出轉速51 000 r/min時的振動數據

序號特征頻率(Hz)輸出垂直加速度值(m/s2)輸出軸向加速度值(m/s2)150.5/(輸入軸轉頻)0.08×9.80.08×9.82398.6/(輸出軸半頻)0.05×9.80.02×9.83854.5/(輸出軸轉頻)0.18×9.80.26×9.841709.0/(輸出軸二倍頻)0.17×9.80.36×9.852563.5/(輸出軸三倍頻)0.16×9.80.19×9.863418.0/(輸出軸四倍頻)0.10×9.80.13×9.8

4　結論

高速高效離心式鼓風機在整機性能試驗過程中，系統振動加速度值均較穩定，沒有出現異常工作狀態。

高速高效離心式鼓風機作為環保水處理行業的關鍵設備，在后續對其的工作中，將內嵌振動監測系統，實現對高速高效離心式鼓風機運行狀態的遠程監控，以便實時監測各關鍵部件的運行狀態，并及時發現異常運行狀態，快速辨別故障特征，確保高速高效離心式鼓風機安全、高效的工作。

參考文獻：

[1]聞邦椿，武新華，丁千，等.故障旋轉機械非線性動力學的理論與試驗[M].北京：科學出版社，2004.

[2]高智勇，張根珠.離心式風機異常振動原因分析及處理[J].熱力發電，2004(10)：91-93.

[3]徐英南.機械振動基礎[M].北京：中國勞動出版社，1985.

[4]Muszynska A,Bently D E.Anti-swirl arrangements prevent rotor/seal instability[J].ASME Journal of Vibration,Acoustics,Stress,and Reliability in Design,1989,111(2):156-162.

[5]Toshio Yamamoto,Hiroshi.On the unstable vibrations of a shaft carrying an unsymmetrical rotor [J].Journal of Applied Mechanics,1964,9(31):515-522.

[6]張漢昶.通風機的使用與維修[M].北京：機械工業出版社，1985.

[7]鐘一諤，何衍宗，王正，等.轉子動力學[M].北京:清華大學出版社,1987.

[8]楊金福，陳照波，劉福利，等.滑動軸承-轉子系統的穩定性研究[J].航空動力學報,2008,23(8)：1420-1426.

[9]崔寧博.設備診斷技術[M].天津：南開大學出版社，1988.