現場動平衡技術在設備檢修中的應用

薛旭利

（首鋼長治鋼鐵有限公司，山西長治 046031）

1 現場動平衡技術概況

現場動平衡技術是對旋轉設備在其工礦相同或轉速相近，對主設備不揭蓋、不拆卸的情況下，進行振動測試、頻譜分析、平衡校驗的一種動平衡校驗方法。動平衡的基本原理是通過給旋轉機械設備特定位置焊接固定配重，通過增加配重質量，臨時改變旋轉機械設備質量分布位置，測量由質量分布不均引起支撐部位軸承的振動幅值變化和振動相位角。根據影響系數法，由增加配重質量的變化，計算確定出旋轉機械設備實際校正的質量及固定位置。

工建公司根據設備檢修需要，于2019 年4 月購置了德國SCHENCK 公司生產的現場動平衡儀（SmartBalancer）一臺，用于首鋼長治鋼鐵有限公司（以下簡稱“長鋼”）煉鋼廠運轉一次除塵風機、軋鋼廠高速線材吐絲機、TRT 等旋轉機械設備的在線動平衡試驗，并及時排除了設備振動的故障，有力地保障了生產設備的穩定、順利運行。

2 旋轉設備的故障識別

旋轉設備振動監測與診斷是將運行中的設備看成“活”的狀態物，對設備的振動參數信息進行采集、處理、分析、預判，確定故障原因并采取合適的修復方法處理。

2.1 旋轉設備的故障類型

旋轉設備的故障類型很多，如轉子不平衡故障、聯軸器不對中故障、基礎地腳螺絲松動故障、轉子或軸存在橫向裂紋、支承滑動（滾動）軸承故障、轉子與靜止件摩擦的故障等。但導致旋轉設備振動超高或者持續增高的情況，應該首先考慮動平衡失衡的問題，因為動平衡失衡是旋轉設備常見的、多發性故障。

如果旋轉設備發生聯軸器不對中、基礎地腳螺絲松動和轉子或軸存在橫向裂紋、支承滑動（滾動）軸承故障等隱患問題引起機械設備振動時，無法采取現場動平衡技術消除設備振動隱患，而需要通過其他方式解決處理。所以在生產現場對旋轉設備進行動平衡校驗時，要通過頻譜分析方法、相位分析方法結合機械設備故障診斷的經驗，判斷、識別振動故障的類別，采取對應的措施消除設備隱患。

2.2 現場動平衡儀在旋轉設備上的應用

對因動不平衡引起旋轉設備振動異常時，頻譜及相位變化的特征要點如下：不平衡主要引起基頻振動，振動幅值隨轉速的增大而增大，并在通過臨界轉速時有峰值出現；不平衡量增大，則引起水平、垂直等徑向振幅同時增大，而軸向振幅變化不大；不平衡引起的基頻振動分量與轉軸相位之間的角度（基頻分量的相位）保持不變，水平方向與垂直方向振動相位相差約90。

在故障診斷中，只有熟悉和了解設備的結構原理、工作特性、使用和維修情況、掌握必備的理論知識、積累現場診斷的經驗技能，才能夠快速判定處理設備故障問題，解決設備故障制約生產的矛盾。

使用在線動平衡儀對旋轉設備校驗之前，還需要根據旋轉設備現場工況條件，準備動平衡所需的物料、選出此次動平衡校驗的測量基點、合理的校正平面和動平衡校驗時的轉速等各項工作。準備合適，才能保證動平衡校驗工作省時、省力、高效地完成。

3 現場動平衡的應用

3.1 振動測試及故障診斷

現場動平衡校驗的方法是在旋轉設備支承位置上用磁電式速度傳感器測量振動，光電信號鍵相傳感器測量相位基準和轉速。設備按設定轉速運轉后，可將振動狀態信息轉換成相應的電量信號，再經過在線動平衡儀測量系統計算、分析，得出校正平面上不平衡量的大小和相位角度，最終得出測量校驗結果。

長鋼軋鋼廠高速線材設備為國產仿摩根五代改進設備，2012 年建成投產運行，設計運行速度為95 m/s，實際穩定總軋速度為81 m/s，主要產品品種為5.5～14 mm 全系列精品線材和中碳鋼（30#～60#系列、SWRH42ACB 系列）、高碳預應力鋼絲、鋼 絞 線（SWRH77BG、SWRH82B 特 等 系 列）、冷 墩 鋼（SWRCH22A）、爆破線（BP05）合金焊線等線材產品。該生產線重要成圈設備吐絲機裝配為哈爾濱哈飛工業有限責任公司制造的國產仿摩根五代機型（圖1），投產后使用有7 年，在吐絲機的日常維護和維修中，吐絲管、吐絲盤、吐絲錐都屬于經常更換的易損件，這些部件的更換都可能導致吐絲機整體不平衡現象發生。日常滿負荷生產狀態下，吐絲管、吐絲盤等部件的磨損、吐絲錐在冷熱反復變化的工況下出現變形和外表氧化掉皮等情況，可使吐絲機平衡系統逐漸被破壞，振動逐步增大，并還可能導致支撐軸承出現疲勞破壞。

圖1 長鋼軋鋼廠高線吐絲機現場

2019 年7 月28 日，將外修后的吐絲機上線使用后，吐絲機振動超出范圍，不能滿足工藝生產要求。吐絲機在轉速為1420 r/min時，在線動平衡儀測量通頻振動幅值為12.733 mm/s，超過廠家規定的預警值4.5 mm/s。1 倍頻率的振動峰值為17.356 mm/s，在頻譜圖中占主導地位，并且振動相位穩定（圖2）。根據故障診斷經驗，先檢查吐絲機連接部位及底座地腳螺絲無松動現象，再結合對頻譜圖的分析，判斷是吐絲機更換吐絲管或對吐絲盤面修理后，破壞了吐絲機整體的動平衡效果，導致其在運行中振動幅值變大、振動異常，影響生產運行。因此使用在線動平衡儀對吐絲機進行動平衡校驗，排除吐絲機振動故障。

圖2 長鋼軋鋼廠高線吐絲機振動頻譜圖

3.2 現場動平衡實施

圖3 為吐絲機安裝示意圖。吐絲機結構屬于懸臂轉子，有兩個可以校正的平面，即近端平面和遠端平面（吐絲盤面）。查閱相關資料結合動平衡實際經驗，在兩校正平面上單獨做動平衡校驗或在兩個平面內同時做動平衡校驗，都可以減少吐絲機的不平衡量，減小因不平衡引起的振動過大的問題。為簡化動平衡流程，節約檢修時間，故對吐絲機吐絲盤單面實施動平衡校驗，采用磁電式速度傳感器測量大端軸承處水平方向徑向振動速度，光電信號鍵相傳感器所提供的鍵相脈沖信號作為振動相位的參考基準。

傳動計算：查閱吐絲機裝配圖紙，得知吐絲機裝配輸入齒輪軸齒數為63 個，輸出齒輪軸齒數為41 個，增速比為1.537。電機轉速為920 r/min 時，吐絲機轉速為1420 r/min。

吐絲機的轉速為1420 r/min 時測量的初始振動峰值為10.443 mm/s 和振動相位為340（圖4）。

在去除配重的情況下，在線動平衡儀經過幾次動平衡校驗后，通過數據分析計算出在配重相位128的位置增加5.5 g 配重（圖6）。根據現場實際情況，在130位置增加7 g 配重后，重新提高吐絲機轉速到1420 r/min，通頻振動幅值降至1.332 mm/s，低于4.5 mm/s 廠家設定的預警值，達到使用要求，不再繼續進行動平衡校驗。

圖3 長鋼軋鋼廠高線吐絲機安裝示意

圖4 測量吐絲機初始振動峰值和相位

在線動平衡校驗后，高線吐絲機的振動頻1 倍頻的振動值分量明顯減小，且振動相位穩定（圖7）。

吐絲機運行幾年后，會因為各種因素導致吐絲機振動，經過分析排除其他振動原因后，對吐絲機實施在線動平衡校驗，能夠消除設備振動異常，達到廠家預定值。若均采用返廠維修做動平衡校驗或邀請廠家上門做動平衡校驗，送修時間長、服務費用高，影響生產的正常運行。

圖5 試重后測量吐絲機振動峰值和相位

圖6 增加配重后吐絲機振動峰值和相位

圖7 校驗后吐絲機振動頻譜圖

利用在線動平衡儀，實現對旋轉設備不脫離現場進行動平衡校驗這一科學的設備維修技術，能夠解決高線吐絲機振動異常問題。實踐表明，應積極采用、推廣科學科學的維修技術和維修方式，加強設備的現代化管理力度，保證設備技術狀況達到最佳、壽命周期內費用降到最低。

4 長鋼公司應用案例

長鋼公司煉鋼廠運轉一次除塵風機是除塵設備的重要設備。2019 年5 月維修人員點檢過程中發現1#除塵風機振動異常，振動幅值為10.64 mm/s。根據以往經驗，結合設備使用工況條件，分析可能是由葉輪結渣引起的不平衡故障，故使用高壓水槍沖洗轉子結渣污垢后，采用在線動平衡技術對除塵風機葉輪進行動平衡校驗，在線動平衡校驗過程中，共加配重711 g，振動幅值降至0.003 mm/s（圖8），達到設備運行要求，在線使用時間達1 個月。

動平衡技術還可以應用在對焦化廠臥螺離心機、煉鐵廠TRT、熱風爐風機等設備上進行動平衡校驗。

對在線旋轉設備診斷分析是由不平衡原因引起的設備故障，實現動平衡校驗排除故障，是一種既能減小人工勞動強度又能縮減檢修時間的好方法。

5 結論

設備出現振動故障以后，需要動平衡儀測量轉子的振動參數，通過頻譜分析、相位分析確認引起轉子振動故障的原因，判定由不平衡因素引起的振動時，采取現場動平衡校驗可以達到比較滿意的效果。如果不經過判斷轉子故障的類別而盲目地使用動平衡儀對事故轉子進行平衡校驗，不僅達不到預期效果，而且還有可能導致檢修時間的延遲、影響生產運行。

總之，現場動平衡技術在設備檢修中的應用很有成效，如煉鋼廠除塵風機、高線吐絲機、煉鐵TRT 等關鍵設備，葉輪的承載面極易磨損及粘灰結垢，造成失衡現象。清除結渣污垢后，利用在線動平衡技術分析校驗，設備仍然可以長時間地正常運行。

圖8 煉鋼廠一次除塵風機動平衡實例