雙級軸流式通風機振動分析研究及處理工藝

孟 斌

（晉煤集團長平公司， 山西 晉城 048000）

引言

隨著煤礦企業不斷向大中型企業發展，大型軸流式通風機得到廣泛應用。軸流式通風機的流量大、啟動力矩小、對風道系統變化適應性強的優點正逐步取代離心式風機。軸流式通風機通過改變葉片的工作角度來改變工況點，不僅沒有截流損失，還可以避免小流量工況下出現的不穩定現象。尤其是雙級軸流式通風機，效率比單級軸流式通風機有顯著提高，但是引起風機異常振動的因素也相對更加復雜。本文通過對雙級軸流式通風機異常振動的故障進行分析研究，成功地解決了蘆家峪主通風機在投運初期產生的異常振動問題。

1 項目研究立項背景

蘆家峪回風立井安裝有兩臺上海鼓風機廠生產的GAF40-21.1-2型雙級軸流式通風機，選用YKK1000-10型風機電機，電機功率4 000 kW，轉速596 r/min。蘆家峪主扇于2017年9月安裝完畢，設備進入最后調試和試運行階段。試運行時，1號通風機運行平穩，2號通風機出現風機異常振動。2號通風機在剛啟動運行時振動值并不大，電腦后臺監控顯示風機水平振動為2.9 mm/s，垂直振動達到1.5 mm/s，是符合風機安全運行要求的振動范圍的。但是隨著通風機運行時間的加長振動值逐漸增大，2號通風機運行至第二天，電腦后臺監控顯示風機水平振動達到4.5 mm/s，垂直振動達到3.1 mm/s。2號通風機運行至第三天，振動值進一步增大，而且一直處于上升趨勢，沒有趨于穩定，電腦后臺監控顯示風機水平振動達到9.8 mm/s，垂直振動達到6.3 mm/s。現場使用點檢儀檢測2號通風機水平振動達到9.3 mm/s，垂直振動達到5.6 mm/s。水平振動和垂直振動都大于風機振速系統報警值4.6 mm/s，嚴重影響到通風機的安全運行，立即執行了倒機操作，運至1號通風機運行。

2 初步分析研究

技術人員經過初步判斷，出現振動異常的原因有以下四點：風機內部轉子安裝偏心、電機軸與風機主軸同心度偏差、風機動平衡不好、風機安裝基礎不牢。

2.1 風機內部轉子安裝偏心

風機轉子安裝偏心會造成風葉頂部與機殼的間隙不均勻，風機在高速運轉時產生不穩定的偏心力導致風機異常振動。

通過檢查風機葉片頂部與機殼之間的間隙，測量8個方向上每一片葉片頂部與機殼的間隙，測量結果間隙均勻，且間隙值都在4～8 mm規定范圍內（見表1），符合通風機安全運行要求的間隙范圍。通過測量分析，可以排除風機內部轉子安裝偏心是導致2號通風機異常振動的原因。

表1 葉片與機殼間隙檢查結果 mm

2.2 電機軸與風機主軸同心度偏差

當軸系出現不對中時，主動軸角速度與從動軸角速度不同，當主動軸等速轉動時，從動軸轉速將發生變化，產生一定的角加速度，由此引起動載荷并發生振動[1]。通過主從動軸打百分表的方法，檢查電機軸與風機主軸的同心度，檢查結果同心度最大差值為0.1 mm（見下頁表2），符合風機安裝≤0.25 mm要求。綜上測量分析，可以排除電機軸與風機主軸同心度偏差是導致2號通風機異常振動的原因。

2.3 風機動平衡不好

風機動平衡不好最主要的原因是轉子質量不平衡，由于原始制造誤差或葉片安裝不均勻導致的質量不平衡使轉子的重心有所偏離，從而導致轉子產生不平衡的離心力，發生橫向轉動的振動，并通過軸承傳播，引起整個風機在運行過程中產生振動的問題。其質量不平衡的原因主要有：其葉片的磨損或者由于腐蝕導致質量不均勻；葉輪上的零件沒有固定，局部松動，導致出現質量不平衡[2]。

經過現場檢查2號通風機的每一片葉片，發現所有葉片完好，緊固螺栓牢固可靠，沒有任何磨損現象，經過多次手動盤車試驗，風機內部轉子可以在任意位置穩定停車，而且風機轉子在出廠時候出具的動平衡試驗報告是滿足風機動平衡要求的。

綜上檢查試驗，可以排除風機轉子動平衡不好是導致2號通風機異常振動的原因。

經過以上各種分析研究檢查，最后只剩下風機基礎不牢的原因可能導致2號通風機異常振動，但是為了進一步確定是否由于風機基礎不牢引起的通風機異常振動，需要由專業的頻譜分析儀進行現場檢測后根據振幅頻率曲線來確定。

表2 電機軸與風機主軸同心度檢查結果 mm

3 頻譜分析儀檢測

經過初步分析研究后，遂與通風機廠家聯系，廠家安排專業技術工程師，使用專業的頻譜分析儀對2號通風機振動進行檢測。經測量，2號主通風機連續運行3 d期間風機整體振動逐漸增大，停機時水平振動9.8 mm/s，垂直振動4.8 mm/s。

經過對2號通風機的振幅頻率進行分析發現，2號通風機異常振動不是由于風機基礎不牢造成的。如果是基礎不牢導致的異常振動往往導致殼體固有頻譜偏移，產生共振，振動被進一步放大，甚至可以出現1個數量級的振動差別，在振幅頻率圖與數字的表現上應該是在垂直方向上的振動，而且振動頻率在一倍頻左右，圖1為基礎不牢振幅頻率圖。

圖1 基礎不牢振幅頻率圖

2號通風機實測的振幅頻率圖為10倍頻和20倍頻的振幅，異常振動應該是由于風機內部產生的氣流擾動造成的。對于雙級軸流式通風機而言，存在兩級葉片角度配合不同步的問題，特別是單電機長軸雙級軸流式通風機，由于兩級葉片固定在同一長軸上，葉輪轉速相同，兩級葉片旋轉角度差固定不變，如果兩級葉片角度配合不同步，一級葉片出風量遠大于二級葉片所需進風量，導致一級葉片的排氣量不能順利通過二級葉片排出，在機殼內產生氣流擾動現象，引起風機整體振動異常[3]。

氣流擾動產生的振動一般具有以下特點：

1）振動與機殼的剛性有一定的關系，氣流擾動帶動機殼振動，機殼振動影響氣流的流動，氣流擾動的振動頻率與機殼的固有振動頻率產生共振，因而，氣流擾動產生的振動隨著通風機運行時間加長會逐漸增大。

2）氣流擾動產生的振動主要表現在水平方向上，水平方向振動值遠遠大于垂直方向振動值，而且在10倍頻或者20倍頻等高頻振幅表現比較明顯。

3）對于軸流式通風機，氣流擾動多引起風機機殼、進出氣口及機殼基礎振動，對軸承及轉子機械振動的影響較小。

4）對于雙級軸流式通風機的葉片角度冗余度較大，兩級葉片角度的偏差容易導致風機的工況點落入不穩定運行區域，產生氣流擾動帶動風機振動異常甚至產生喘振。

4 處理工藝及方案

1）檢查兩級風葉角度，并將2號風機二級風葉角度由-15°調整為-14.2°。二級風葉角度比一級風葉角度偏大0.2°。試運行后振動數據：水平振動6.9 mm/s，垂直振動 4.2 mm/s。

2）將2號風機二級風葉角度由-15°調整為-14.4°。二級風葉角度比一級風葉角度偏大0.4°。試運行后振動數據：水平振動3.9 mm/s，垂直振動2.8 mm/s。

3）將2號風機二級風葉角度由-15°調整為-14°。二級風葉角度比一級風葉角度偏大1°。試運行后振動數據：水平振動5.0 mm/s，垂直振動3.1mm/s。

4）將2號風機二級風葉角度由-15°調整為-14.5°。二級風葉角度比一級風葉角度偏大0.5°。試運行后振動數據：水平振動2.19 mm/s，垂直振動1.56 mm/s。

最終確定蘆家峪2號主通風機振動異常是由于風機內部氣流擾動造成的。將二級葉片角度進行微調，比一級葉片角度大0.5°時，通風機整體振動最小，并且趨于穩定水平，滿足通風機安全運行條件。蘆家峪2號通風機在微調風葉角度后，運行平穩正常，沒有再次出現振動異常現象，從根本上解決了振動異常問題。

5 結論

氣流擾動引起軸流式通風機振動總是存在的，當氣流擾動較小，風機機體強度能夠抵御氣流擾動時，振動就不能構成隱患。所以，蘆家峪1號通風機沒有異常振動，但2號通風機由于制造的個體差異及兩級葉片出廠精度的原因導致產生很大的氣流擾動，而且氣流擾動是極不穩定且動態變化的，當氣流擾動的振動頻率與機體的固有振動頻率產生共振時將達到最嚴重的后果。對于雙級軸流式通風機產生的異常振動要充分考慮氣流擾動的影響因素。

通過對蘆家峪雙級軸流式通風機出現振動異常后進行各種分析研究檢測，診斷結果是由于兩級葉片角度配合不同步產生氣流擾動引起的振動問題，由此提出了具體有效的風機振動故障的處理原則和方法，處理措施實施后從根本上解決了蘆家峪主通風機的振動異常問題。

通過本例還可以認為，同時應用多種檢測和分析方法互為補充對診斷和處理比較復雜的振動問題是十分有效的，特別是頻譜分析儀對大型設備的振動分析檢測更為直接直觀，可以使工作人員在第一時間判斷出振動問題的根本原因，具體處理措施應該多從設計方面和工藝方面入手可以保證徹底解決振動問題。

雙級軸流式通風機振動故障分析與診斷是一項實踐性很強的技術，如果不采用專用的檢測設備很難查找出根本原因。使用頻譜分析儀對雙級軸流式通風機進行振動分析診斷，并采取針對性解決措施和工藝，對今后大型軸流式風機的安裝調試起到了關鍵性作用。