淺談頻譜分析在離心通風機中的應用及實踐

何湘岳

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

風機是輸送氣體的流體機械，風機按作用原理一般分為離心式、軸流式、往復式和回轉式等。離心通風機廣泛用于工廠、礦井、車輛、船舶和建筑物的通風冷卻、消煙除塵、氣流輸送。離心通風機具有效率高、流量大、輸出流量均勻、結構簡單、噪音小及操作簡便等優點［1］。離心通風機實物圖如圖1所示。

圖1 離心通風機實物圖

2 離心通風機工作原理及基本構造

離心通風機工作時，電機帶動葉輪旋轉，利用高速旋轉的葉輪將氣體加速， 使葉輪葉片間的氣體在離心力的作用下由葉輪中心處向四周擴散運動，從而使氣體獲得一定壓力能和動能。當氣體通過蝸殼時，由于截面逐漸增大，流速減慢，部分動能轉化為壓力能，氣體從出風口進入管道。在葉輪中心處，由于氣體被離心力甩出，形成一定的負壓，由于大氣壓的作用，從而使吸入口的空氣被吸入風機，隨著電機的旋轉，空氣被不斷的吸入風機，最后從排出口排出［2］。離心通風機主要部件有葉輪、機殼、主軸、軸承和集流器等。離心通風機內部結構示意圖如圖2所示。

圖2 離心通風機內部結構示意圖

3 機械振動的定義及分類

各種機械的運轉過程總是伴隨著各種各樣的振動，用測振儀器放在設備上可以測量到不同程度的振動。有時機器運行時發出的音響也是某些零部件振動的反應。振動是一種特殊的運動形式，它是物體或質點在其平衡位置附近所做的往復運動，如果振動物體是機械的零部件、整機或其它形式的機械結構，這種振動稱為機械振動［3］。振動的強弱用振動量來衡量，振動量可以是振動體的位移、速度或加速度。

機械振動有不同的分類方法：按產生振動的原因分為自由振動、強迫振動、自激振動。如設備由于不平衡、不對中引起的振動屬于強迫振動；油膜渦動、振蕩屬于自激振動［4］。按振動的規律分為簡諧振動、非諧周期振動和隨機振動。大多數機械設備的振動是周期振動或準周期振動。按振動系統結構參數的特性分為線性系統和非線性系統。線性系統內的恢復力、阻尼力和慣性力分別與位移、速度和加速度成線性關系，但隨著振幅的增大，有些線性系統將變成非線性系統。

4 離心通風機振動偏大的主要原因及頻譜特征

引起離心風機機械振動偏大的原因主要有：轉子不平衡，包含轉子本身出廠平衡未達標或運行時轉子受損、積灰引起的失衡；聯軸器和軸承安裝不對中，對中要求不達標；設備基礎不牢或緊固件松動；軸彎曲；設備動靜摩擦引起；軸承損壞；齒輪磨損、偏心或損壞；扭矩變化；電磁力或水動力引起等。旋轉機械設備振動判定標準如圖3所示。旋轉機械大部分故障可以從振動中檢驗出來。測振，信號分析一直是預知維修的主要手段，利用振動信號對設備故障進行監測和診斷具備普遍意義，大部分機器設備都適合采用測量振動來進行狀態監測與故障診斷。振動監測和故障診斷技術就是一門對設備的振動信號進行檢測、分析處理、故障識別和預報的技術。頻譜分析法是最基本和最常用的方法，每種故障有其對應的特征頻率，根據特征頻率及其變化可以確定機器的故障部位和嚴重程度［5］。轉動機械常見故障的頻率特征如表1所示。

圖3 旋轉機械設備振動判定標準圖

表1 轉動機械常見故障的頻率特征

5 離心通風機典型故障案例頻譜分析

5.1 不對中頻譜分析案例

某廠排煙離心通風機大修后軸承溫度振動異常偏高，風機轉速750r/min。增加冷卻風扇后降溫效果不明顯，為了查找風機運行異常的原因，用頻譜測振分析儀對設備進行數據采集。風機聯軸器側軸承振動波形頻譜圖如圖4所示。

圖4 振動波形頻譜圖（測點信息OverAll值：5.058mm/sRMS值：3.400mm/s）

風機聯軸器側軸承振動指標及峰值如表2所示。

表2 振動指標及主要峰值

診斷分析與驗證：從測量數據看，風機聯軸器側軸承振動相對較大，該風機轉速是750r/min，則轉頻為12.5Hz，從頻譜圖中顯示二倍頻25Hz對應幅值4.9mm/s，從上判斷設備存在不對中缺陷，該廠隨即對風機進行對中調整后，風機軸承溫度振動達到正常水平。

5.2 不平衡頻譜分析案例

某廠一臺電機轉速為1500r/min的懸臂送風機，運行時主要異常表現為軸承振動偏大，葉輪側軸承現場采集的波形頻譜圖如圖5所示。

圖5 風機振動波形頻譜圖

風機葉輪側軸承振動指標及峰值如表3所示。

表3 風機振動指標及主要峰值

診斷分析與驗證：通過風機運行轉速可以計算出其基頻為25Hz，從以上數據采集和頻譜圖可以看出在頻率為25Hz時，對應的一個峰值為19.2mm/s，也就說送風機運行時在1倍頻出現振動峰值。意味著振動偏大是由于轉子不平衡所引起，結合脈沖、裕度、歪度、帩度等各時域指標分析，判斷是由于風機葉輪的不平衡所造成的水平振動偏大現象，安排檢修人員對風機人孔拆卸，對葉輪進行清理及做動平衡后恢復正常。

5.3 軸承故障頻譜分析案例

某廠一臺除塵風機運行時軸承振動突然增大，為了查找故障原因消除設備隱患，對其進行了振動數據采集。振動波形頻譜圖如圖6所示。

圖6 風機波形頻譜圖

軸承振動指標及峰值如表4所示。

表4 風機振動指標值及主要峰值

診斷分析與驗證：從時域波形圖中看，存在較強的沖擊信號；從指標參數看時域指標中的峭度值大于3，為5.58；從頻譜圖中看在機組運行過程中存在高頻振動信號，其頻率對應峰值主要集中在200Hz附近。通過查找風機軸承型號，計算出軸承滾動體特征頻率與故障頻率吻合，判斷為機組軸承滾動體故障［6］。對該風機解體檢修,實際結果與診斷相符，通過更換軸承后運行正常。

6 結語

頻譜分析是機械設備故障診斷中用得最廣泛的信號處理方法，通過對離心通風機采用頻譜分析是設備狀態監測與故障診斷中的一種方法，其同樣適用于其它機械旋轉設備，是預知維修的基礎和技術支撐，在不停機或基本不拆卸設備的情況下，能定量地掌握設備狀態，預知設備異常或故障的原因。定期或連續地對設備進行狀態監測，并根據狀態監測和故障診斷的結果，查明設備有無劣化或故障征兆，再酌情安排檢修，對設備安全穩定運行具有重要參考意義。