除塵風(fēng)機軸承軸向振動大原因分析及改進

林子鈺

（福建三鋼閩光股份有限公司煉鐵廠，福建 三明 365000）

煉鐵廠5#高爐出鐵場除塵風(fēng)機是煉鐵環(huán)境除塵系統(tǒng)重要的設(shè)備，除塵風(fēng)機通過電機帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)使葉輪對流體做功，流體獲得機械能，從而使除塵系統(tǒng)產(chǎn)生壓差和吸力，將出鐵場的含塵煙氣通過管道吸入布袋除塵器完成煙氣凈化。除塵風(fēng)機是否可靠、穩(wěn)定地運行會影響煉鐵的環(huán)境除塵效果。

1 風(fēng)機存在軸承軸向振動大的問題

煉鐵廠5#高爐出鐵場除塵風(fēng)機于2018年11月18日投入使用，風(fēng)機運行期間，軸承振動尤其是軸向振動值經(jīng)常無規(guī)律增大，增大后又毫無規(guī)律自行恢復(fù)到正常值，且風(fēng)機轉(zhuǎn)速越高其軸向振動值增大的現(xiàn)象越頻繁，軸承振動監(jiān)測（圖1）顯示：驅(qū)動側(cè)軸承軸向振動峰值達(dá)220 μm，非驅(qū)動側(cè)軸承軸向振動峰值達(dá)170 μm（圖2）。

圖1 風(fēng)機軸承監(jiān)測點、軸承座

圖2 風(fēng)機軸承振動曲線

軸承振動值大會導(dǎo)致風(fēng)機故障報警停機，嚴(yán)重影響了煉鐵出鐵場的環(huán)境除塵和風(fēng)機運行安全，解決軸承軸向振動大的問題，使風(fēng)機安全平穩(wěn)運行，是煉鐵安全生產(chǎn)和環(huán)境保護的迫切要求。

2 風(fēng)機軸承軸向振動大的原因分析

2.1 原因分析

2.1.1 風(fēng)機安裝問題

引風(fēng)機軸系不對中會引發(fā)風(fēng)機軸向的振動，但經(jīng)過現(xiàn)場復(fù)核風(fēng)機安裝數(shù)據(jù)，其不對中誤差在允許范圍內(nèi)，所以風(fēng)機安裝問題不是導(dǎo)致本機軸承的軸向振動值大的原因。

2.1.2 軸承座緊固螺栓預(yù)緊力問題

軸承座的螺栓預(yù)緊力不足、不均勻及油漬和雜質(zhì)滲入軸承座結(jié)合面，減小了結(jié)合面摩擦力會導(dǎo)致軸承座剛度不足，使風(fēng)機軸向振動值大，經(jīng)過現(xiàn)場檢查風(fēng)機軸承座上蓋的緊固螺栓和軸承座與鋼底座的緊固螺栓均無松動，且軸承座與鋼底座結(jié)合緊密無縫隙、油漬和雜物（圖1）。所以軸承座緊固螺栓預(yù)緊力不足、不均勻也不是導(dǎo)致本機軸承軸向振動大的原因。

2.1.3轉(zhuǎn)子組軸系臨界轉(zhuǎn)速問題

風(fēng)機軸承振動故障的主要原因是風(fēng)機的實際轉(zhuǎn)速接近風(fēng)機的臨界轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致風(fēng)機運行穩(wěn)定性差，造成風(fēng)機異常振動。為避免風(fēng)機轉(zhuǎn)子組軸系產(chǎn)生共振，現(xiàn)在的風(fēng)機轉(zhuǎn)子組軸系的臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計值要求不小于風(fēng)機設(shè)計轉(zhuǎn)速的1.3倍。

臨界轉(zhuǎn)速的計算一般采用三維建模和有限元分析，分析了離心風(fēng)機臨界轉(zhuǎn)速的建模和有限元分析計算方法，其建模時是將風(fēng)機軸與葉輪組合成整體構(gòu)件，通過分析轉(zhuǎn)子軸系的剛度及質(zhì)量分布計算出轉(zhuǎn)子組的臨界轉(zhuǎn)速。觀察現(xiàn)轉(zhuǎn)子組結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機軸與葉輪是通過葉輪中盤傳遞扭矩的，風(fēng)機軸與葉輪僅通過中盤的螺栓連接，中盤的厚度僅為50 mm（圖3），根據(jù)現(xiàn)風(fēng)機轉(zhuǎn)子組的結(jié)構(gòu)，計算分析了在考慮葉輪剛度和不考慮葉輪剛度的2種情況下，風(fēng)機轉(zhuǎn)子組軸系臨界轉(zhuǎn)速度計算結(jié)果的不同；所以計算轉(zhuǎn)子軸系剛度時應(yīng)將葉輪分離，因為中盤和葉輪對風(fēng)機軸的抗彎剛度沒有增強作用，將風(fēng)機軸與葉輪組合成整體構(gòu)件計算轉(zhuǎn)子組軸系的臨界轉(zhuǎn)速的方法會造成臨界轉(zhuǎn)速的計算結(jié)果偏高，從而影響了風(fēng)機軸剛度的設(shè)計和校核。

圖3 風(fēng)機軸與葉輪連接結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述情況重新計算風(fēng)機轉(zhuǎn)子組的臨界轉(zhuǎn)速，風(fēng)機設(shè)計計算參數(shù)見表1，風(fēng)機轉(zhuǎn)子組臨界轉(zhuǎn)速計算見表2，重新計算得出風(fēng)機的臨界轉(zhuǎn)速為815 r/min，臨界轉(zhuǎn)速僅為設(shè)計轉(zhuǎn)速的1.11倍，未滿足臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計值要求不小于風(fēng)機設(shè)計轉(zhuǎn)速的1.3倍，風(fēng)機軸剛度不良，風(fēng)機轉(zhuǎn)子組在運行中容易產(chǎn)生較大的振動。

表1 風(fēng)機設(shè)計計算參數(shù)

表2 風(fēng)機轉(zhuǎn)子組臨界轉(zhuǎn)速計算

2.1.4 轉(zhuǎn)子組軸系軸承座剛度問題

軸承座剛度低會導(dǎo)致風(fēng)機軸向振動，現(xiàn)轉(zhuǎn)子組軸系軸承座如圖4所示，其寬度與軸承中心高度的比值為0.73，高度偏大，軸承座剛度偏低也是導(dǎo)致風(fēng)機軸承軸向振動大的原因之一。

圖4 原風(fēng)機軸承座示意

2.2 原因確定

風(fēng)機轉(zhuǎn)子組的主軸和軸承座組成的轉(zhuǎn)子組軸系的剛度設(shè)計過低，導(dǎo)致其臨界轉(zhuǎn)速低，風(fēng)機運行的實際轉(zhuǎn)速靠近風(fēng)機臨界轉(zhuǎn)速，風(fēng)機運行穩(wěn)定性變差，實際轉(zhuǎn)速越高越接近臨界轉(zhuǎn)速，風(fēng)機穩(wěn)定性越差，在風(fēng)量負(fù)荷波動等外力激勵下風(fēng)機轉(zhuǎn)子組振動變大，又因為軸承座剛度低，加劇了軸承座的振動尤其是軸向振動，導(dǎo)致振動值大。

3 改進措施

（1）增加轉(zhuǎn)子組軸系的剛度提高臨界轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機平穩(wěn)運行增加轉(zhuǎn)子組軸系的剛度即增加風(fēng)機軸的抗彎剛度和軸承座的寬高比。

（2）優(yōu)化風(fēng)機葉輪設(shè)計，使風(fēng)機葉輪重量減少。

4 風(fēng)機轉(zhuǎn)子組軸系改進后剛度和臨界轉(zhuǎn)速計算、分析及對比

4.1 新風(fēng)機轉(zhuǎn)子軸系臨界轉(zhuǎn)速計算、分析

改進后新風(fēng)機的設(shè)計計算參數(shù)見表3，風(fēng)機轉(zhuǎn)子組臨界轉(zhuǎn)速計算見表4，風(fēng)機轉(zhuǎn)子組軸系的臨界轉(zhuǎn)速為942 r/min，臨界轉(zhuǎn)速為設(shè)計轉(zhuǎn)速的1.29倍，基本滿足臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計值不小于風(fēng)機設(shè)計轉(zhuǎn)速的1.3倍[4]的要求，風(fēng)機軸剛度較原風(fēng)機大幅提高，但出于成本考慮風(fēng)機軸臨界轉(zhuǎn)速的設(shè)計值處在剛性軸臨界點上。新風(fēng)機改造更換投用后，運行平穩(wěn)，偶爾發(fā)生軸承軸向振動值增大現(xiàn)象，但振動峰值不超過60 μm，在允許范圍內(nèi)，這也證明了風(fēng)機的臨界轉(zhuǎn)速不小于風(fēng)機設(shè)計轉(zhuǎn)速的1.3倍的合理性。

表3 新風(fēng)機設(shè)計計算參數(shù)

表4 新風(fēng)機轉(zhuǎn)子組臨界轉(zhuǎn)速計算

4.2 新風(fēng)機轉(zhuǎn)子軸系的軸承座和葉輪改進情況

改進后新風(fēng)機的軸承座（圖5），其寬度與軸承中心高度的比值為1.0，剛度比原風(fēng)機軸承座提高了；新風(fēng)機的葉輪直徑為2 700 mm，原風(fēng)機葉輪直徑2 850 mm，新風(fēng)機葉輪重量比原風(fēng)機減小了633 kg，新風(fēng)機的軸承座和葉輪的改進增強了風(fēng)機轉(zhuǎn)子組軸系的抗振能力。

圖5 新風(fēng)機軸承座示意

4.3 風(fēng)機轉(zhuǎn)子組軸系的參數(shù)對比（表5）

表5 風(fēng)機轉(zhuǎn)子組軸系參數(shù)對比

改進后新風(fēng)機的臨界轉(zhuǎn)速、軸承座剛度及葉輪設(shè)計都優(yōu)于原風(fēng)機。

5 結(jié)論

風(fēng)機的主軸、葉輪和軸承座組成的轉(zhuǎn)子組軸系剛度不良，導(dǎo)致臨界轉(zhuǎn)速過低，風(fēng)機運行的實際轉(zhuǎn)速接近臨界轉(zhuǎn)速，風(fēng)機運行穩(wěn)定性差，在風(fēng)量負(fù)荷波動等外力激勵下，風(fēng)機轉(zhuǎn)子組振動增大，軸承座剛度不良，加劇了軸承軸向振動導(dǎo)致軸向振動值大幅增大；當(dāng)激勵消失后，軸承振動值又恢復(fù)了正常，這與現(xiàn)場反饋的軸承軸向振動故障特征是相符的。最終通過對風(fēng)機的轉(zhuǎn)子組軸系的主軸、葉輪和軸承座部件進行改進，更換了風(fēng)機，使風(fēng)機軸承振動故障得到有效地解決。

6 結(jié)束語

新更換的煉鐵廠5#高爐出鐵場除塵風(fēng)機，于2021年5月28日開機運行，整體運行情況良好，風(fēng)機軸承的水平和垂直方向及軸向的振動值在正常范圍內(nèi)（振動曲線平穩(wěn)，如圖6所示）。通過提高風(fēng)機轉(zhuǎn)子組軸系的剛度，優(yōu)化葉輪的重量，有效地解決了風(fēng)機軸向的振動值超標(biāo)問題。對風(fēng)機轉(zhuǎn)子組軸系剛度、臨界轉(zhuǎn)速計算校核的方法，為今后風(fēng)機選型中評判風(fēng)機轉(zhuǎn)子組軸系的設(shè)計是否優(yōu)良提供了參考，也為治理風(fēng)機軸承振動值超標(biāo)提供了方法和參考。

圖6 新風(fēng)機振動曲線平穩(wěn)