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风机动平衡技术的应用
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风机动平衡技术的应用
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摘要
介绍了风机现场动平衡的基本原理,提出适合烧结厂实际的风机动平衡方法,取得了良好的效果。
关键词:
风机 振动 现场动平衡 一次加重
目录
第1章前言………………………………………………………………3
第2章风机不平衡的分析判断………………………………………………4
2.1风机不平衡有三种情况………………………………………………4
2.1.1 静不平衡………………………………………………4
2.1.2 混合不平衡………………………………………………4
2.1.3 风机不平衡诊断………………………………………………4
2.1.3.1 振动幅值特征………………………………………………4
2.1.3.2相位特征………………………………………………4
2.1.3.3 系统特性………………………………………………5
第3章风机常用的平衡方法………………………………………………6
3.1 专用平衡机平衡………………………………………………6
3.2 三点平衡法于现场进行…………………………………………6
3.2.1理论分析………………………………………………6
3.2.2公式推导………………………………………………6
3.2.3现场检修操作方法及实际数据验证…………………………7
3.2.4推广应用………………………………………………8
3.3 闪频法平衡………………………………………………9
3.4风机现场动平衡………………………………………………9
第4章结论…………………………………………………………12
参考文献…………………………………………………………………13
致谢……………………………………………………………………14
.
第1章前言
酒钢股份有限公司烧结厂现有3台105m2烧结机,2座8m2竖炉。
其中主抽风机5台,各类鼓风机和除尘风机数台,它们是烧结生产的重点设备。
由于风机转子的材质不均匀,制造、加工及安装误差,运行条件发生变化、转子结垢、磨损甚至部件飞脱等原因,不可避免地存在着质量的偏心使其质心偏离转子的旋转轴线,引起转子的不平衡而产生振动。
机器振动是十分有害的,它使设备的效率降低,载荷增加,使一些零部件易于磨损、疲劳而缩短其寿命,而且振动还会恶化操作人员的工作环境,过大的振动甚至会导致发生机毁人亡的重大设备事故。
机组振动是个十分复杂的问题,其原因也是多方面的,但主要还是与转子本身的不平衡有关。
也就是说,旋转部件的机械,不平衡是构成风机振动的主要原因。
据统计,约有60%～70%的振动故障是由于转子本身的质量不平衡引起的。
之所以要采用现场动平衡,是因为即使在动平衡机上情况良好的转子并不能保证转子到现场后运行情况良好,而且,实际经验告诉我们,已经在平衡机进行过动平衡的转子安装到现场后,在实际工作条件下运行时,有时还会出现较大振动。
现场动平衡是在实际状态下进行的,转子的工作转速与其它的各种因素均较符合实际情况,这样,它能补充平衡机的不足。
而且,现场动平衡,无需拆卸转子、省时省力、方便快捷,它对减少停产损失和检修费用具有平衡机难以比拟的优势。
第2章风机不平衡的分析判断
2.1风机不平衡有三种情况
2.1.1 静不平衡:
转子上的各偏心质量产生的合力不等于零,即∑F≠0,这种不平衡力可以在静力状态下确定,故称静不平衡。
21112 动不平衡:
转子上的各偏心质量合成出两个大小相等方向相反但不在同一直线上的不平衡力,转子在静止时虽然获得平衡,但在旋转时就会产生一个不平衡力偶,即∑M≠0,这种不平衡只能在动态下确定,故称动不平衡。
2.1.2 混合不平衡:
一个转子既存在静不平衡又有动不平衡,即∑F≠_____0、∑M≠0,混合不平衡是转子失衡的普遍状态,特别是长度与直径比L/D较大的转子,多产生混合不平衡。
2.1.3 风机不平衡诊断
确诊振动的原因是由转子不平衡引起这一点非常重要,只有明确振动的原因不是对中不良、基础扭曲、松动等,而是转子的不平衡,才可以对症下药,实施现场动平衡。
转子不平衡故障的判断,要掌握一下特征。
2.1.3.1 振动幅值特征 磨损型转子,其振动幅值随时间递增,结垢类转子,常出现幅值突然增大的现象,这是由于结垢块在启动、降速过程中掉块所致,原来均匀布垢的平衡被破坏。
若垂直振动
大于水平振动和轴向振动,可能是地脚螺丝或基础松动;轴向振动大于垂直振动和水平振动,可能是轴心线不对中;水平振动大于垂直振动和轴向振动,并且振幅随转速提高而增加,可能是转子失衡。
实践证明这一判断方法,基本正确。
21212 振动频率特征 一般平衡问题引起的振动,都具有相对高的基频成份,二次、三次谐波
较小,特殊情况下,振动幅值较大,使系统出现非线性振动,也会出现高次谐波或分数频。
不平衡引起的振动与设备的工频同步,频谱上表现为f0增大;不对中的频率特征出现f0、2f0、3f0的频率成份;机械松动会出现大于0～f0、或2f0、3f0的频率成份。
掌握这些基频参数对于正确进行状态监测、故障诊断是很重要的,要确诊转子失衡必须排除其它因素引起的振动。
2.1.3.2相位特征 对不平衡类型的判别,这是一种很有效的方法,转子两端轴承水平、垂直相位同相,即为静不平衡;异相,则是动不平衡。
2.1.3.3 系统特性 有些转子在系统的共振区内运行,这时,转子平衡的效果影响很大,平衡好,系统振动就小。
反之振动就大。
一般说,转子转速在共振区内运行,平衡相当困难,因为相位出
现翻动,解决的办法就是降速或升速平衡,因此,对于一台新安装的设备,开机振动十分剧烈,有必要做一下升速、降速响应以判定是否共振。
第3章风机常用的平衡方法
3.1 专用平衡机平衡
这需要专用平衡机,并要将转子从现场卸下,运输吊装到平衡机上,这种方法使用于制造厂。
工矿企业若使用这种方法,则工作量大,费时多、影响生产,经济上不合算。
3.2 三点平衡法于现场进行
在转子的圆周上选三点分别试加重,用测振仪分次测出振动状态,按比例作图求出不平衡量的相位与大小。
3.2.1理论分析
对离心式风机叶轮而言，其质量分布不均造成失衡，引起风机振动，振动量一定是与这种质量不均成一定关系的。
有了这种关系，即可确定不平衡质量的大小及其所处的角度位置。
如果假设叶轮上有一未知不平衡质量m（其所处的角度为θ），则可将该不平衡质量m在水平方向和垂直方向上进行分解，并分别用分量mx与my来表示该不平衡质量，然后根据振动量与不平衡质量的关系，求出mx与my，进而求出m和θ。
为了确定不平衡质量
的大小及其所处的角度位置
，先在风机停机前用测振表在轴承处测试初始振动速率（振幅）
。
如左图所示，作如下分析：
3.2.1.1，确定试验质量M的数值。
M是用来确定振动与不平衡质量关系的，定义为试验质量，依据强迫振动原理，M=V0*M0/R，V0为初使振幅、M0为振动体（包括叶轮、轴、轴承等振动体）质量，R为叶轮半径，依据不同的风机确定。
3.2.1.2，在叶轮上加试验质量M并测振动值。
将叶轮划分为三等分（如左图），标记出
点、
点和
点；将试验质量M依次加于
点、
点和
点，然后依次启动风机到工作转速之后测试得同一轴承处的振动速率（振幅），即
、
与
。
3.2.2公式推导
依据上述分析，计算不平衡质量
的大小及其所处的角度位置
。
………………………………………………
（1）
初始振动速率（振幅）
。
存在如下列关系：
…………………………………
（2）
——式中：
为比例系数。
据此关系，在
点加试验质量M，启动风机到工作转速，测得振动速率（振幅）
，有如下关系:
………………………（3）
用同样的方式分别在
点和
点加试验质量M，测得相应振动速率（振幅）
与
，有以下关系：
………………（4）
……………（5）
对
（2）、（3）、（4）、（5）的两端均同时平方，得：
……………………………（6）
………………………（7）
………………（8）
……（9）
由（7）－（6）、（8）－（6）、（9）－（6）得：
……………………………（10）
……………………（11）
…………………（12）
将（10）、（11）、（12）式进行整理、计算，即有：
………………………………（13）
…………………………………（14）
……………………………………（15）
…………………………………（16）
=tg-1（my/mx）…………………………（17）
通过计算理论上准确得出了风机叶轮的不平衡质量
及其所处的角度位置
。
但由于叶轮结构方式不同，并且不平衡质量
是分布不均的，并不在理想的一点处，所以所加平衡质量MP及角度
P如下：
MP=（0.70-0.85）
…………………………………………………（18）
P=180+
…………………………………（19）
3.2.3现场检修操作方法及实际数据验证
3.2.3.1操作方法
在现场实际检修时，可按下列步骤进行：
第一步，风机停机前用测振表在轴承处测试初始振动速率（振幅）V0。
第二步，确定试验质量M的数值。
M=V0*M0/R，V0为初使振幅、M0为振动体（包括叶轮、轴、轴承等振动体）质量，R为叶轮半径，依据不同的风机确定。
第三步，加试验质量M并测振动值。
将叶轮划分为三等分（如上图），标记出P1（θ=0º）点、P2（θ=120º）点和P3（θ=240º）点，先后将试验质量M加于P1（θ=0º）点、P2（θ=120º）点和P3（θ=240º）点，然后依次启动风机到工作转速之后就得测试同一固定点（轴承）处的振动速率（或振幅），即V1、V2与V3。
第四步，计算不平衡质量m的大小及其所处的角度位置θ。
依公式（13）、（14）、（15）计算出mx与my，进而计算m和θ的值。
第五步，加平衡质量MP校正风机叶轮的不平衡。
由公式（16）计算不平衡质量m,根据叶轮特点，由公式（18）确定平衡质量MP，在
P处加此平衡质量。
3.2.3.2数据验证
在2006年8月，对烧结工序1#、3#煤压机因叶轮失衡的检修中，按上述方法操作，得到如下数据：
表一1#煤压机2006年8月
V0（mm）
V1（mm）
V2（mm）
V3（mm）
M（g）
0.4
0.6
0.7
0.1
40
M（g）
45.26
（度）
75.2
MP（g）
45.26*0.8=36.02取整36
P（度）
180+75.2=255.2取整数255
检修后振幅
0.03mm
表二2#煤压机2006年8月
V0（mm）
V1（mm）
V2（mm）
V3（mm）
M（g）
0.3
0.28
0.35
0.22
18
M（g）
60.80
（度）
113.4
MP（g）
60.80*0.75取整45
P（度）
180+113.4取整数293
检修后振幅
0.04mm
以上两组数据均验证了公式的正确。
对于平衡质量MP与不平衡质量m的比例，对同一台风机来讲，是固定的，只要经过一次检修试验确定，在以后的检修中即可使用这个比例关系。
3.2.4推广应用
本文理论分析的模型图是参考大量相关资料确定，理论上是正确无误的，推导出的公式经过了实际检验，是将经验的数据转变为准确的公式计算。
因此对于各离心式风机因叶轮失衡引起振动，用“三点法”检修时，按文中规定的操作方法操作，计算确定出平衡质量MP及位置，即可快速准确的解决振动问题。
对于酒钢各工序的离心式风机，可按下表三形式建立检修档案：
表三离心式风机检修档案表
工序
名称
型号
设计转速
型式
旋向
M0/R
MP/m
备注
烧结
1#煤气加压机
D250-11
2980r/min
离心
右
0.85
0.8
检修公司相关作业区，在第一次检修相关离心式风机时，依据图纸确定M0/R的数值，通过试验确定m/MP的关系，记入档案，在以后每次检修因叶轮失衡而振动的问题时，可使用该数据计算。
同时在数据收集齐全后，输入电脑进行编程，在每次检修时，可快速而准确的计算出平衡质量MP及位置
P，可高效优质的完成检修。
利用本文中的公式及操作方法，在现场利用“三点法”解决离心式风机叶轮失衡振动，不再是一个神秘而难以解决的问题，只要对我们的检修工进行适当培训，将会掌握这个方法并解决问题。
3.3 闪频法平衡
使用闪频测振仪在现场进行平衡,可达到很高的精度。
影响系数法不必将转子从机器上拆卸下来,在现场就可进行平衡,这是一种快速、高效、高精度的现场平衡法,也是常用的一种方法。
3.4风机现场动平衡
3.4.1 单平面或双平面平衡的选择校正失衡的转子可在一个或两个平面上加配重来实现
一般的选择原则是:
⑴转速n<100r/min时做单面平衡;⑵转速在100～1600r/min,且L/D≤015做单面平衡,L/D>015做双面平衡（L—转子宽度、D—转子直径）;⑶转速在1600r/min以上做双面平衡。
3.4.2 单面动平衡实例
多年以来,对风机进行动平衡试验,积累了较为丰富的资料与数据,通过对这些资料与数据进行认真整理、分析、研究,探索总结出风机和电机转子一次加重规律,即在风机停机之前测得各轴瓦原始不平衡振动参数,便可立刻找出风机转子不平衡质量的相位与大小,这样只要开停机一次就能完成风机转子的现场平衡工作。
α=ψ测+180°+ψ（以⊥相位为准）式中:
α—失重点的真实相位ψ测—测得⊥振动相位ψ—振动滞后角（随转速、支承方式不同而异,烧结厂1500r/min的主抽风机为40°）所需配重按
Q=115×W·A0/R·（n/3000）2估算。
式中:
W—转子质量,kg
R—配重处半径,mm
n—转子的每分钟转速,r/min
A0—测得最大振幅
3000,115为常数
以1#、2#9500m3/min的风机为例,转子质量为7800kg,半径为1200mm,转速为1500r/min,带入上式可得:
Q=115×7800·A0/1200×（1500/3000）2=
39A0（g）即风机每振动一丝配重应加39克,但按实际经验每丝应加50克。
2005年9月19日,2#105m2的主抽风机振动,采用一次加重,对风机进行现场动平衡。
在风机停机前,用动平衡仪测得风机各轴瓦原始振动幅值（μm）和相位（度）,如表1所示。
表1 风机轴瓦原始振动幅值和相位
测取方向⊥—⊙
3#轴瓦16∠330°66∠140°14∠320°
4#轴瓦7∠32033∠145°16∠310°
从以上结果来看,3#轴瓦与4#轴瓦的垂直与水平振动相位基本相同,因此是典型的动不平衡,振动是可以平衡下来的。
则风机动平衡所需加的平衡重量位置为:
α⊥=（330+320）/2+180+40=545°即185°
测得风机最大幅值为66μm,则应加平衡重量为616×50g=330g。
根据上述计算结果,确定出风机转子应加重量的大小和位置为330g∠185°。
启动风机后,测得风机各轴瓦振动幅值（μm）和相位（度）,如表2所示。
表2 风机加重后轴瓦振动幅值和相位
测取方向⊥—⊙
3#轴瓦7∠340°15∠145°6∠325°
4#轴瓦4∠33011∠150°615∠320°
根据S9500-11型风机振动标准,3丝为优,6丝为良,9丝为可,因此所测振动数据均在优秀范围之内。
第4章结论
这些年来,可以说风机现场动平衡技术在烧结厂及兄弟单位得到了广泛的应用。
这种方法操作简便,工作时间也较短,整个过程持续时间一般不超过2小时。
同时大大减轻了工人劳动强度,节省了检修时间和费用,创造了巨大的经济效益。
参考文献
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[4]梁继军.离心引风机转子现场一次加重平衡法[J].风机技术,2007,（06）.
致谢
本论文是在老师的悉心指导下完成的。
老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。
……
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