双级轴流式通风机振动分析研究及处理工艺

孟 斌

（晋煤集团长平公司， 山西 晋城 048000）

引言

随着煤矿企业不断向大中型企业发展，大型轴流式通风机得到广泛应用。轴流式通风机的流量大、启动力矩小、对风道系统变化适应性强的优点正逐步取代离心式风机。轴流式通风机通过改变叶片的工作角度来改变工况点，不仅没有截流损失，还可以避免小流量工况下出现的不稳定现象。尤其是双级轴流式通风机，效率比单级轴流式通风机有显著提高，但是引起风机异常振动的因素也相对更加复杂。本文通过对双级轴流式通风机异常振动的故障进行分析研究，成功地解决了芦家峪主通风机在投运初期产生的异常振动问题。

1 项目研究立项背景

芦家峪回风立井安装有两台上海鼓风机厂生产的GAF40-21.1-2型双级轴流式通风机，选用YKK1000-10型风机电机，电机功率4 000 kW，转速596 r/min。芦家峪主扇于2017年9月安装完毕，设备进入最后调试和试运行阶段。试运行时，1号通风机运行平稳，2号通风机出现风机异常振动。2号通风机在刚启动运行时振动值并不大，电脑后台监控显示风机水平振动为2.9 mm/s，垂直振动达到1.5 mm/s，是符合风机安全运行要求的振动范围的。但是随着通风机运行时间的加长振动值逐渐增大，2号通风机运行至第二天，电脑后台监控显示风机水平振动达到4.5 mm/s，垂直振动达到3.1 mm/s。2号通风机运行至第三天，振动值进一步增大，而且一直处于上升趋势，没有趋于稳定，电脑后台监控显示风机水平振动达到9.8 mm/s，垂直振动达到6.3 mm/s。现场使用点检仪检测2号通风机水平振动达到9.3 mm/s，垂直振动达到5.6 mm/s。水平振动和垂直振动都大于风机振速系统报警值4.6 mm/s，严重影响到通风机的安全运行，立即执行了倒机操作，运至1号通风机运行。

2 初步分析研究

技术人员经过初步判断，出现振动异常的原因有以下四点：风机内部转子安装偏心、电机轴与风机主轴同心度偏差、风机动平衡不好、风机安装基础不牢。

2.1 风机内部转子安装偏心

风机转子安装偏心会造成风叶顶部与机壳的间隙不均匀，风机在高速运转时产生不稳定的偏心力导致风机异常振动。

通过检查风机叶片顶部与机壳之间的间隙，测量8个方向上每一片叶片顶部与机壳的间隙，测量结果间隙均匀，且间隙值都在4～8 mm规定范围内（见表1），符合通风机安全运行要求的间隙范围。通过测量分析，可以排除风机内部转子安装偏心是导致2号通风机异常振动的原因。

表1 叶片与机壳间隙检查结果 mm

2.2 电机轴与风机主轴同心度偏差

当轴系出现不对中时，主动轴角速度与从动轴角速度不同，当主动轴等速转动时，从动轴转速将发生变化，产生一定的角加速度，由此引起动载荷并发生振动[1]。通过主从动轴打百分表的方法，检查电机轴与风机主轴的同心度，检查结果同心度最大差值为0.1 mm（见下页表2），符合风机安装≤0.25 mm要求。综上测量分析，可以排除电机轴与风机主轴同心度偏差是导致2号通风机异常振动的原因。

2.3 风机动平衡不好

风机动平衡不好最主要的原因是转子质量不平衡，由于原始制造误差或叶片安装不均匀导致的质量不平衡使转子的重心有所偏离，从而导致转子产生不平衡的离心力，发生横向转动的振动，并通过轴承传播，引起整个风机在运行过程中产生振动的问题。其质量不平衡的原因主要有：其叶片的磨损或者由于腐蚀导致质量不均匀；叶轮上的零件没有固定，局部松动，导致出现质量不平衡[2]。

经过现场检查2号通风机的每一片叶片，发现所有叶片完好，紧固螺栓牢固可靠，没有任何磨损现象，经过多次手动盘车试验，风机内部转子可以在任意位置稳定停车，而且风机转子在出厂时候出具的动平衡试验报告是满足风机动平衡要求的。

综上检查试验，可以排除风机转子动平衡不好是导致2号通风机异常振动的原因。

经过以上各种分析研究检查，最后只剩下风机基础不牢的原因可能导致2号通风机异常振动，但是为了进一步确定是否由于风机基础不牢引起的通风机异常振动，需要由专业的频谱分析仪进行现场检测后根据振幅频率曲线来确定。

表2 电机轴与风机主轴同心度检查结果 mm

3 频谱分析仪检测

经过初步分析研究后，遂与通风机厂家联系，厂家安排专业技术工程师，使用专业的频谱分析仪对2号通风机振动进行检测。经测量，2号主通风机连续运行3 d期间风机整体振动逐渐增大，停机时水平振动9.8 mm/s，垂直振动4.8 mm/s。

经过对2号通风机的振幅频率进行分析发现，2号通风机异常振动不是由于风机基础不牢造成的。如果是基础不牢导致的异常振动往往导致壳体固有频谱偏移，产生共振，振动被进一步放大，甚至可以出现1个数量级的振动差别，在振幅频率图与数字的表现上应该是在垂直方向上的振动，而且振动频率在一倍频左右，图1为基础不牢振幅频率图。

图1 基础不牢振幅频率图

2号通风机实测的振幅频率图为10倍频和20倍频的振幅，异常振动应该是由于风机内部产生的气流扰动造成的。对于双级轴流式通风机而言，存在两级叶片角度配合不同步的问题，特别是单电机长轴双级轴流式通风机，由于两级叶片固定在同一长轴上，叶轮转速相同，两级叶片旋转角度差固定不变，如果两级叶片角度配合不同步，一级叶片出风量远大于二级叶片所需进风量，导致一级叶片的排气量不能顺利通过二级叶片排出，在机壳内产生气流扰动现象，引起风机整体振动异常[3]。

气流扰动产生的振动一般具有以下特点：

1）振动与机壳的刚性有一定的关系，气流扰动带动机壳振动，机壳振动影响气流的流动，气流扰动的振动频率与机壳的固有振动频率产生共振，因而，气流扰动产生的振动随着通风机运行时间加长会逐渐增大。

2）气流扰动产生的振动主要表现在水平方向上，水平方向振动值远远大于垂直方向振动值，而且在10倍频或者20倍频等高频振幅表现比较明显。

3）对于轴流式通风机，气流扰动多引起风机机壳、进出气口及机壳基础振动，对轴承及转子机械振动的影响较小。

4）对于双级轴流式通风机的叶片角度冗余度较大，两级叶片角度的偏差容易导致风机的工况点落入不稳定运行区域，产生气流扰动带动风机振动异常甚至产生喘振。

4 处理工艺及方案

1）检查两级风叶角度，并将2号风机二级风叶角度由-15°调整为-14.2°。二级风叶角度比一级风叶角度偏大0.2°。试运行后振动数据：水平振动6.9 mm/s，垂直振动 4.2 mm/s。

2）将2号风机二级风叶角度由-15°调整为-14.4°。二级风叶角度比一级风叶角度偏大0.4°。试运行后振动数据：水平振动3.9 mm/s，垂直振动2.8 mm/s。

3）将2号风机二级风叶角度由-15°调整为-14°。二级风叶角度比一级风叶角度偏大1°。试运行后振动数据：水平振动5.0 mm/s，垂直振动3.1mm/s。

4）将2号风机二级风叶角度由-15°调整为-14.5°。二级风叶角度比一级风叶角度偏大0.5°。试运行后振动数据：水平振动2.19 mm/s，垂直振动1.56 mm/s。

最终确定芦家峪2号主通风机振动异常是由于风机内部气流扰动造成的。将二级叶片角度进行微调，比一级叶片角度大0.5°时，通风机整体振动最小，并且趋于稳定水平，满足通风机安全运行条件。芦家峪2号通风机在微调风叶角度后，运行平稳正常，没有再次出现振动异常现象，从根本上解决了振动异常问题。

5 结论

气流扰动引起轴流式通风机振动总是存在的，当气流扰动较小，风机机体强度能够抵御气流扰动时，振动就不能构成隐患。所以，芦家峪1号通风机没有异常振动，但2号通风机由于制造的个体差异及两级叶片出厂精度的原因导致产生很大的气流扰动，而且气流扰动是极不稳定且动态变化的，当气流扰动的振动频率与机体的固有振动频率产生共振时将达到最严重的后果。对于双级轴流式通风机产生的异常振动要充分考虑气流扰动的影响因素。

通过对芦家峪双级轴流式通风机出现振动异常后进行各种分析研究检测，诊断结果是由于两级叶片角度配合不同步产生气流扰动引起的振动问题，由此提出了具体有效的风机振动故障的处理原则和方法，处理措施实施后从根本上解决了芦家峪主通风机的振动异常问题。

通过本例还可以认为，同时应用多种检测和分析方法互为补充对诊断和处理比较复杂的振动问题是十分有效的，特别是频谱分析仪对大型设备的振动分析检测更为直接直观，可以使工作人员在第一时间判断出振动问题的根本原因，具体处理措施应该多从设计方面和工艺方面入手可以保证彻底解决振动问题。

双级轴流式通风机振动故障分析与诊断是一项实践性很强的技术，如果不采用专用的检测设备很难查找出根本原因。使用频谱分析仪对双级轴流式通风机进行振动分析诊断，并采取针对性解决措施和工艺，对今后大型轴流式风机的安装调试起到了关键性作用。