冷却循环除尘风机故障诊断

杭 磊 展 宇

（上海宝钢工业技术服务有限公司 上海）

1.概述

2011年9月6日，冷却循环除尘风机在转子现场动平衡后第7天，突然因振动增大触发风机在线振动监控跳机保护，机组停机。该风机结构为双支撑双吸离心式，主动力为三相异步电机，功率355 kW，转速997 r/min。电机和风机两侧轴承均为轴瓦式滑动轴承，电机与风机通过弹性柱销联轴器连接。

对跳机保护动作后的除尘风机进行诊断测试，使用仪器为Telesen8823数采器、CSI2130振动测试分析仪、激光转速表。机组测点布置见图1。

2.故障分析与诊断

监测风机两侧轴承座水平方向振动，以振动速度有效值作为状态报警和跳机保护参量，分别为状态报警值4.5 mm/s和跳机保护值6 mm/s。由于在线振动监测系统没有数据记录功能（仅有振动值实时显示、振值超标报警和跳机保护功能），不能确认风机跳机前后振动值变化情况，即不能确认是监测系统受到干扰或传感器故障引发信号失真而误动作，或是风机振动烈度超标而跳机保护。

图1 机组测点布置

如果是风机在线振动监测系统受到干扰或传感器故障引发信号失真而误动作，只需使用离线振动测试仪器监控风机从启动至额定转速过程的振动值变化即可进行排除；如果是风机振动烈度超标，导致风机振动大的可能原因有风机转子和轴承、轴承座紧固及基础、电机转子和轴承、电机地脚紧固及基础、机组联轴器及对中出现了故障，根据设备结构尺寸、运行参数和检修记录，上述可能故障可逐项排除，最终确定故障原因。

首先，冷却循环除尘风机7天前（2011年8月30日）刚因风机叶轮磨损进行了补焊和转子平衡校正，振动值符合绝对标准的优良级别（表1，风机在线仪表显示的振动数据与离线仪表测试值相当）。风机轴承座紧固螺栓、电机地脚紧固螺栓不可能在机组振动很小的情况下自行松动；而电机、风机基础也不可能在小振动、短时间里发生严重的沉降、开裂、松动的情况；最后，即使机组弹性柱销联轴器及对中存在问题，也不可能在7天内严重劣化导致振动烈度超过6 mm/s。因此，风机轴承座紧固及基础故障、电机地脚紧固及基础故障、机组联轴器及对中故障等可以排除。

其次，在冷却循环除尘风机跳机前后，电机和风机4个轴瓦的温度一直保持稳定，未出现波动。滑动轴承最严重、最常见的故障是润滑油不足或缺失引起的瓦轴边界摩擦和干摩擦，而风机是在运行7天后发生振动增大，即便是风机因润滑油缺失引起故障，也应是一个渐变过程，即从润滑油内部液体摩擦到瓦轴边界摩擦，再到瓦轴干摩擦。在此过程中，轴瓦的温度首先上升，接着进入瓦轴干摩擦状态时，轴承振动才会迅速增大。故电机和风机轴承发生故障引起机组振动大跳机可能性不大。

表1 机组振动值 mm/s

最后，异步电机转子和风机转子相比，质量、直径、转动惯量均远远小于风机，就是小质量、小转动惯量的电机转子单独发生故障，也很难在电机轴承的约束下通过弹性联轴器将振动毫无损失地传递给风机并造成大质量、大转动惯量的风机振动烈度超过6 mm/s。只有大质量、大转动惯量的风机转子本身发生故障才有可能在风机轴承座上产生如此强烈的振动。所以，如果风机振动烈度确实超过跳机值，那么不管电机转子是否存在故障，风机转子一定存在问题并引起风机轴承座振动异常。查阅风机检修档案，风机转子不平衡是风机投运至今常发且唯一的故障。结合此次风机水平振动值7天内从0.66 mm/s上升至6 mm/s以上的现象，认为风机转子部位有物体脱落或异物挂绕，导致其不平衡的可能性最大。据此，采用在线动平衡仪器，全程监控和记录风机从启动至额定转速过程中转频振动值和相位的变化，通过风机一次启动，完成故障判定、风机转子不平衡参数获取。

3.故障判断与验证

根据综合分析，无论风机故障是在线振动监测系统受到干扰或传感器故障引发信号失真而误动作，还是振动烈度超过了跳机保护值，只需使用测振仪和动平衡仪全程监控一次风机从启动至额定转速过程中振动幅值和相位的变化即可确认，同时为排除风机不平衡故障获取施工数据。

风机重新启动后监测结果显示，随着风机转速升高，风机振动值（水平方向）不断增大。当接近997 r/min的额定转速时，风机振动达到30.5 mm/s高值后跳机。监测过程中，在线振动监测系统、离线测振仪Telesen8823和CSI2130动平衡仪三者的振动实时值相当。因此，在线振动监测系统发生故障的可能性排除，而风机转子本体存在故障引发风机振动异常得以确认。

进一步分析，在线振动监测系统和离线测振仪Telesen8823显示的振动数值为0～1000 Hz频率段所有振动的速度有效值的通频值，而CSI2130动平衡仪显示的仅仅是风机转频振动的速度有效值，但三者的实时值基本相同，这说明在风机启动过程中，风机转频振动自始至终是能量占绝对地位的主振动，即风机转频振动是唯一振动。符合转频振动为主、振动与转速密切关联特征的转子故障有不平衡、共振等。

如果是风机转子部位有物体脱落或异物挂绕导致其不平衡，根据该风机7天前的动平衡经验系数（位置正确的情况下，在叶轮最外缘处加上700 g质量的配重，风机转频振动从2 mm/s下降至0.05 mm/s），脱落或挂绕的物体折合在叶轮最外缘处的质量约11 000 g，这是一个相当大的质量块。风机叶轮上所有平衡配重块脱落也不过2800 g，而能被风机吸入并挂绕在风机转子上的集尘布袋、纸张、抹布等异物也难达到这个质量。因此有可能是风机转子局部开裂脱落。

仔细查看从启动至额定转速过程中动平衡仪器记录的转频振动值。记录显示，风机转速250 r/min时转频振动值0.38 mm/s，500 r/min时转频振动值1.62 mm/s，750 r/min时转频振动值3.93 mm/s，而当风机转速进入900～997 r/min区间时，转频振动值迅速从5.86 mm/s上升至30.5 mm/s。可以看出，风机在转速0～900 r/min区间时，转子属于刚性转子失衡状态（高度符合风机振幅与转速的平方成正比的特性），而进入900～997 r/min区间时已处于非刚性转子失衡状态（完全不符合刚性转子失衡时振幅与转速的平方成正比的变化关系），这与以往冷却循环除尘风机在额定转速内一直处于刚性状态完全不同。

风机在500 r/min时仍处于刚性转子运行状态，此时转频振动值1.62 mm/s，故可推断出风机转子若能在刚性状态下达到额定转速时的振动值约为6.44 mm/s，而风机最终的振动值高达30.5mm/s，远远超过了这一预期值，由此肯定风机已进入了一阶临界转速的共振区间，据此认为，风机转子一阶固有频率下移并接近原设计的额定工作频率，引发共振。

分析造成转子固有频率下降的原因：影响转子固有频率的两个参数是转子刚度和转子质量，当转子刚度下降或者质量增大时，转子固有频率就会下降。在转子刚度不变的情况下，风机转子即使挂绕110 kg（按照11 000 g极限质量的10倍估算）异物，相对12 000 kg的风机转子来说，增重还不足1%，其对风机转子固有频率的影响微乎其微。所以，一定是风机转子刚度下降造成了冷却循环除尘风机转子固有频率的下降。而风机转轴、中盘等转子承重主架构存在裂纹是引起转子刚度下降的最可能原因。风机存在巨大的故障隐患，不能继续运行，必须对风机转子进行全面探伤检查。

将风机转子吊出检查发现，风机叶轮中盘在粉尘的长期磨损下厚度变薄，径向截面积变小，承载能力下降，在原有的拉应力作用下开裂，造成风机转子刚度下降严重，这与上述诊断一致。