浅谈频谱分析在离心通风机中的应用及实践

何湘岳

（江西铜业集团有限公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

风机是输送气体的流体机械，风机按作用原理一般分为离心式、轴流式、往复式和回转式等。离心通风机广泛用于工厂、矿井、车辆、船舶和建筑物的通风冷却、消烟除尘、气流输送。离心通风机具有效率高、流量大、输出流量均匀、结构简单、噪音小及操作简便等优点［1］。离心通风机实物图如图1所示。

图1 离心通风机实物图

2 离心通风机工作原理及基本构造

离心通风机工作时，电机带动叶轮旋转，利用高速旋转的叶轮将气体加速， 使叶轮叶片间的气体在离心力的作用下由叶轮中心处向四周扩散运动，从而使气体获得一定压力能和动能。当气体通过蜗壳时，由于截面逐渐增大，流速减慢，部分动能转化为压力能，气体从出风口进入管道。在叶轮中心处，由于气体被离心力甩出，形成一定的负压，由于大气压的作用，从而使吸入口的空气被吸入风机，随着电机的旋转，空气被不断的吸入风机，最后从排出口排出［2］。离心通风机主要部件有叶轮、机壳、主轴、轴承和集流器等。离心通风机内部结构示意图如图2所示。

图2 离心通风机内部结构示意图

3 机械振动的定义及分类

各种机械的运转过程总是伴随着各种各样的振动，用测振仪器放在设备上可以测量到不同程度的振动。有时机器运行时发出的音响也是某些零部件振动的反应。振动是一种特殊的运动形式，它是物体或质点在其平衡位置附近所做的往复运动，如果振动物体是机械的零部件、整机或其它形式的机械结构，这种振动称为机械振动［3］。振动的强弱用振动量来衡量，振动量可以是振动体的位移、速度或加速度。

机械振动有不同的分类方法：按产生振动的原因分为自由振动、强迫振动、自激振动。如设备由于不平衡、不对中引起的振动属于强迫振动；油膜涡动、振荡属于自激振动［4］。按振动的规律分为简谐振动、非谐周期振动和随机振动。大多数机械设备的振动是周期振动或准周期振动。按振动系统结构参数的特性分为线性系统和非线性系统。线性系统内的恢复力、阻尼力和惯性力分别与位移、速度和加速度成线性关系，但随着振幅的增大，有些线性系统将变成非线性系统。

4 离心通风机振动偏大的主要原因及频谱特征

引起离心风机机械振动偏大的原因主要有：转子不平衡，包含转子本身出厂平衡未达标或运行时转子受损、积灰引起的失衡；联轴器和轴承安装不对中，对中要求不达标；设备基础不牢或紧固件松动；轴弯曲；设备动静摩擦引起；轴承损坏；齿轮磨损、偏心或损坏；扭矩变化；电磁力或水动力引起等。旋转机械设备振动判定标准如图3所示。旋转机械大部分故障可以从振动中检验出来。测振，信号分析一直是预知维修的主要手段，利用振动信号对设备故障进行监测和诊断具备普遍意义，大部分机器设备都适合采用测量振动来进行状态监测与故障诊断。振动监测和故障诊断技术就是一门对设备的振动信号进行检测、分析处理、故障识别和预报的技术。频谱分析法是最基本和最常用的方法，每种故障有其对应的特征频率，根据特征频率及其变化可以确定机器的故障部位和严重程度［5］。转动机械常见故障的频率特征如表1所示。

图3 旋转机械设备振动判定标准图

表1 转动机械常见故障的频率特征

5 离心通风机典型故障案例频谱分析

5.1 不对中频谱分析案例

某厂排烟离心通风机大修后轴承温度振动异常偏高，风机转速750r/min。增加冷却风扇后降温效果不明显，为了查找风机运行异常的原因，用频谱测振分析仪对设备进行数据采集。风机联轴器侧轴承振动波形频谱图如图4所示。

图4 振动波形频谱图（测点信息OverAll值：5.058mm/sRMS值：3.400mm/s）

风机联轴器侧轴承振动指标及峰值如表2所示。

表2 振动指标及主要峰值

诊断分析与验证：从测量数据看，风机联轴器侧轴承振动相对较大，该风机转速是750r/min，则转频为12.5Hz，从频谱图中显示二倍频25Hz对应幅值4.9mm/s，从上判断设备存在不对中缺陷，该厂随即对风机进行对中调整后，风机轴承温度振动达到正常水平。

5.2 不平衡频谱分析案例

某厂一台电机转速为1500r/min的悬臂送风机，运行时主要异常表现为轴承振动偏大，叶轮侧轴承现场采集的波形频谱图如图5所示。

图5 风机振动波形频谱图

风机叶轮侧轴承振动指标及峰值如表3所示。

表3 风机振动指标及主要峰值

诊断分析与验证：通过风机运行转速可以计算出其基频为25Hz，从以上数据采集和频谱图可以看出在频率为25Hz时，对应的一个峰值为19.2mm/s，也就说送风机运行时在1倍频出现振动峰值。意味着振动偏大是由于转子不平衡所引起，结合脉冲、裕度、歪度、帩度等各时域指标分析，判断是由于风机叶轮的不平衡所造成的水平振动偏大现象，安排检修人员对风机人孔拆卸，对叶轮进行清理及做动平衡后恢复正常。

5.3 轴承故障频谱分析案例

某厂一台除尘风机运行时轴承振动突然增大，为了查找故障原因消除设备隐患，对其进行了振动数据采集。振动波形频谱图如图6所示。

图6 风机波形频谱图

轴承振动指标及峰值如表4所示。

表4 风机振动指标值及主要峰值

诊断分析与验证：从时域波形图中看，存在较强的冲击信号；从指标参数看时域指标中的峭度值大于3，为5.58；从频谱图中看在机组运行过程中存在高频振动信号，其频率对应峰值主要集中在200Hz附近。通过查找风机轴承型号，计算出轴承滚动体特征频率与故障频率吻合，判断为机组轴承滚动体故障［6］。对该风机解体检修,实际结果与诊断相符，通过更换轴承后运行正常。

6 结语

频谱分析是机械设备故障诊断中用得最广泛的信号处理方法，通过对离心通风机采用频谱分析是设备状态监测与故障诊断中的一种方法，其同样适用于其它机械旋转设备，是预知维修的基础和技术支撑，在不停机或基本不拆卸设备的情况下，能定量地掌握设备状态，预知设备异常或故障的原因。定期或连续地对设备进行状态监测，并根据状态监测和故障诊断的结果，查明设备有无劣化或故障征兆，再酌情安排检修，对设备安全稳定运行具有重要参考意义。