作者:李志文
高級(jí)工程師;工作方向?yàn)樵O(shè)備故障診斷,現(xiàn)負(fù)責(zé)公司設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷工作。
在生產(chǎn)過(guò)程中,真空泵(水環(huán)式)一直是耗能大戶,一臺(tái)紙機(jī)一般要配5~8臺(tái)真空泵,能耗高,同時(shí)也增加了設(shè)備的維護(hù)成本。為了進(jìn)一步降低成本,提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力,岳陽(yáng)林紙于近幾年開(kāi)始著力于真空系統(tǒng)改造,由透平真空風(fēng)機(jī)來(lái)替代真空泵。改造完成后,一臺(tái)紙機(jī)只需配備一臺(tái)透平真空風(fēng)機(jī)即可滿足生產(chǎn)需求。
不過(guò),在能耗降低的同時(shí),透平真空風(fēng)機(jī)的重要性也突現(xiàn)出來(lái)。如果透平真空風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障,整個(gè)紙機(jī)會(huì)因?yàn)闆](méi)有真空而全線停機(jī)。因此,在對(duì)透平真空風(fēng)機(jī)的實(shí)際維護(hù)中,要即時(shí)解決透平真空風(fēng)機(jī)出現(xiàn)的異常問(wèn)題,以保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。
透平真空風(fēng)機(jī)的工作原理與離心風(fēng)機(jī)類(lèi)似,風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口與真空室相連,風(fēng)機(jī)葉輪通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)將空氣吸進(jìn)葉輪,通過(guò)葉輪的增速加壓后排出,這樣使真空室內(nèi)造成負(fù)壓,并形成真空。如圖1。
對(duì)于多級(jí)透平真空風(fēng)機(jī),氣體經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)吸氣室進(jìn)行收集、導(dǎo)流均勻進(jìn)入葉輪,通過(guò)葉輪的高速旋轉(zhuǎn)做功,氣體受離心力作用在葉輪流道內(nèi)擴(kuò)壓流動(dòng),其速度和壓力都得到提高。氣體從葉輪出來(lái)后進(jìn)入無(wú)葉擴(kuò)壓器,由于從葉輪出來(lái)的氣流速度很高,一般在200m/s以上,為了降低氣體在彎道部分的沖擊損失,必須將一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成壓力能,經(jīng)過(guò)無(wú)葉擴(kuò)壓器的減速擴(kuò)壓后,氣流速度大大降低,氣體由彎道導(dǎo)流進(jìn)入回流器,與補(bǔ)氣口吸入的氣流混合和能量交換后,經(jīng)過(guò)回流器中導(dǎo)流葉片的收集整理,均勻進(jìn)入下一級(jí)葉輪。經(jīng)過(guò)多級(jí)葉輪做功后,氣體壓力得到很大提高,并且在不同的葉輪進(jìn)口處形成不同的真空度。
我廠透平機(jī)有三個(gè)進(jìn)氣口,因此可以形成三個(gè)不同的真空,以滿足紙機(jī)對(duì)不同真空度的需求。
透平真空風(fēng)機(jī)的效率可以達(dá)到75%,較傳統(tǒng)的真空泵效率提高了近40%。一臺(tái)透平真空風(fēng)機(jī)能替代8~10臺(tái)真空泵,能很好地達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
1 透平真空風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及故障種類(lèi)
1.1透平真空風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)
多級(jí)透平真空風(fēng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。如圖2。定子包括機(jī)箱、隔板、軸承箱等零部件。轉(zhuǎn)子包括主軸、葉輪、平衡盤(pán)等零部件。整個(gè)轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)高精度動(dòng)靜平衡校正,平衡精度為G2.5級(jí),確保轉(zhuǎn)子安全平穩(wěn)地運(yùn)行。
風(fēng)機(jī)采用滑動(dòng)軸承(也簡(jiǎn)稱(chēng)軸瓦)結(jié)構(gòu),由獨(dú)立的潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行供油。潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)置了聯(lián)鎖保護(hù),當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)意外情況時(shí),也能保證機(jī)組不會(huì)因?yàn)槿庇投鴵p壞,確保機(jī)組安全停機(jī)。
1.2透平真空風(fēng)機(jī)故障種類(lèi)
透平真空風(fēng)機(jī)屬于高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備,再結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)分析,其常見(jiàn)的故障種類(lèi)有動(dòng)不平衡、軸瓦磨損、聯(lián)軸器不對(duì)中、旋轉(zhuǎn)失速等。
1.2.1動(dòng)不平衡
透平真空風(fēng)機(jī)屬高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備,其轉(zhuǎn)速高達(dá)6,000r/min,有的甚至?xí)^(guò)10,000r/min,所以易發(fā)生動(dòng)不平衡故障,常見(jiàn)的動(dòng)不平衡故障有以下幾種:
葉片結(jié)垢:透平真空風(fēng)機(jī)通過(guò)抽吸空氣產(chǎn)生真空,如果吸入氣體中含有異物,并附著在葉片上則易使葉輪動(dòng)平衡破壞,造成動(dòng)不平衡問(wèn)題。同時(shí),透平風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,葉片上也易結(jié)水垢,造成動(dòng)不平衡問(wèn)題。
葉片斷裂:透平真空風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中,葉片發(fā)生斷裂,嚴(yán)重時(shí)葉片會(huì)出現(xiàn)掉落情況。此時(shí)葉輪的動(dòng)平衡被嚴(yán)重破壞,機(jī)組會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng),導(dǎo)致聯(lián)鎖跳停。
轉(zhuǎn)子彎曲:當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)撓度,產(chǎn)生彎曲變形時(shí),也會(huì)產(chǎn)生動(dòng)不平衡故障,導(dǎo)致機(jī)組的異常振動(dòng),振動(dòng)的大小跟彎曲變形的程度有關(guān)。彎曲越嚴(yán)重,振動(dòng)越大。
聯(lián)軸器動(dòng)不平衡:由于透平真空風(fēng)機(jī)屬于高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備,在此工況下也需要考慮聯(lián)軸器的動(dòng)不平衡問(wèn)題。如聯(lián)軸器上機(jī)前未做高速動(dòng)平衡校訂,則也有可能引起動(dòng)不平衡問(wèn)題。
1.2.2軸瓦磨損
透平真空風(fēng)機(jī)通常采用滑動(dòng)軸承來(lái)支撐轉(zhuǎn)子,其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定,可靠性高。由于滑動(dòng)軸承是靠油膜來(lái)支撐轉(zhuǎn)子,如果出現(xiàn)潤(rùn)滑不良、外力干擾等因素導(dǎo)致油膜被破壞,將使軸與軸瓦發(fā)生磨損。當(dāng)此故障發(fā)生時(shí),機(jī)組會(huì)發(fā)生明顯異常,如軸瓦溫度升高、機(jī)組振動(dòng)異常等問(wèn)題。當(dāng)軸瓦磨損時(shí),需及時(shí)處理,以避免對(duì)機(jī)組造成更大的損害。
1.2.3聯(lián)軸器不對(duì)中
透平真空風(fēng)機(jī)一般使用膜片式聯(lián)軸?,其優(yōu)點(diǎn)是剛性好,傳遞扭矩大,但同時(shí)對(duì)找正的要求也非常高。通常對(duì)透平真空風(fēng)機(jī)應(yīng)使用激光對(duì)中儀進(jìn)行找正,其找正精度應(yīng)控制在0.1mm以?xún)?nèi)。如果對(duì)中不良,設(shè)備在高速旋轉(zhuǎn)中將放大不對(duì)中的故障,引起機(jī)組振動(dòng)上升,嚴(yán)重的話將危害機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。
1.2.4旋轉(zhuǎn)失速
對(duì)透平真空風(fēng)機(jī)而言,旋轉(zhuǎn)失速通常是工藝生產(chǎn)條件的變化所引起機(jī)組的異常振動(dòng)。該故障隱蔽性強(qiáng),不易判斷。只有準(zhǔn)確診斷故障原因,采取有針對(duì)性的措施,才能有效消除故障。此類(lèi)故障也是本文說(shuō)明的重點(diǎn)。
2 旋轉(zhuǎn)失速故障機(jī)理
離心風(fēng)機(jī)的葉輪是按風(fēng)機(jī)的額定流量設(shè)計(jì)的,當(dāng)風(fēng)機(jī)在正常工況下運(yùn)行時(shí),氣體沿葉輪的切線方向進(jìn)入葉輪,如圖3(a)所示,β1為氣體進(jìn)入葉輪的角度,C1為進(jìn)氣流速。此時(shí),進(jìn)氣平穩(wěn),不會(huì)對(duì)葉輪造成沖擊。
當(dāng)風(fēng)機(jī)工況發(fā)生改變,進(jìn)氣流量減少時(shí),此時(shí)由于進(jìn)氣量減少,進(jìn)氣流速降低,導(dǎo)致氣體無(wú)法按設(shè)計(jì)工況沿葉輪切線方向進(jìn)入葉輪。進(jìn)氣角度的改變,將使氣體對(duì)葉輪造成額外的沖擊,如圖3(a)所示,β1'為工況改變后的進(jìn)氣角度,C1'為工況改變后的進(jìn)氣流速。
當(dāng)氣體與葉輪發(fā)生沖擊時(shí),有一部分氣體會(huì)在沖擊力的作用下形成氣團(tuán),氣團(tuán)會(huì)在葉輪的凹面處聚集,堵塞葉輪流道,如圖3(b)中的流道2。由于流道堵塞,導(dǎo)致后續(xù)進(jìn)來(lái)的氣體被迫流向兩側(cè)的流道——流道1和流道3。流向流道1的氣體由于是與葉輪的凹面接觸,所以不會(huì)形成新氣團(tuán),造成堵塞;流向流道3的氣體會(huì)再次與葉輪的凸面發(fā)生沖擊,形成新的氣團(tuán),造成流道3的堵塞。進(jìn)入流道3的氣體又會(huì)被迫流向兩側(cè)流道,如此循環(huán)往復(fù)。
從上述分析來(lái)看,當(dāng)風(fēng)機(jī)工況發(fā)生改變時(shí),相當(dāng)于固定有一個(gè)氣團(tuán)在風(fēng)機(jī)葉輪里發(fā)生旋轉(zhuǎn)。從葉輪外來(lái)看,氣團(tuán)的旋轉(zhuǎn)方向與葉輪是一樣的,只不過(guò)氣團(tuán)的旋轉(zhuǎn)速度小于葉輪的轉(zhuǎn)速而已,這就是風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)失速的產(chǎn)生機(jī)理。
旋轉(zhuǎn)失速在葉輪內(nèi)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)是激勵(lì)轉(zhuǎn)子發(fā)生異常振動(dòng)的激振力,該激振力會(huì)引起轉(zhuǎn)子的異常振動(dòng)頻率,記為ωS。同時(shí),旋轉(zhuǎn)失速氣團(tuán)又以頻率ω-ωS隨葉輪一起旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生振動(dòng)頻率為ω-ωS的類(lèi)似動(dòng)不平衡振動(dòng)。因此,當(dāng)機(jī)械發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速故障時(shí),轉(zhuǎn)子的異常振動(dòng)頻率同時(shí)會(huì)有ωS和(ω-ωS)兩種振動(dòng)頻率。不難看出,這兩個(gè)異常振動(dòng)的頻率之和恰好等于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)頻ω,這是判斷轉(zhuǎn)子是否出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速故障的一個(gè)重要依據(jù)。
從上述對(duì)旋轉(zhuǎn)失速故障機(jī)理的分析來(lái)看,當(dāng)設(shè)備發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速的故障時(shí),會(huì)產(chǎn)生明顯的低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻的低頻振動(dòng)。而且由于旋轉(zhuǎn)失速故障是工藝條件變化所引起的,因此當(dāng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時(shí),只需改變工藝條件,增大葉輪的進(jìn)氣量即可消除故障,無(wú)需對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修。
以下將通過(guò)具體案例對(duì)旋轉(zhuǎn)失速故障的判斷及處理進(jìn)行說(shuō)明。
我廠某車(chē)間一臺(tái)透平真空風(fēng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)透平機(jī))在正常運(yùn)行過(guò)程中,振動(dòng)值由0.4mm/s突然升至2.0mm/s,并持續(xù)保持在此振動(dòng)水平。透平機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中,其穩(wěn)定性很高,振動(dòng)很少會(huì)出現(xiàn)大幅波動(dòng)。而此時(shí)透平機(jī)振動(dòng)出現(xiàn)大幅上升,振動(dòng)值較正常水平上升了四倍,說(shuō)明透平機(jī)的運(yùn)行一定出現(xiàn)了問(wèn)題。問(wèn)題出現(xiàn)后,車(chē)間急需知道透平機(jī)振動(dòng)異常的原因,以判定故障可能的發(fā)展趨勢(shì),制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方案。
通過(guò)對(duì)透平機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集及分析,透平機(jī)存在明顯的低于轉(zhuǎn)頻的振動(dòng),且幅值突出,這應(yīng)該是透平機(jī)振動(dòng)突然上升的主要原因。其振動(dòng)頻譜圖如圖4。
圖中f0為透平機(jī)轉(zhuǎn)頻(96.98Hz),f1和f2為異常低頻振動(dòng)頻率,為造成透平機(jī)振動(dòng)上升的主要原因,其中f1為43.75Hz,f2為53.13Hz。通過(guò)計(jì)算得知f1+f2=96.88Hz,兩者之和與透平機(jī)轉(zhuǎn)頻(96.98Hz)非常接近,綜合分析,透平機(jī)應(yīng)該發(fā)生了“旋轉(zhuǎn)失速”故障。
由于透平機(jī)負(fù)責(zé)給網(wǎng)部以及壓榨部提供真空,根據(jù)旋轉(zhuǎn)失速產(chǎn)生的機(jī)理,因此有可能是紙機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中,網(wǎng)、壓部真空系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞,造成透平機(jī)進(jìn)氣不暢,從而引發(fā)葉輪的旋轉(zhuǎn)失速,造成透平機(jī)振動(dòng)的突然上升。
現(xiàn)透平機(jī)振動(dòng)雖較正常值有大幅上升,達(dá)到2.0mm/s,但離4mm/s的報(bào)警值仍然有一定差距。根據(jù)對(duì)故障的診斷結(jié)論,透平機(jī)振動(dòng)上升應(yīng)是工藝原因引起的振動(dòng)異常,因此,短期內(nèi)不會(huì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行造成明顯影響。車(chē)間根據(jù)診斷結(jié)論,決定觀察運(yùn)行,暫不進(jìn)行處理。
一周后,車(chē)間計(jì)劃停機(jī),對(duì)網(wǎng)、壓部進(jìn)行了仔細(xì)地清洗,以消除網(wǎng)、壓部的堵塞。根據(jù)對(duì)故障的診斷,透平機(jī)振動(dòng)異常是工藝條件所引起的“旋轉(zhuǎn)失速”,而非設(shè)備本身問(wèn)題,所以未對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修。
開(kāi)機(jī)后復(fù)測(cè)數(shù)據(jù),透平機(jī)振動(dòng)降到正常水平,低頻振動(dòng)能量消失,設(shè)備運(yùn)行恢復(fù)正常。
3 結(jié)束語(yǔ)
“旋轉(zhuǎn)失速”是透平?的專(zhuān)屬故障。此次透平機(jī)故障的準(zhǔn)確診斷,對(duì)透平機(jī)的運(yùn)行提供了很好的參考建議,既保證了生產(chǎn)的連續(xù)性,又避免了設(shè)備的意外損壞。
因透平機(jī)旋轉(zhuǎn)失速所引發(fā)的振動(dòng)異常,雖然其隱蔽性強(qiáng),現(xiàn)場(chǎng)不易判斷原因,但只要準(zhǔn)確診斷了故障原因,則易采取針對(duì)性措施,快速消除隱患,保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。
來(lái)源:《中華紙業(yè)》2021年第8期
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