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离心风机振动干扰力的分析

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公司新闻
发布时间:
2019/12/17 09:02
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  离心风机的振动是用户和制造厂家共同关注的问题。振动超标,会使轴承温度上升,磨损加剧,严重的还会使地脚螺栓断裂,轴承箱体开裂,甚至会使叶轮开裂和解体。

  减小振动的最好办法是进行动平衡:叶轮平衡和整机动平衡。

  为什么叶轮在动平衡机上达到标准,还要进行整机动平衡,因为风机的振动是由周期性的干扰力产生。根据机械振动的公式:X=-F/K,在弹性形变范围之内,振动的大小X与干扰力F成正比,与系统的刚性K成反比。

1 风机所受的主要干扰力

  风机运行时受到空间力系的作用。在这一力系中,不做周期性变化的力,不产生干扰力,如重力、轴承座对轴承的反作用力等等,它们称为静反力。周期性的干扰力称为动反力。周期性干扰力包括3种。

1.1 偏心干扰力

  由于制造误差和材料不均匀等因素,使叶轮的质心不在叶轮的圆心上,有一个偏移量e(e=OP,方向从O到P)。就使得叶轮运转时产生一个离心力,也叫偏心干扰力(见图1)。假设叶轮转子的质量为m,角速度为ω,则偏心干扰力F=meω。而ω=nπ/30。

  例m=5 000㎏

  e=0.02mm=0.02×10-3 m

  n=980 r/min

  则F=5 000×0.02×10-3×[(980×π)/30]2≈1 053.2N

  干扰力F还是相当大的。

  叶轮在平衡床上做动平衡配重,实际上是对叶轮的重心进行调整,使重心尽量处在轴线上。但在平衡床上做动平衡配重存在3点不足(无论是单面还是双面):

  1) 平衡床的转速一般只有几百转,与实际使用时有很大的差距;

  2) 叶轮在平衡床做动平衡配重,受空气阻力的影响。如果是在真空和失重状态下做动平衡配重,叶轮的重心偏移量可以做得更小一些;

  3) 动平衡方式的不同,使动平衡余量不同。如平衡床上是F型传动做的,风机可能是D型传动的。这样,叶轮的质心不可能完全在叶轮的几何圆心上。

1.2 气动干扰力

  同样,由于制造误差和材料不均匀等原因,风机运行时,气流作用在各叶片及叶轮各部位的作用力就不一样,无法使它的合力等于零。这样,就产生了气动干扰力,主要有:

1.2.1 叶片的差异引起干扰力

  叶轮在制造时是存在误差的,如各叶片的角度、方向、轮盘及轮盖的间隙都可能存在差异。由于生产上差异的存在,运行时各叶片所受到的气体反作用力之和不等于零,即∑F=F1+F2+F3+…+Fn≠0, 就产生了气动干扰力。气动干扰力随转速、风量的增大而增大。

1.2.2 轮盘、轮盖的晃动干扰

  轮盘、轮盖的端面跳动要控制在一定的要求内,目的就是要减小因晃动产生的干扰。轮盘、轮盖的晃动将会在轴向产生周期性的干扰力,通过空气的传动,机壳也会产生振动。

1.2.3 反馈气流的干扰力

  风机的叶轮与集流器(进风口)之间有一定的间隙,该间隙的存在,就使一部分气流回流。这部分气流可以叫做反馈气流。反馈气流的稳定与否,也将影响风机的振动。所以,安装时要求叶轮与进风口之间四周的间隙均匀,重叠量要保证,目的就是使反馈气流最小并稳定,以减小风机的振动。一般来说,反馈气流越小,风机功效越高,反之风机功效就低,见图4。

1.2.4 机壳内压力分布差异

  叶轮运行时,向四周输送的风量是一样的,但受机壳的限制,风只能向一个方向移动。因机壳各部位的空气压力不一样。如果风机在平稳状态下运行时,风机内的压力分布就比较稳定,对风机的振动干扰比较小。但随着运行情况的改变,如转速、风门开度等,都会使风机内的压力分布产生变化,从而引起振动变化。这就是为什么改变风门、转速时振动会增大或减小的原因之一。该干扰存在于运行状态情况的变化之中。

1.3 偏心干扰力和气动干扰力的叠加与消除

  叶轮在平衡床上以一定的转速(低速)做动平衡, 每个叶轮都达到了标准,使气动干扰力和偏心干扰力都减小到标准的要求。但这个不平衡余量,实际上是偏心干扰力和气动干扰力合力的体现;因而,无法知道偏心干扰力和气动干扰力各自的大小和方向。当风机实际高速运行时,偏心干扰力和气动干扰力也随着增大。

  如果这两个力的夹角不大于120°或小于240°,则合力大于这两个分力,这样的叶轮装机运行,振动就很大;如果这两个力的夹角大于120°且小于240°(图5阴影部分),则合力小于这两个分力,这样的叶轮装机运行,振动就较小。所以,振动大的,还要进行整机动平衡。这样,我们就可以知道, 叶轮在平衡床上进行了动平衡,每只叶轮都达到了标准。为什么还要进行整机动平衡?我们就可以解析, 叶轮装机之后开机,有的一试就好;有的振动很大,要配重;有的叶轮与机壳的位置做一定的移动,振动也会好一些,而对大型风机,最好的办法是进行叶轮超速动平衡。

  一般来说,在气动干扰的情况中,叶轮的晃动干扰,气流反馈干扰,压力分布差异,与叶轮、机壳和进风口的位置关系,有人把它叫“气隙”。偏心干扰力和气动干扰力组成叶轮转子的干扰合力,分别作用于两个轴座上。对于叶轮转子来说,运行条件一定,它的干扰合力也稳定。对于F型传动的风机,有人曾用合力的叠加和消除来减小振动。利用同心度误差干扰力和转子干扰力相互抵消来减小振动。

2 材料刚性对振动的影响

  1) 长期处于振动超标的情况下运行,会引起材料刚性的下降。如同样是R6-2*30№.28F风机,安徽某厂的风机由于一直振动超标,轴承座较疲劳。当磨损修复后配重,其所需的配重块就较小,说明轴承座的刚性小;而福建某厂振动一直很好,当磨损修复后配重,其所需的配重块就较大,说明轴承座的刚性好。

  2) 风机振动超标,底座刚性太好,会引起轴承箱体的开裂。山东某厂的高温风机,一直处在振动超标的状况下运行,固定端的地脚螺栓完好,测出的振动值也比非固定端小,但固定端的轴承箱体却开裂了(见图6)。非固定端的地脚螺栓较松,甚至有两根断了,测出的振动值也比固定端大,但轴承箱体完好。

  3) 风机试车时,有时会碰到这样的情况:风机转速渐渐增加,在某个转速下,振动一直良好,当超过这个转速时,振动突然明显增大。这就是风机的材料弹性形变引起干扰力的跃变。

  风机随转速的增加,离心力也随着增加,当离心力增加到一定程度,终于引起了叶片、主轴等的明显的弹性形变,从而引起了偏心量的增加,偏心干扰力也明显增大;由于叶片、主轴等产生明显的弹性形变,叶片与气流的作用力也产生了改变,即气动干扰力也产生了改变。当运行状态稳定后,干扰力处于稳定,又可以进行动平衡。这时的平衡,是对弹性形变引起的干扰力进行平衡。

  但这种平衡的风机往往会产生这样的启动情况:刚启动时,振动不大;到某个程度时,振动特别大;风机运行后,振动又不大。

3 关于风机的对中

  风机的对中与不对中,一般认为符合安装要求的为对中。但我们可以进一步的扩展:风机的振动是空间力系综合作用的结果,也可以简化为“质量-弹簧系”的振动,这种振动产生的形变,在弹性形变范围内的,我们都可以称之为对中,反之为不对中。

  判断风机的振动形变是否运行在弹性形变范围内,与“质量-弹簧系”相比,要复杂的多。联轴器同心度误差、水平度误差偏大,地脚螺栓及其它固定螺栓松动,轴承损坏,水泥基础刚性不够,叶轮材料疲劳等。这些都可能使风机(整体)的振动不在弹性形变范围内。现场动平衡难做,主要在如何判断风机是否运行在弹性形变范围内。

  了解了风机叶轮的受力情况,同时又能够判断风机振动的形变是否运行在弹性形变范围内,使现场做动平衡也相对简单。

4 结论

  风机的动平衡首要的条件是风机要运行在弹性形变范围之内,其次是振动干扰力要在稳定的状态下。在这样的条件下,初始的振动数据和试重振动数据才是可靠、可用的,风机系统复杂的空间力系才可以简化为“质量-弹簧系”,符合X=-F/K的要求,风机的动平衡也就变得容易和简单了。

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