江 晨，樓京俊，翁雪濤

(海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，武漢430033)

某型通風機是艦艇動力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，主要作用是為工作的推進電機提供通風冷卻。為保證推進電機的正常工作，必須提供一定量的冷卻空氣。該型風機投入運行時間近10年，風機噪聲有變大的趨勢。尤其是更換了部分斷裂了的風機葉輪葉片之后，風機振動噪聲進一步加劇。因此必須對風機振動噪聲過大的原因進行分析并采取相應(yīng)降噪措施，以避免對艦艇隱身性能造成顯著影響。

1 風機噪聲產(chǎn)生機理

風機振動與噪聲從來源講主要可分為結(jié)構(gòu)振動噪聲和氣動噪聲兩大類。

1.1 結(jié)構(gòu)噪聲

結(jié)構(gòu)噪聲通常由風機制造安裝工藝和動平衡精度所決定的。通常情況下，由于風機轉(zhuǎn)子的動平衡性能可以做得比較好，因此其結(jié)構(gòu)噪聲是比較小的。但是在故障狀態(tài)下，風機就可能會產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)噪聲，且其振動特征反映了其相應(yīng)的故障模式。機械系統(tǒng)振動響應(yīng)中包含的頻率成分，反映了與之相對應(yīng)的同頻激振源;而幅值增大了的激勵源，通常也意味著某種故障的存在。因此，利用頻譜分析技術(shù)從頻域角度研究機械系統(tǒng)振動響應(yīng)的頻率構(gòu)成、頻率成分強度大小及頻率結(jié)構(gòu)的變化，可以為振動故障的識別提供豐富的故障特征信息［1］。常用的頻譜圖有幅值譜、相位譜和功率譜。目前在旋轉(zhuǎn)機械故障診斷領(lǐng)域使用較多的是幅值譜。幅值譜可以提供以下信息:振動信號中主要由哪些頻率成分及諧波分量組成的;組成的諧波分量中哪些成分的幅值最為突出，這提示著和故障的某種聯(lián)系。

1.2 氣動噪聲

風機的氣動噪聲是氣體流動過程中所產(chǎn)生的噪聲，其主要原因是氣體的非定常流動。當風機設(shè)計不良或風道中存在缺陷時，流動的氣體中會產(chǎn)生渦流或者速度、壓力等狀態(tài)參數(shù)的突變，誘發(fā)氣體本身的激蕩。激蕩的氣體作用于管道、葉片等結(jié)構(gòu)上時，就會激起這些部位的振動?？諝鈩恿φ駝又苯优c氣體在風機中的流動性能有關(guān)，因此，改善風機進、排氣管路上氣體流動性能，可以降低風機的振動［2］。氣動噪聲引起的結(jié)構(gòu)噪聲的特點是其振動頻率是結(jié)構(gòu)的固有頻率，往往與軸頻關(guān)系不大，但其振動幅值和風量、風速等的相關(guān)性很強。

2 風機振動測試

2.1 采集儀器與參考標準

本文研究的風機是離心式風機，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，電機的基頻為f0=N/60=50 Hz。

現(xiàn)場測試采用Econ信號采集分析儀，傳感器采用Dytran壓電式加速度傳感器，靈敏度統(tǒng)一設(shè)置為100 mV/g，加速度傳感器通過螺孔連接在環(huán)氧樹脂底座上，底座再通過502膠水固定在測試點上。

風機吊裝在上層甲板上，電機通過橡膠隔振器與安裝支架相連。根據(jù)文獻［3］，該型風機屬于第三類機組:額定功率15～300 kW彈性安裝機組。該類機組烈度評定等級的范圍是B級(正常工作狀態(tài))為1.8～4.5 mm/s;C級(容忍工作狀態(tài)，但必須采取維修措施)為4.5～11.2 mm/s。

2.2 振動測點布置

旋轉(zhuǎn)機械的基本負荷和轉(zhuǎn)軸上的離心力都是通過軸承傳遞的，軸承上零件的故障信息都是傳遞到軸承上的。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，軸承沒有外露部分，因此測點選取在電機自由端和輸出端靠近軸承部位，見圖1。

圖1 風機振動測點布置

振動速度測試結(jié)果見表1。

表1 機組振動速度測試結(jié)果(1) mm/s

由表1可見，機組上2個部位的振動均有不同程度的超標，其中自由端的振動烈度值為10.5 mm/s，超過振動烈度等級B(由于空間限制，輸出端軸向速度無法測試)?？梢耘袛囡L機處于C級狀態(tài)，內(nèi)部可能存在某些故障，需要及時停機檢修。

3 風機噪聲原因分析

風機轉(zhuǎn)速較高，輸出風量大，風壓高，致使風機常出現(xiàn)振動異?，F(xiàn)象。造成風機振動的因素很多，在各種振動激勵與傳輸之間又相互制約，相互重疊，致使風機故障的識別工作比較困難。相似的振動現(xiàn)象，可能是由于不同的故障原因引起的，同一類型故障也會導(dǎo)致不同的振動現(xiàn)象［4］。

3.1 結(jié)構(gòu)噪聲分析

3.1.1 機械松動

機械松動是旋轉(zhuǎn)機械比較常見的故障。松動有兩種情況，一種是地腳螺栓連接松動，其結(jié)果是引起整個機器的振動;另一種情況是零件之間正常配合被破壞，造成配合間超差引起松動。由松動引起的振動信號的頻率成分相當復(fù)雜，除了基頻之外，還產(chǎn)生高次諧波和分頻成分，有時還表現(xiàn)出一些看起來很特殊的頻率成分［5］。由地腳螺栓松動引起的振動方向特征很明顯，表現(xiàn)為垂直方向振動強烈。

從測試結(jié)果來看，風機的振動具有機腳螺栓松動的特征。但通過緊固螺栓等措施，未發(fā)現(xiàn)有松動現(xiàn)象，也未能減少振動，排除機械松動這一故障原因。

3.1.2 不平衡

由于制造誤差和使用過程中的磨損等原因，風機轉(zhuǎn)子主軸偏離其旋轉(zhuǎn)軸線，產(chǎn)生不平衡，從而在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生離心力。即使是在較小偏心距情況下的微小偏心質(zhì)量，當軸的轉(zhuǎn)速較高時，其產(chǎn)生的離心力也將對支撐軸承構(gòu)成顯著的動壓力。轉(zhuǎn)子的不平衡產(chǎn)生的振動頻率與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率相同［6］。

除此之外，不平衡振動還會激起其他一些弱小的頻率成分。不平衡振動所產(chǎn)生的離心力垂直于轉(zhuǎn)子軸線，因此在徑向上的振動大于軸向上的振動。風機在水平方向上的剛度最小，由不平衡而產(chǎn)生的激勵力在水平方向反應(yīng)最強烈。

圖2是電機輸出端的水平方向振動頻譜圖?？梢钥闯?，頻譜中軸頻分量f0非常大，符合轉(zhuǎn)子不平衡的特征，說明風機轉(zhuǎn)子平衡性不好。該風機使用時間較長，可能因為軸承磨損或葉片破壞導(dǎo)致質(zhì)量分布不平衡。

圖2 輸出端水平方向振動頻譜

3.1.3 不對中

不對中也是風機的常見故障，大多發(fā)生在聯(lián)軸器部位。軸系轉(zhuǎn)子之間不對中分為平行不對中、角度不對中、組合不對中等幾種形式，其動態(tài)特性比較復(fù)雜。平行不對中主要是會激起2倍轉(zhuǎn)頻，角度不對中則表現(xiàn)為基頻振動突出，他們的共同特點是都會產(chǎn)生高次諧波振動。當轉(zhuǎn)子同時存在較明顯的不平衡時，f0與2f0會同時出現(xiàn)峰值。其原因有軸承安裝傾斜或偏心，聯(lián)軸器安裝不當，聯(lián)軸器與軸承配合不好，聯(lián)軸器零件磨損、松動等［7］。

圖3顯示了輸出端垂向振動頻譜，具有典型的不對中的特征。由圖3可見，在電機輸出端垂直方向基頻與2倍頻振幅比較明顯，而且2倍頻處的振幅接近于基頻振幅，由此可以判斷該機組除存在不平衡問題外，還存在不對中問題。

圖3 輸出端垂向振動頻譜

3.2 氣動噪聲分析

離心風機內(nèi)部流場是三維非定常流場，應(yīng)求解具有延遲時間、包含三維流速影響的非齊次波動方程，得到旋轉(zhuǎn)葉輪產(chǎn)生的氣動聲場［8］。y(r，θ，z)表示點源，x(r'，θ'，z')表示觀察點，聲速c恒定。通過求解廣義的格林函數(shù)，得到離心風機葉輪的氣動聲學(xué)基本公式為

式中:v＇n為法向速度在葉片法向方向上的投影。其右端第1項為流體體積位移產(chǎn)生的聲音，是單極子源;第2項為作用在流體邊界上脈動力產(chǎn)生的聲音，屬于偶極子源;第三項代表體積源產(chǎn)生的聲音，是四極子源。對于二維薄板葉片，有v＇n=0，即上式右端第一項為零，原方程可簡化為

由式(2)知，在離心風機的氣動噪聲中，起主要作用的是偶極子源和四極子源。從噪聲產(chǎn)生機理來講，與之對應(yīng)的離心風機氣動噪聲主要是渦流噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲。

因為葉片的存在使得蝸殼內(nèi)的定常流動的氣體狀態(tài)并不是均勻一致的，而是存在某種穩(wěn)定的分布，且這種分布在蝸殼內(nèi)隨著葉片而旋轉(zhuǎn)。這種不均勻的氣流，作用在蝸殼上形成了壓力隨時間的脈動，即形成了旋轉(zhuǎn)噪聲，旋轉(zhuǎn)噪聲的頻率不是軸頻而是高得多的葉頻。渦流噪聲則是氣體的非定常流動引起壓力脈動所造成的［9］。氣動噪聲的共同特征是其大小與風量有很大關(guān)系。

在葉輪進風口與進口集流器之間有一定的間隙，部分空氣可以從間隙排出，因而可以控制風機的進風量。葉輪進風口與進口集流器之間的間隙是影響風機旋轉(zhuǎn)噪聲大小的重要因素，并對流量和風壓也有較大的影響，間隙增大則噪聲明顯降低［10］。為了加強風機葉輪的強度，換裝上的新葉輪厚度比舊葉輪有所增加，導(dǎo)致進風口與進口集流器之間的間隙變小，實際運行的流量過大。風機流量過大可能導(dǎo)致振動噪聲過大。

為了驗證該分析，在不改變軸的轉(zhuǎn)速的情況下，采取措施改變風量，測試振動噪聲。①用擋板堵住部分進風口(封堵面積約為40%、50%);②將風機進口集流器拆除。在這兩種情況下分別測試風機實際運行時的電流和振動速度，測試結(jié)果見表2。

表2 機組振動速度測試結(jié)果(2) mm/s

由表2可見，采取措施使風機實際運行流量變小之后，風機的振動明顯降低。

此外，通過查閱相關(guān)資料，該型風機運行在額定工況時，流量為10 000 m3/h，全壓為2 600 Pa，額定輸入功率約為10 kW。現(xiàn)場測試風機運行時的電流為57 A，電壓為240 V，估算得到電機功率為13.68 kW，大于額定輸入功率，因此實際風量大于設(shè)計所需風量。

通過以上分析可以得出，風機的實際運行工況偏離額定工況點，引起風機進口堵塞，是導(dǎo)致風機整機振動過大的原因之一。

3.3 故障分析

綜上所述，通風機振動過大是由葉片動平衡不好、機組軸安裝不對中和風機進口堵塞這三個方面因素綜合造成的。通風機的檢修要從這三個方面著手。

4 措施和效果

1)在電機自由端軸承的凹槽內(nèi)加平衡質(zhì)量塊，換上新的葉輪;

2)拆除聯(lián)軸器螺栓，打表檢驗后，發(fā)現(xiàn)電機軸與風機軸確實為平行不對中，重新進行對中;

3)調(diào)整葉輪進風口與進口集流器的間隙，增大約2 mm。

機組經(jīng)檢修后，其振動烈度值滿足GB11347—89中規(guī)定的可長期運行的要求，即Vrms≤4.5 mm/s。

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