劉彥兵，劉春虎

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西太原030003）

生產實踐·應用技術

轉爐ID風機振動故障分析與處理

劉彥兵，劉春虎

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西太原030003）

ID風機是轉爐系統(tǒng)正常冶煉的關鍵設備之一。首先對該風機的故障過程及情況進行介紹，通過運用頻譜分析法對振動異常進行分析，并經過動平衡分析計算，結合多次檢修情況，逐一排查，最終確定其故障是由墊板與機架基礎之間產生局部微變形和轉子組主軸軸承安裝軸段磨損所引起，并分別提出用研磨墊板、軸承座及機架基礎和修復轉子組主軸安裝軸承軸段的處理措施，解決了ID風機振動大的故障，保證了轉爐的正常生產。

ID風機振動頻譜分析動平衡

1 轉爐ID風機概述

1.1 ID風機的作用和工況條件

ID風機在轉爐煉鋼系統(tǒng)中起引風機的作用。煉鋼產生的煙氣在ID風機的抽吸下，進入氣化冷卻煙道、蒸發(fā)冷卻器、靜電除塵器，經過風機進入煤氣柜（見圖1）。煙氣進入ID風機的溫度約為170~180℃。

圖1 ID風機在轉爐煉鋼系統(tǒng)中的位置

1.2 ID風機的主要技術參數(shù)

風機類型為軸流風機，其風量為270000m3/h；全壓為7 500Pa；電機功率為1 000 kW電壓為670V；轉速為變頻調速，330~2 200 r/min；制造商為德國TLT公司；軸承座測振方位為測量徑向水平的振動速度。

1.3 ID風機結構

風機為軸流風機，葉輪直徑為Φ1 334mm，前軸承為固定端，采用雙列向心球面輥子軸承，型號為22224E/C3，后軸承為游動端，為CARB軸承，型號為C2218。軸承潤滑方式為油池潤滑。風機結構簡圖及軸承裝配示意圖如圖2。

圖2 ID風機的結構簡圖（單位：mm）

2 近期故障及檢修情況

2.1 故障開始的情況

2015年4月，1號風機出現(xiàn)在升速過程中振動增大的現(xiàn)象，轉速升高到接近最高轉速時，后軸振動快速增大到3.8~4.2mm/s，當達到最高轉速2 200 r/min時，又迅速降下來了，穩(wěn)定在1.7~2.1mm/s，如圖3所示。

圖3 轉爐冶煉一爐鋼的過程中振動與轉速對應關系示意圖

5月份對風機后軸承在升速過程中的振動高點情況進行了檢查跟蹤記錄，見表1。

表1 1號轉爐ID風機后軸承在升速過程中振動高點紀錄情況

分析討論后，并未找到這種振動變大的真正原因，為防止故障進一步擴大，決定利用檢修機會更換轉子，希望通過更換轉子消除這種振動增大的現(xiàn)象。

2.2 檢修過程及檢修后振動故障情況

2.2.1 第一次檢修和試車情況（見表2）

表2 第一次檢修和試車情況

2.2.2 第一次檢修后生產運行情況

試車中振動偏大，但因鐵水無法消化，被迫投入生產，生產期間振動情況如表3。

表3 第一次檢修后生產運行情況

2.2.3 第二次檢修及試車情況（見表4）

因風機振動偏大，同時28日高爐也出現(xiàn)故障，鐵水供應不足，決定再次對1號風機進行檢修。

表4 第二次檢修及試車情況

2.2.4 第二次檢修后生產運行情況（表5）

表5 第二次檢修后生產運行情況

2.2.5 第三次檢修及試車情況（表6）

根據(jù)年度檢修計劃，7月17日至24日，1號轉爐進行年檢。在此期間又對1號風機進行了檢修。

表6 第三次檢修及試車情況

2.2.6 第三次檢修后生產情況（見表7）

表7 第三次檢修后生產情況

2.2.7 第四次檢修及試車情況（表8）

根據(jù)年度檢修計劃，2016年3月21日至26日，1號轉爐進行年檢。在此期間又對1號風機進行了檢修。

表8 第四次檢修及試車情況

2.2.8 第四次檢修后生產情況（表9）

表9 第四次檢修后生產情況

2.2.9 第五次檢修及試車情況（表10）

2016年4月7日高爐休風，1號轉爐進行定檢。在此期間又對1號風機進行了檢修。

表10 第五次檢修及試車情況

2.2.10 第五次檢修后生產情況（表11）

表11 第五次檢修后生產情況

目前，冶煉一爐鋼，轉速與振動曲線的對應關系如圖2所示。

圖4 第五次檢修后一爐鋼過程中振動與轉速對應關系示意圖

最近幾次次檢修，不但未能改善風機振動情況，反而使振動有變大的趨勢。導致風機處于帶病運行狀態(tài)，無法在最高設計轉速運行，車間經常溢煙，影響環(huán)保。

3 原因分析及故障處理

3.1 原因分析

3.1.1 頻譜分析

因1號風機振動偏高，對風機進行了振動監(jiān)測診斷，數(shù)據(jù)采集和頻譜分析，認為高轉速階段的振動主要來自于5倍頻，測量分析數(shù)據(jù)如下。

3.1.1.1 趨勢分析

如圖5所示是前后軸承的振動速度峰峰值趨勢圖，通道1藍色曲線為前軸承，通道2綠色曲線是后軸承。圖5中所示是一個先升速再降速的過程，升速階段風機的轉速先后為330 r/min，500 r/min，1 000 r/min，1 500 r/min，1 800 r/min，2 000 r/min和2 100 r/min，而降速階段則快速從2 100 r/min直接降到330 r/min。從圖5中可以看出，在低中轉速階段（330~1 500 r/min），前軸承和后軸承的振動大小基本相同，曲線相互重合。而當轉速升高到1 800 r/min時，前軸承的振動值基本保持不變，仍為4mm/s左右。但后軸承的振動值迅速攀升，達到了7mm/s。隨著轉速的繼續(xù)增加，前后軸承的振動值都逐漸增大。前軸承振動最大時達到約10mm/s，而后軸承振動最大時達到約17.66mm/s。下面分別對前后軸承的波形及頻譜進行分析。3.1.1.2波形頻譜分析

圖5 前后軸承的振動速度峰峰值趨勢圖（2015-06-11）

如圖6所示是前軸承的振動加速度波形頻譜圖，圖中時刻轉子轉速為2 100 r/min，轉頻為35 Hz。從振動波形圖6中可以看出，信號的振動比較平穩(wěn)，沒有突出的沖擊成分。頻譜圖中，主要是轉頻以及它的諧波比較明顯，但是各個頻率的振動幅值并不大，沒有特別突出的成分。

圖6 前軸承的振動加速度波形頻譜圖

如下頁圖7所示是后軸承的振動加速度波形頻譜圖，圖中時刻轉子轉速為2 100 r/min，轉頻為35Hz。從頻譜圖7中可以看出，轉頻和它的各級諧波比較明顯，諧波的倍數(shù)從1倍一直延伸到15倍，其中1倍轉頻和5倍轉頻最為突出。波形圖7中，與前軸承相比，信號中有許多突出的沖擊成分。將波形圖拉開，放大，得到圖8。

圖7 后軸承的振動加速度波形頻譜圖

如圖8所示是該時刻振動波形的放大圖，從圖8中可以看出，波形圖中的沖擊成分主要是35Hz的一倍轉頻和70Hz的二倍轉頻。二倍轉頻雖然在頻譜中并不突出，但是在波形圖中可以明顯的分辨出來。而相反，在頻譜中非常突出的五倍轉頻卻很難在波形圖8中發(fā)現(xiàn)。

圖8 后軸承的振動加速度波形頻譜圖放大圖

如圖9所示是將加速度信號進行積分，得到的后軸承在轉速為2 100 r/min時的振動速度波形頻譜圖。波形圖中，與加速度波形相比，速度波形相對較為雜亂，看不出明顯的沖擊成分，與前軸承的振動速度波形較為相似。頻譜圖中，與加速度頻譜相比，經過積分計算之后，高倍的轉頻諧波相對削弱，低倍的轉頻諧波相對增強。所以可以看到一倍轉頻更為突出，五倍轉頻相對減弱，其他頻率成分都不明顯，頻譜相對干凈。

圖9 后軸承振動加速度波形頻譜圖

3.1.1.3 頻率瀑布圖分析

如圖10所示是后軸承的三維頻譜瀑布圖。橫軸是頻率，縱軸是幅值，斜軸是時間。該圖可以直觀顯示不同頻率成分隨時間的變化情況，可以判斷各種頻率出現(xiàn)的時間、相對大小和發(fā)展趨勢。該圖的時間范圍為16:04到16:18，對應的轉速為從1 500 r/min（16:04）到最高轉速2 100 r/min（16:15）再降速到330 r/min（16：18）的過程。從圖中可以看出，當轉速相對較低時（1 500 r/min），轉頻的幅值很小，其諧波也不明顯。而電機引起的電磁交變應力50Hz和它的諧波相對突出。隨著轉速的升高，轉頻的幅值隨之增加，轉頻的諧波也越來越明顯。當轉速從1 800 r/min（16:10）增加到2 000 r/min時（16:13），一倍轉頻和五倍轉頻的幅值相對比較突出。當轉速升高到2 100 r/min時（16:15），轉頻的一倍頻和五倍頻幅值再次明顯的增大。結合后軸承的趨勢圖，正是在這一階段設備的振動幅值超標過大。因此可以判斷是一倍頻和五倍頻導致了風機后軸承振動的過大[1]。

圖10 后軸承的三維頻譜瀑布圖

3.1.2 轉子不平衡

ID風機要求的動平衡精度等級G=2.5mm/s。根據(jù)公式G=en/9 550得：

式中，G為轉子平衡精度等級，G=2.5mm/s；e為允許質量偏心距，μm；n為轉子最高轉速，n=2 200 r/min。

計算得e=10.8μm。

轉子許用不平衡量U=em，其中m為轉子質量，m≈600 kg=600 000 g。

計算得：U=6 480 g·mm。

按照大概重心位置分配到兩個矯正面上分別為：U1=4 002 g·mm；U2=2 477g·mm。

兩矯正面的矯正半徑分別為r1=440mm，r2=210 mm。

則兩矯正面在動平衡校正后（見圖11）的殘余不平衡質量分別為:

因此，理論計算平衡精度在9 g以下即可。最近幾次檢修的動平衡試驗，精度都在4~5 g，滿足精度要求[2]。

圖11 轉子動平衡矯正位置示意圖（單位：mm）

3.1.3 風機軸彎

風機軸經歷了多次更換軸承，每次軸承更換拆除都采用火焰切割拆除，火焰拆除時，軸頸處受熱肯定不均勻，有可能導致軸彎曲。另外，在振動測試中，一倍頻也偏大。

在線粗測跳動。如圖12所示，拆除風機入口短節(jié)和風機上蓋后，軸承上蓋螺栓先不松，把千分表表座固定在機殼剖分面上，在A、B、C三處檢測軸的跳動[3]。

圖12 風機軸在線跳動檢測示意圖

3.1.4 后軸承座地腳連接分析

后軸承座用地腳螺栓固定在一個鋼結構底座上，而此鋼結構底座是焊在冷風室內壁上，而冷風室殼體是由后導葉支撐，后導葉焊接在冷風室外壁和風機出口管道內壁之間，風機出口管道外壁在通過一個外鋼座與基礎連接，如圖13所示。

在這些連接的環(huán)節(jié)中，地腳螺栓已確認多次可以暫排除。其他結構的剛性較大出現(xiàn)微裂紋的可能性較小，后導葉剛性較小，風機長期運行的振動（正常振動）可能導致微裂紋出現(xiàn)。

圖13 后軸承座支撐示意圖

3.1.5 共振分析

風機雖然未經改造，各部件特征頻率未變化，但是如果結構出現(xiàn)裂紋，可能會引起某些部件特征頻率的變化。

根據(jù)最近幾次檢修情況來看，暫可排除安裝方面原因，從風機本身查找；風機機架強度原因暫且排除，之前做過后軸承座機架相關結構焊縫滲透試驗，后導葉著色探傷，未發(fā)現(xiàn)有缺陷，而且基礎機架南北方向均加4根筋固定；風機轉子組動平衡原因排除，最近兩次檢修均對轉子組在動平衡機進行800多轉高速動平衡試驗調整，可滿足2 900 r/min的工況使用條件，而且現(xiàn)場也在線做過動平衡試驗，改善效果不明顯；從現(xiàn)狀分析，風機在高速運轉情況下，后軸承振動急劇變大?，F(xiàn)在分析造成的原因可能有兩個方面：一是前后軸承座墊板下機架基礎平面本身已不平，去年7月份中修加工墊板找平，墊板加工面尺寸配合機架基礎面尺寸加工，因此墊板表面局部尺寸不一樣，雖然在安裝墊板、軸承座后整體測量軸承座中分面水平度符合安裝精度要求，但風機在煉鋼狀態(tài)高速轉動下，墊板與機架基礎之間可能產生局部微變形，引起軸承振動大；二是ID風機轉子組主軸安裝軸承軸段局部有磨損，軸承與軸配合精度較差，造成軸承振動大[4]。

3.2 故障處理

2016年5月高爐休風，對ID風機再次進行檢修，主要檢修內容如下：

3.2.1 研磨墊板、軸承座及機架基礎

將加工好的墊板一個面與機架基礎面進行研磨，另一個面與軸承座底面研磨。最終測量軸承座中分面水平，符合水平度要求。

3.2.2 修復轉子組主軸安裝軸承軸段

將離線轉子組送修，著重處理主軸安裝軸承軸段，經測量局部尺寸偏離標準0.10mm左右，后激光堆焊再機加工處理，尺寸精度達到使用要求。

檢修后試車，固定端、自由端軸承振動值分別為0.76mm/s，1.08mm/s。符合功能精度要求[5]。

4 結語

ID風機作為轉爐系統(tǒng)的關鍵設備，發(fā)生振動的原因眾多，如何對這些故障進行快速準確的分析和處理，影響著轉爐的正常生產。針對本次故障，分別對常見原因一一分析，結合歷次檢修情況進行排查，經過頻譜分析，動平衡驗證等措施，最終查找到故障發(fā)生的確切原因，解決了ID風機振動大故障。

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2010.

[2]陳大禧，朱鐵光.大型回轉機械診斷現(xiàn)場實用技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[3]徐敏.設備故障診斷手冊[M].西安：西安交通大學出版社，1998.

[4]續(xù)魁昌.風機手冊：第2版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[5]熊詩波，黃長藝.機械工程測試技術基礎：第3版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

（編輯：苗運平）

Fault Analysis and Treatment of ID Fan Vibration of Converter

LIU Yanbing,LIU Chunhu
（Shanxi Taigang Stainless Steel Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi030003）

ID fan is one of the key equipment in normal smelting converter system.This paper firstly introduces the failure process and conditions of ID fan.By using spectrum analysismethod,this paper analyzes abnormal vibration. Through dynamic balance analysis and calculation,combined with severalmaintenance situation,this paper ultimately determines that the fault is produced by micro deformation between plate and frame base and rotor spindle bearing shaft section of wear and tear caused by installation,and puts forward treatmentmeasures respectively with grinding plate,bearing,frame based group and spindle bearing segment repair of rotor shaft,which solves the fault of ID fan vibration and ensures the normal production of the converter.

ID fan,vibration,spectrum analysis,dynamic balance

TH442

A

1672-1152（2017）02-0045-06

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.02.18

2016-12-18

劉彥兵（1988—），男，山西興縣，大學工學學士，助理工程師，現(xiàn)在太鋼從事機械設備點檢工作。