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      羅茨風機振動干擾問題研究

      羅茨風機振動干擾問題研究

      山東錦工有限公司是一家專業生產羅茨風機、羅茨鼓風機等機械設備公司,位于有“鐵匠之鄉”之稱的山東省章丘市相公鎮,近年來,錦工致力于新產品的研發,新產品雙油箱羅茨鼓風機、水冷羅茨鼓風機、油驅羅茨鼓風機、低噪音羅茨鼓風機,贏得了市場好評和認可。此類產品已廣泛應用于電力、污水處理、環保、化工、鋼鐵、建材、農藥、制藥等行業。產品和服務遠銷全國各地及東南亞,深受客戶好評。

      羅茨風機的振動是用戶和我們制造廠家共同關注的問題。振動超標,會使軸承溫度上升,磨損加劇,嚴重的還會使地腳螺栓斷裂,軸承箱體開裂,甚至會使葉輪開裂和解體。減小振動的最好辦法是進行動平衡:葉輪平衡和整機動平衡。為什么葉輪在動平衡機上達到標準,還要進行整機動平衡,因為風機的振動是由周期性的干擾力產生。根據機械振動的公式:X=-F/K,在彈性形變范圍之內,振動的大小X與干擾力F成正比,與系統的剛性K成反比。
      1.風機所受的主要干擾力
      風機運行時受到空間力系的作用。在這一力系中,不做周期性變化的力,不產生干擾力,如重力、軸承座對軸承的反作用力等等,它們稱為靜反力。周期性的干擾力稱為動反力。周期性干擾力包括3種。
      1.1偏心干擾力
      由于制造誤差和材料不均勻等因素,使葉輪的質心不在葉輪的圓心上,有一個偏移量e(e=OP,方向從O到P)。就使得葉輪運轉時產生一個羅茨鼓力,也叫偏心干擾力。假設葉輪轉子的質量為m,角速度為ω,則偏心干擾力F=meω。而ω=nπ/30。
      例m=5000kg
      e=0.02mm=0.02×10-3m
      n=980r/min
      則F=5000×0.02×10-3×([980×π)/30]2
      ≈1053.2N
      干擾力F還是相當大的。
      葉輪在平衡床上做動平衡配重,實際上是對葉輪的重心進行調整,使重心盡量處在軸線上。但在平衡床上做動平衡配重存在 3 點不足(無論是單面還是雙面):(1)平衡床的轉速一般只有幾百轉,與實際使用時有很大的差距;(2)葉輪在平衡床做動平衡配重,受空氣阻力的影響。如果是在真空和失重狀態下做動平衡配重,葉輪的重心偏移量可以做得更小一些;(3)動平衡方式的不同,使動平衡余量不同。如平衡床上是F型傳動做的,風機可能是D型傳動的。這樣,葉輪的質心不可能完全在葉輪的幾何圓心上。
      1.2氣動干擾力
      同樣,由于制造誤差和材料不均勻等原因,風機運行時,氣流作用在各葉片及葉輪各部位的作用力就不一樣,無法使它的合力等于零。這樣,就產生了氣動干擾力,主要有:
      1.2.1葉片的差異引起干擾力
      葉輪在制造時是存在誤差的,如各葉片的角度、方向、輪盤及輪蓋的間隙都可能存在差異。由于生產上差異的存在,運行時各葉片所受到的氣體反作用力之和不等于零,即∑F=F1+F2+F3+…+Fn≠0, 就產生了氣動干擾力。氣動干擾力隨轉速、風量的增大而增大。
      1.2.2輪盤、輪蓋的晃動干擾
      輪盤、輪蓋的端面跳動要控制在一定的要求內,目的就是要減小因晃動產生的干擾。輪盤、輪蓋的晃動將會在軸向產生周期性的干擾力,通過空氣的傳動,機殼也會產生振動。
      1.2.3反饋氣流的干擾力
      羅茨鼓風機的葉輪與集流器(進風口)之間有一定的間隙,該間隙的存在,就使一部分氣流回流。這部分氣流可以叫做反饋氣流。反饋氣流的穩定與否,也將影響風機的振動。所以,安裝時要求葉輪與進風口之間四周的間隙均勻,重疊量要保證,目的就是使反饋氣流最小并穩定,以減小風機的振動。一般來說,反饋氣流越小,風機功效越高,反之風機功效就低。
      1.2.4機殼內壓力分布差異
      葉輪運行時,向四周輸送的風量是一樣的,但受機殼的限制,風只能向一個方向移動。因機殼各部位的空氣壓力不一樣。如果風機在平穩狀態下運行時,風機內的壓力分布就比較穩定,對風機的振動干擾比較小。但隨著運行情況的改變,如轉速、風門開度等,都會使風機內的壓力分布產生變化,從而引起振動變化。這就是為什么改變風門、轉速時振動會增大或減小的原因之一。該干擾存在于運行狀態情況的變化之中。
      1.3偏心干擾力和氣動干擾力的疊加與消除
      葉輪在平衡床上以一定的轉速(低速)做動平衡, 每個葉輪都達到了標準,使氣動干擾力和偏心干擾力都減小到標準的要求。但這個不平衡余量,實際上是偏心干擾力和氣動干擾力合力的體現;因而,無法知道偏心干擾力和氣動干擾力各自的大小和方向。當風機實際高速運行時,偏心干擾力和氣動干擾力也隨著增大。如果這兩個力的夾角不大于 120°或小于240°,則合力大于這兩個分力,這樣的葉輪裝機運行,振動就很大;如果這兩個力的夾角大于120°且小于240°,則合力小于這兩個分力,這樣的葉輪裝機運行,振動就較小。
      所以,振動大的,還要進行整機動平衡。這樣,我們就可以知道, 葉輪在平衡床上進行了動平衡,每只葉輪都達到了標準。為什么還要進行整機動平衡?我們就可以解析, 葉輪裝機之后開機,有的一試就好;有的振動很大,要配重;有的葉輪與機殼的位置做一定的移動,振動也會好一些,而對大型風機,最好的辦法是進行葉輪超速動平衡。
      在氣動干擾的情況中,葉輪的晃動干擾,氣流反饋干擾,壓力分布差異,與葉輪、機殼和進風口的位置關系,有人把它叫“氣隙”。偏心干擾力和氣動干擾力組成葉輪轉子的干擾合力,分別作用于兩個軸座上。對于葉輪轉子來說,運行條件一定,它的干擾合力也穩定。對于F型傳動的風機,有人曾用合力的疊加和消除來減小振動。利用同心度誤差干擾力和轉子干擾力相互抵消來減小振動。
      2.材料剛性對振動的影響
      (1)長期處于振動超標的情況下運行,會引起材料剛性的下降。(2)風機振動超標,底座剛性太好,會引起軸承箱體的開裂。(3)風機試車時,有時會碰到這樣的情況:風機轉速漸漸增加,在某個轉速下,振動一直良好,當超過這個轉速時,振動突然明顯增大。這就是風機的材料彈性形變引起干擾力的躍變。風機隨轉速的增加,羅茨鼓力也隨著增加,當羅茨鼓力增加到一定程度,終于引起了葉片、主軸等的明顯的彈性形變,從而引起了偏心量的增加,偏心干擾力也明顯增大;由于葉片、主軸等產生明顯的彈性形變,葉片與氣流的作用力也產生了改變,即氣動干擾力也產生了改變。當運行狀態穩定后,干擾力處于穩定,又可以進行動平衡。這時的平衡,是對彈性形變引起的干擾力進行平衡。但這種平衡的風機往往會產生這樣的啟動情況:剛啟動時,振動不大;到某個程度時,振動特別大;風機運行后,振動又不大。
      3.關于風機的對中
      風機的對中與不對中,一般認為符合安裝要求的為對中。但我們可以進一步的擴展:風機的振動是空間力系綜合作用的結果,也可以簡化為“質量-彈簧系”的振動,這種振動產生的形變,在彈性形變范圍內的,我們都可以稱之為對中,反之為不對中。判斷風機的振動形變是否運行在彈性形變范圍內,與“質量-彈簧系”相比,要復雜的多。聯軸器同心度誤差、水平度誤差偏大,地腳螺栓及其它固定(下轉第154頁)(上接第15頁)螺栓松動,軸承損壞,水泥基礎剛性不夠,葉輪材料疲勞等。這些都可能使風機(整體)的振動不在彈性形變范圍內?,F場動平衡難做,主要在如何判斷風機是否運行在彈性形變范圍內。了解了風機葉輪的受力情況,同時又能夠判斷風機振動的形變是否運行在彈性形變范圍內,使現場做動平衡也相對簡單。
      4.結論
      羅茨鼓風機的動平衡首要的條件是風機要運行在彈性形變范圍之內,其次是振動干擾力要在穩定的狀態下。在這樣的條件下,初始的振動數據和試重振動數據才是可靠、可用的,風機系統復雜的空間力系才可以簡化為“質量-彈簧系”,符合X=-F/K的要求,風機的動平衡也就變得容易和簡單了。

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