余 鋒 盧慶華 謝 凡 劉桂花

（1.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080；2.武鋼股份能源動(dòng)力總廠 湖北 武漢：430080）

在冶金行業(yè)中，風(fēng)機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)、TRT發(fā)電機(jī)是比較常見的大型旋轉(zhuǎn)動(dòng)力設(shè)備，其核心部件是轉(zhuǎn)子。為確保設(shè)備安全可靠運(yùn)行，須定期對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢測，以評(píng)估其工作性能。由于轉(zhuǎn)子葉片對(duì)能量的轉(zhuǎn)換起著關(guān)鍵的作用，因此，對(duì)轉(zhuǎn)子的檢測重點(diǎn)是對(duì)轉(zhuǎn)子葉片的檢測，一般是對(duì)轉(zhuǎn)子上分布的多級(jí)葉片進(jìn)行測頻及探傷。

測頻是檢測轉(zhuǎn)子葉片的固有頻率。由于葉片安裝在轉(zhuǎn)子上的松緊程度不同，實(shí)測的每一葉片的固有頻率存在差異，通過計(jì)算葉片固有頻率的分散度，以此反映葉片在轉(zhuǎn)子上沿周分布的松緊和均勻程度；分散度過大，表示葉片分布的松緊的差異較大。葉片分布的松緊差異較大是造成設(shè)備振動(dòng)過大的原因之一。

對(duì)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行探傷是為了檢測轉(zhuǎn)子葉片是否存在疲勞裂紋。轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)裂紋引起轉(zhuǎn)子的不平衡，使轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生振動(dòng)，從而又加劇疲勞裂紋的擴(kuò)展，造成葉片的疲勞損壞甚至斷裂，對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械危害極大。

基于多年從事大型旋轉(zhuǎn)動(dòng)力設(shè)備轉(zhuǎn)子測頻與探傷技術(shù)服務(wù)的經(jīng)驗(yàn)積累，我們研發(fā)了一套轉(zhuǎn)子測頻分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)在對(duì)大型風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子初期故障診斷中獲得了較好的效果。

1 轉(zhuǎn)子測頻分析系統(tǒng)

1.1 工作原理

物體作簡諧振動(dòng)時(shí)的頻率稱謂物體的固有頻率。其計(jì)算公式為：

其中，m為物體的質(zhì)量，k為物體的剛度。

對(duì)于風(fēng)機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)、TRT發(fā)電機(jī)等大型旋轉(zhuǎn)動(dòng)力設(shè)備，各級(jí)轉(zhuǎn)子葉片沿周均布，可以看成是簡單的懸臂梁，當(dāng)葉片固定后，通過錘擊法，使葉片產(chǎn)生自由振動(dòng)，所測得的振動(dòng)頻率可以近似為葉片的固有頻率。由于轉(zhuǎn)子上同級(jí)葉片的大小、形狀、材質(zhì)相同，在誤差允許的范圍內(nèi)，所測得的固有頻率應(yīng)該相同。

但由于葉片與轉(zhuǎn)子并非剛性連接，葉片安裝在轉(zhuǎn)子上的松緊程度不同，葉片被激振后其自由振動(dòng)的狀態(tài)不同，因此，實(shí)測得到的葉片固有頻率存在差異，通過計(jì)算葉片固有頻率的分散度，來反映葉片沿轉(zhuǎn)子沿周分布的松緊程度。葉片固有頻率的分散度一般應(yīng)小于8%。

葉片固有頻率分散度的計(jì)算公式為：

其中，fmax為實(shí)測固有頻率的最大值，fmin為實(shí)測固有頻率的最小值，favg為實(shí)測固有頻率平均值。

葉片沿周分布的松緊程度發(fā)生變化，葉片固有頻率的分散度也隨之改變。同時(shí)，因各種原因高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子葉片產(chǎn)生疲勞裂紋，葉片裂紋的出現(xiàn)導(dǎo)致葉片剛度的降低，因而，使其固有頻率降低，這也將影響葉片的分散度。

由此可見，葉片松緊程度或（和）葉片裂紋都是導(dǎo)致葉片固有頻率分散度變化的主因。因此，定期對(duì)設(shè)備轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行測頻分析，通過歷史數(shù)據(jù)的比對(duì)，能反映設(shè)備性能的細(xì)微變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的缺陷隱患。這是通過轉(zhuǎn)子測頻分析系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)子初期故障診斷的依據(jù)所在。

轉(zhuǎn)子測頻分析系統(tǒng)的核心是對(duì)各級(jí)葉片固有頻率的分散度和每一葉片的固有頻率進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)葉片固有頻率的分散度變化較大、超標(biāo)、或存在劣化趨勢，都應(yīng)認(rèn)為設(shè)備存在缺陷隱患，需進(jìn)一步深度檢測，查明原因；而分散度的變化一定是由于單個(gè)葉片固有頻率變化所致，因此，對(duì)單個(gè)葉片固有頻率的比對(duì)使我們更容易找到問題點(diǎn)，當(dāng)同級(jí)出現(xiàn)多個(gè)葉片的固有頻率降低時(shí)，葉片出現(xiàn)疲勞裂紋的概率增大，應(yīng)尤其引起重視。

1.2 系統(tǒng)組成

轉(zhuǎn)子測頻分析系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)兩部分組成。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于葉片固有頻率的檢測，數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與歷史數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，包括設(shè)備檔案管理、檢測數(shù)據(jù)管理、檢測數(shù)據(jù)分析等功能模塊。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成

2 轉(zhuǎn)子測頻分析系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 某廠2＃汽輪鼓風(fēng)機(jī)的基本情況

設(shè)備的基本技術(shù)參數(shù)為：

型號(hào)：AV80－14（原動(dòng)機(jī)型號(hào)為NK50／80）

轉(zhuǎn)速［r／min］：4250

流量（標(biāo)態(tài)）［m3／min］：4600

進(jìn)氣壓力［MPa（A）］：0.0993

排氣壓力［MPa（G）］：0.39功率［kW］：20162

該設(shè)備于2005年2月停機(jī)檢修一次，未發(fā)現(xiàn)異常。2011年3月對(duì)該設(shè)備再次進(jìn)行停機(jī)檢修，發(fā)現(xiàn)11、12、13級(jí)葉片固有頻率分散度嚴(yán)重超標(biāo)，對(duì)全部動(dòng)葉片葉身著色探傷未發(fā)現(xiàn)裂紋，通過與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，發(fā)現(xiàn)葉片的固有頻率和分散度變化明顯，初步斷定葉片存在松動(dòng)或（和）疲勞裂紋，建議返廠對(duì)葉片拆卸后進(jìn)行全面檢測，后返廠檢測發(fā)現(xiàn)278片動(dòng)葉葉根和85塊隔葉塊葉根存在不同程度裂紋。該設(shè)備修復(fù)后現(xiàn)運(yùn)行正常。

2.2 檢測數(shù)據(jù)的比對(duì)分析

不同時(shí)間檢測的葉片固有頻率分散度見表1。

該設(shè)備轉(zhuǎn)子共有14級(jí)葉片，2011年修復(fù)前的檢測結(jié)果表明，1、2、3、5、7、8、10、11、12、13、14級(jí)葉片的分散度明顯高于2005年檢測結(jié)果，這表明，設(shè)備經(jīng)過幾年的長時(shí)間運(yùn)行，劣化趨勢明顯，特別是12、13、14級(jí)葉片的分散度已嚴(yán)重超標(biāo)。2011年修復(fù)后的檢測結(jié)果表明，各級(jí)葉片固有頻率分散度已趨于合理水平（小于8%）。

表1 葉片固有頻率分散度比對(duì)表

由于多級(jí)葉片劣化趨勢明顯甚至超標(biāo)，這種情況以往少見，我們懷疑葉片存在疲勞裂紋，但對(duì)全部葉片葉身進(jìn)行著色探傷后，未發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋，但在對(duì)每一葉片的固有頻率比對(duì)中發(fā)現(xiàn)存在諸多葉片固有頻率降低的現(xiàn)象，葉片葉根存在裂紋的概率很大。葉片固有頻率明顯降低的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

由于現(xiàn)場條件所限，無法對(duì)葉片拆卸后進(jìn)一步檢測，因此，初步判斷設(shè)備存在缺陷隱患，建議返廠深度檢測、查明原因并修復(fù)。

表2 葉片固有頻率明顯降低的統(tǒng)計(jì)表

2.3 精密檢測結(jié)果

該設(shè)備返回制造廠家后，對(duì)葉片拆卸后進(jìn)行了全面的檢測，全部動(dòng)葉葉身著色探傷后，未見裂紋顯示，這與我們現(xiàn)場檢測結(jié)果一致；對(duì)共計(jì)506片動(dòng)葉葉根探傷發(fā)現(xiàn)278片葉根存在不同程度裂紋（見表3）；對(duì)共計(jì)370塊隔葉塊探傷發(fā)現(xiàn)85塊葉根對(duì)存在不同程度裂紋（見表4）；對(duì)主軸的葉根槽著色探傷后，未見裂紋顯示。

表3 葉片葉根磁粉探傷結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表4 隔葉塊磁粉探傷結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

2.4 原因分析

2.4.1 風(fēng)機(jī)的葉片在運(yùn)行中載荷復(fù)雜

葉片是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的重要部件，風(fēng)機(jī)的葉片在運(yùn)行中載荷復(fù)雜，工作條件苛刻。葉片除工作在設(shè)計(jì)工況附近外，還經(jīng)常工作在各種非設(shè)計(jì)工況。所以，長期運(yùn)行的風(fēng)機(jī)葉片，可能會(huì)出現(xiàn)不同程度的裂紋，最終引起葉片斷裂，會(huì)對(duì)整個(gè)機(jī)組的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重的威脅。葉片故障產(chǎn)生的原因主要有：應(yīng)力破裂、低周循環(huán)疲勞（包括熱疲勞）、振動(dòng)引起的高周循環(huán)疲勞、高溫長時(shí)間載荷作用下的蠕變變形和蠕變應(yīng)力斷裂、葉片的氧化和腐蝕以及外物損傷等。

2.4.2 1～12級(jí)葉片裂紋情況的原因分析

（1）1～12級(jí)葉片運(yùn)行了8年多時(shí)間，起停機(jī)次數(shù)很多，調(diào)節(jié)次數(shù)非常多。長期運(yùn)行的風(fēng)機(jī)葉片，由于受到各種因素的影響，可能會(huì)出現(xiàn)不同程度的裂紋。另外，起停機(jī)次數(shù)很多，機(jī)組軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)葉片的影響也很大（當(dāng)軸系以頻率f作扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，緊固在軸系上的葉片運(yùn)動(dòng)由隨軸系扭振的牽連運(yùn)動(dòng)和葉片自身作切向振動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所組成）。

（2）葉片的斷裂可能是在運(yùn)行過程中的異常振動(dòng)所致，異常振動(dòng)導(dǎo)致葉片過大的動(dòng)應(yīng)力，從而使結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力超出材料的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度極限。起機(jī)、停機(jī)、休風(fēng)次數(shù)比較多，可能會(huì)加劇異常振動(dòng)的影響。

2.4.3 13、14級(jí)葉片裂紋情況的原因分析

（1）1～12級(jí)葉片裂紋對(duì)13、14級(jí)葉片裂紋有很大的影響（1～12級(jí)葉片，裂紋非常嚴(yán)重；13、14級(jí)葉片，各有1件裂紋）。

（2）1～12級(jí)葉片裂紋的存在導(dǎo)致葉片發(fā)生共振的可能性增大。裂紋的存在使強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)中不僅有激振頻率成分，而且存在高頻分量，對(duì)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)（高倍頻）有很大的影響。同時(shí)，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)又影響到葉片（包括對(duì)13、14級(jí)葉片的影響；葉片是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的主要零件，如果轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的整體振動(dòng)過大，則轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)對(duì)葉片的振動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生一定的影響）。

（3）軸系扭振中存在著葉片切向振動(dòng)頻率附近的頻率成分，1～12級(jí)葉片裂紋對(duì)軸系扭振有很大影響，軸系扭振又對(duì)葉片有影響（包括對(duì)13、14級(jí)葉片的影響）。

3 結(jié)論

由于設(shè)備性能的劣化存在一個(gè)從量變到質(zhì)變的過程，轉(zhuǎn)子測頻分析系統(tǒng)通過對(duì)不同時(shí)期歷史檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，最能反映設(shè)備性能的細(xì)微變化，從而找出問題的起因，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的缺陷隱患，以便在質(zhì)變之前采取有效措施，避免設(shè)備事故或故障的發(fā)生。

［1］ 李國華.機(jī)械故障診斷［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［2］ 丁加軍.設(shè)備故障診斷與維修［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.