动平衡技术在卧螺离心机振动问题中的应用

范志卿 傅树霞 李 宁

(广东石油化工学院 a.机电工程学院；b.广东省石化装备故障诊断重点实验室)

动平衡技术在卧螺离心机振动问题中的应用

范志卿1a傅树霞b李 宁a

(广东石油化工学院 a.机电工程学院；b.广东省石化装备故障诊断重点实验室)

针对某污水处理厂卧式螺旋离心脱水机出现的振动和异常噪声问题进行了研究，通过拆机检查发现卧式螺旋脱水机的螺旋输送器叶片发生了较大磨损，分析表明振动主要由螺旋输送器磨损造成的不平衡引起。对螺旋输送器叶片维修后进行了动平衡校正，装机后振动明显减小，达到安全运行标准。

卧式螺旋离心机 螺旋输送器 振动 动平衡

卧式螺旋离心脱水机是一种卧式螺旋卸料、连续操作的高效离心分离、沉降设备，常用于对液-固、液-液、液-液-固等非均相混合物的分离，广泛应用于污水处理厂中[1]。由于卧螺离心机是连续性操作，处理量大，在应用中会造成螺旋叶片的严重磨损，螺旋叶片磨损后,通常会使螺旋的输渣能力降低,造成沉渣含湿量增大从而引起设备故障，降低生产效率，这就需要定期对螺旋输送器上的螺旋叶片进行检查维修[2]。

振动是转动机械运行中的一项重要指标，转动部件质量不平衡是引起振动最为普遍的原因之一。卧式螺旋离心脱水机是一种典型的旋转机械，螺旋输送器是其中重要的转动部件，螺旋输送器上的螺旋叶片磨损通常会引起设备不正常的振动。长时间不正常的振动会造成机组金属材料疲劳损坏，螺旋输送器上的紧固件发生松动，进而产生设备故障甚至发生事故。因此，转子动平衡技术是转子在制造、安装调试或修理时必不可少的一个步骤，在化工行业中有广泛的应用价值。

1 卧式螺旋离心脱水机振动分析

某污水处理厂日处理污水达10万吨，采用AAO工艺。近期发现污泥脱水车间卧式螺旋离心脱水机发生过大振动和异常噪声，在左右轴承座处测量发现其垂直振动分别达到7.37mm/s和8.54mm/s，已超过我国规定的行业标准(表1)，必须立即停机进行检查[3]。

表1 离心分离机典型振动区域边界限值

注：Ⅰ类——主电机输出功率在15kW以下；Ⅱ类——主电机输出功率在15～75kW之间；Ⅲ类——主电机输出功率在75kW以上；A——新安装使用的机器振动区域；B——该区域的振动值通常被认为是合格的，可长期运行； C——该区域的振动值通常被认为不适合长期持续运行，需在合适的时机进行停车检修；D——该区域的振动值通常被认为振动剧烈，足以引起机器损坏。

卧式螺旋离心脱水机一般振动是由3个方面引起的：工艺问题、机械问题和电气问题。通过检查物料的成分和进料速度发现并无什么问题，首先就可排除工艺问题。之后对电机振动进行测量，结果并无过大振动，检查差速器运行状态也无明显问题，可以排除电气问题。那么基本可以确定是由机械问题引起的，笔者决定进行拆机检查。

离心机振动的机械问题一般是由以下问题引起的：轴承润滑系统出现故障导致轴承出现磨损；螺旋叶片缠绕上杂物、堵塞，引起转动问题；基座等固定位置螺栓出现松动；螺旋叶片磨损破坏转子动平衡[4]。通过拆机检查发现螺旋叶片出现严重磨损，分析可能是磨损导致不平衡引起的，所以决定对螺旋输送器进行修补并进行动平衡处理。

2 螺旋输送器动平衡的必要性

螺旋输送器的结构设计、材料选择和设计参数直接影响离心机的生产能力、分离效果和使用寿命[5]。螺旋输送器一般由螺旋叶片、内筒和进料室构成，并在尾端开有进料口，加上螺旋叶片的不均匀分布，都会造成螺旋输送器各截面质量单元的分布不均，进而对螺旋输送器的动平衡效果造成严重影响。因此，在螺旋输送器安装前必须进行动平衡，以免安装后在高速运转中发生剧烈振动，发生安全事故。

在卧式螺旋离心脱水机的日常运转中，螺旋输送器的螺旋叶片是与沉渣直接接触并高速旋转，因此通常螺旋叶片会产生很大的磨损，磨损后造成沉渣湿含量增加，离心机的工作效率显著下降。同时，为了节能的考虑许多生产厂家加大了螺旋输送器的长径比，这样就造成设备长时间运行螺旋输送器的轴发生变形，产生质心偏移，因而在设备运转中发生振动[6]。在一些污水处理厂，由于离心机用于污水的离心处理，长时间运行之后，螺旋叶片产生锈蚀和结垢，这些都会影响螺旋输送器的质量分布，进而产生振动，严重的发生安全隐患。

通常整机的现场动平衡能很好地解决设备的振动问题，但由于叶片磨损、结垢和锈蚀造成的工作效率降低和原料离心效果的影响并不能得到解决。同时螺旋输送器两个支承端中间是长跨距，长时间放置容易发生轴的变形。因此需要对螺旋输送器进行定期检查维修，尤其是对螺旋叶片进行修补和对内筒进行找正。在修补后安装回离心机之前，必须进行机上动平衡，因为维修后破坏了螺旋输送器之前的平衡效果，如果不平衡量过大，设备在启动时将产生强烈的振动，严重的甚至造成设备损坏，人员伤亡。

3 螺旋输送器动平衡方法

螺旋输送器作为高速旋转机械，无论是在安装调试之前还是在维修之后，都需要重新进行动平衡，在此主要用的是螺旋输送器机上动平衡技术。针对螺旋输送器的特殊结构，采取低应力均衡加重法进行双面动平衡。

3.1 支撑位的选取

任何转子在进行动平衡之前都要确定其支撑位置，通常会选取转子实际的轴承位作为动平衡的支撑位，但是在一些特殊情况下会根据叶轮等分布情况进行选取[7]。

螺旋输送器上分布有螺旋叶片，不能作为支撑位，支撑位置只能选择靠两端位置。由于其两端并没有轴颈，所以需进行配做心轴，以心轴为支撑位置(图1)。

图1 螺旋输送器动平衡实际操作

3.2 平衡面的确定

动平衡一般采取双面平衡法，需要在转子上选取两个面作为其平衡面。平衡面的选取一般遵循力臂平衡原理，使两个平衡面尽量相距较远，以达到不平衡量较小的目的，通常都选择转子上的叶轮以方便进行去重[8]。

螺旋输送器没有叶轮，因此根据力臂平衡原理选择在鼓身上相距较远便于操作的两个位置确定为平衡面进行动平衡。

3.3 平衡配重

根据螺旋输送器的结构外形，并没有明显适合进行打磨处理的位置，通过动平衡机测量其不平衡量的大小，一般当不平衡量大于30g时采取平衡加重，当不平衡量不足30g时，可以适当的在平衡面位置进行打磨去重。

当对螺旋输送器进行焊接加重时，必须考虑对结构的影响和材料性质。螺旋输送器大多为不锈钢材料，配重块在焊接时一般采用集中热源在局部加热,因此会在螺旋输送器的焊接区域上产生不均匀温度场产生焊接变形[9]。

4 工程应用

离心机的螺旋输送器主要承担着分离任务，物料经过右端的进料口通入输送器柱身中，再通过柱身上的分液口进入螺旋叶片中，在离心力和螺旋叶片的推力下，液体经由左侧排出，固体残渣从右侧排出，剖面简图如图2所示。

图2 离心机运行剖面图

由于离心机振动过大分离效果减弱，拆机检修发现其右端固体排出口的螺旋叶片磨损比较严重，影响分离效果，决定对螺旋叶片进行修补。此螺旋输送器全长2 700mm，重435kg,最大直径450mm，工作转速2 980r/min。利用304不锈钢对磨损严重的螺旋叶片进行了修补，为方便动平衡校正，在两端中心位置配备了心轴进行支撑。选择输送器两端靠中心两个叶片处为平衡面进行平衡配重。该转子为刚性转子，在平衡机上选择450r/min的速度进行平衡测量，初始不平衡量结果见表2。

测量结果显示右侧配重面有较大的不平衡量，对于初始的测量结果首先要进行试配重，通常采用工业用胶泥进行模拟配重。本次实验根据实际配重情况将200g胶泥分成了60、80、60g，分别添加在右侧测量角度的位置和两边相距10°左右的距离进行了固定，同时对左侧不平衡位置添加了30g的配重，测量结果见表3(转速仍保持450r/min)。

表3 模拟加重后不平衡量

此次测量发现右侧不平衡显著降低，说明初始测量结果是正确的，同时选择的配重量和位置也是准确的，可以进行焊接加重。针对模拟配重的测量结果，分别选取30、60、80、60g不锈钢块在之前的位置进行焊接。初始焊接采用点焊的方式进行固定，敲掉焊渣等温度恢复至室温后测量，结果见表4。

表4 平衡配重后不平衡量

测量结果显示不平衡量已明显降低，动平衡目的初步达成，接下来对配重块进行补焊，防止运行中发生脱落。同时焊接完成后进行测量，对小范围的不平衡量进行打磨去重，使离心机的螺旋输送器的平衡精度达到要求，最终结果见表5。

表5 平衡去重后测量

根据最后测得的结果，其平衡品质等级已达到G2.5，低于离心机螺旋输送器G6.3的国家标准，平衡完成。

5 结束语

维修后的螺旋输送器安装后首先进行了空载运行，测得其轴承位处的垂直振动烈度分别为2.56mm/s和3.47mm/s，振动明显减小，达到国家规定的行业标准。动平衡技术是卧式螺旋输送器进行维护、保养必不可少的一种手段，在卧式螺旋输送器使用说明书上有明确要求。因此动平衡技术在解决离心机的振动问题中有很高的应用价值。

[1] 张赛涛. 污水处理厂卧螺离心机运行技术研究[J]. 给水排水，2013，39(z1)：492～496.

[2] 黄志新. 卧螺离心机螺旋输送器结构、强度及其转鼓内的流场研究[D]. 北京：北京化工大学，2007.

[3] 刘宏祥. 卧螺沉降式离心机振动原因分析[J]. 中国设备工程，2010，(11)：42～44.

[4] 蔡芝斌. 绍兴污水处理厂离心机系统存在的问题及解决对策[J]. 中国给水排水，2014,30(8)：92～95.

[5] 孙启才，金鼎五. 离心机原理结构与设计计算[M]. 北京：机械工业出版社，1987.

[6] 李龙. LWS400卧螺离心机参数变化对转鼓强度和刚度的影响[J]. 当代化工,2014,43(11):2346～2349，2357.

[7] 傅树霞,孙铁,伊辉芹,等. 石油化工厂离心泵转子动平衡技术的研究与应用[J]. 化工机械，2014,41(1)：110～113.

[8] 刘曦泽，李多民，段滋华. 双支撑离心泵转子动平衡技术的研究[J]. 流体机械，2012,40(10)：54～57.

[9] 曾志斌，史志强，史永吉. 大型钢结构厚板对接焊接变形试验研究[J]. 中国铁道科学，2009,30(3)：33～39.

范志卿(1989-)，助教，从事转子动平衡校正的研究，fanzhiqing001@126.com。

TQ051.8+4

B

0254-6094(2017)02-0213-04

2016-09-07)