朱红兵
(上海宝钢节能环保技术有限公司，上海201999)
摘要：以焦化厂导焦除尘风机为例，对于节能改造后调速运行的大型动力旋转设备的疲劳强度进行了计算分析，结果表明，对于承受交变应力的旋转设备,应充分考虑尺寸系数和构件残余应力对所选材料疲劳强度极限值的影响，对其核心部件进行抗疲劳设计和校核工作。同时对激振力与旋转设备固有频率耦合振动的现象作了定性分析和说明。鉴于该类设备对生产工艺和产能实现的重要程度，引入了设备状态智能监测系统，对该系统的架构和功能作了阐述，并确定了下一步的主要研究方向。
关键词：动力设备；旋转设备；交变应力；疲劳强度；固有频率；状态智能监测
冶金企业为满足各生产单元工艺的需要，配置了各类风机、水泵及压缩机等通用动力旋转设备。在当前系统节能改造需求的驱动下，原恒速运行依靠阀门调节的动力设备尤指大型离心压缩机和离心通风机设备,在后续对其进行变速节能改造后，设备根据工艺需求处于周期性循环变速的运行状态下,动力设备转子就出现了两个问题: ①转子材料处于交变应力下的疲劳强度问题。所采用的材料疲劳强度是否能够适应其在运行过程中产生的最大内应力，这涉及到关键设备的可靠性问题。2015年曾有这样的案例：圆方坯电炉除尘增压风机在使用较长时间后，叶轮中盘磨损严重,受交变载荷作用,叶片与中盘焊接部位局部疲劳损伤形成裂纹,在风机离心力作用下，叶轮中盘瞬时撕裂，造成事故。②动力设备在某一转速下的气流激振频率会与转子部件的固有频率接近或重合，其后果必然导致动力设备产生很大的振动，这同样涉及到关键设备的安全性与可靠性问题。
鉴于上述分析，有必要对上述两种情况的具体原理和计算方法进行详细梳理和澄清，从设计优化和制造工艺方面提出有针对性的方法和措施;并从建立关键动力设备运行状态监测系统为切入点，对该类关键设备进行实时监测，该系统包括设备运行状态信息、设备工艺运行数据以及设备能效方面的数据分析、统计和预警等功能，较之于常规的监控系统，面向的对象、数据采集方式、系统架构和系统功能均有所不同和创新。
1交变应力下转子的强度计算与 分析
1.1交变应力的循环特性分析
现以焦化厂导焦除尘风机为例说明变速节能改造后转子所承受的交变应力的循环特性。转子结构图见图1。
导焦除尘的烟气量根据出焦过程的烟气发生量变化而实时变化。焦炉的装煤及导焦工作周期性间断进行，7.63 m焦炉每8 min各装煤和推焦1次，而这8 min中只有3 min是产生烟尘的作业时间，此时除尘风机应高速运行，其他5 min不产生烟尘，除尘风机则应低速运行，如图2所示。导焦除尘风机实施调速改造后，设备运转必须与推焦车联锁，推焦时除尘风机高速运行，其余时间风机则低速运行，从而节约能耗。
当设备处于如图2所示的周期性高低速运行状态时，调速相当频繁，转子处于交变载荷状态。有大量的工程实例表明，在交变应力条件下工作的转子部件，即使它是用塑性材料制成的，而且部件的最大应力低于材料在静载荷下的屈服强度σs，经过长期的运行使用后,在没有显著的塑性变形的情况下也会发生突然断裂，造成飞车事故。一般认为这都是由于材料的疲劳造成的,但根据文献［1］的试验研究成果发现，造成部件正式损坏的原因并非疲劳,而是塑性材料内部裂缝逐渐扩展的结果,习惯上仍然称这种破坏为疲劳破坏, 而部件抵抗这种破坏的能力，称为疲劳强度。
从材料力学对疲劳破坏的形成和发展机理分析可知，材料对疲劳破坏的抵抗能力主要受两个方面因素的影响[2] :
(1)疲劳破坏是逐渐积累的过程，故材料对疲劳破坏的抵抗能力与所受工作应力的循环次数N有关。在交变应力作用下的转子部件,其强度条件与静载荷下的情况已经不同，因此要重新建立部件在交变应力下的强度条件,则首先必须测定交变应力作用下材料的极限应力值。该值是动力转子部件在交变应力作用下建立强度条件的主要依据。对于黑色金属来说，循环次数定义为N＝107次，也就是说，在交变应力的作用下经107 次循环材料不发生断裂,继续增加循环次数也不会发生断裂。
(2)材料疲劳破坏与应力变化程度有关，即与应力循环特性r有关。r的表达式如式(1):
式中： σmin和σmax分别为应力循环中的最小应力值和最大应力值。
据此,交变应力循环大体上可分为三种情况:r＝0时,为脉冲循环;r＝—1时，为对称循环，即通常所讲的正反转交替运行;0 <r <1时为不对称循环。文中所讨论的交变应力属于不对称循环特性。
同一种材料承受对称循环应力时的疲劳极限应力值最小，以[σ-1]表示,如果计算出来的转子部件承受的最大应力值不大于该材料的疲劳极限应力值[σ-1]时，则转子就不会发生疲劳破坏的现象。
1.2交变应力的机械强度计算实例分析
以焦化厂导焦除尘风机为例说明承受交变应力转子的机械强度计算过程。设备型号为Y6 -40 2 X23.2F,风机型式为双吸双支撑型式，设计最大风量为40万m3/h,设计全压为6 000 Pa,温度为80 l，最高转速为950 r/min。设备在最低转速238 r/min和最高转速950 r/min两个点位上循环变速运行，转子应力与转速的平方成正比, 转子应力循环特性r＝0. 067,即转子的交变应力是一个不对称循环。
由材料力学可知,提高局部区域的材料强度可以提高疲劳强度，因此,该转子材料设计采用高强度合金钢材料,以提高叶轮的疲劳强度,其力学性能见表1。通过强度计算，可知转子的叶片进气端和轮盖进口的圆周部分是内应力最集中的地方，因此，必须在轮盖进口处增加进口圈以提高轮盖强度，并分别将叶片、轮盘和轮盖的材料厚度在常规设计的基础上分别增加20% ,从而提高转子抵抗疲劳的能力。优化设计后的转子强度计算结果如图3所示。
通过FEA有限元分析计算得出叶轮的最大应力为160.2 MPa,位于叶片的进气端。根据文献[1]提供的数据和计算公式可知,对称循环应力的疲劳极限如下。
拉压疲劳极限应力值：
扭转疲劳极限应力值：
上述叶轮主要承受的是弯曲应力，所选用高强度钢材料的抗拉强度σb二780 MPa (取最小值，相对保守)，按公式(3 )计算得出弯曲疲劳极限应力值[σ-1]＝538 MPa。
叶轮的最大应力值160. 2 MPa,远小于该材料的弯曲疲劳极限应力值538 MPa。并且静力学计算的安全系数分别为：叶片安全系数3.97,轮盖安全系数4. 96，中盘安全系数5. 51,比常规的安全系数1.50〜2. 00大得多，这是不是说明材料选择偏于安全，造成了不必要的浪费呢？通过 1.3节的分析可以得出结论。
1.3提高转子抗交变应力疲劳的相关对策
1.3. 1影响部件疲劳强度的因素分析
根据材料疲劳试验报告可知,测定材料疲劳极限时采用的是标准试件，即表面磨光、没有应力集中影响的光滑小试件。而实际情况是：由于部 件外形引起的应力集中、部件尺寸的大小、部件表面的光洁程度以及周围介质对部件的腐蚀作用等因素对材料的疲劳强度均有不同程度的影响。重点考量因素包括应力集中和尺寸大小这两方面因素的影响，因此便引入构件在对称循环交变应力下的疲劳极限的概念，表达符号为[σ-1]构，其计算公式如式(5)[1]：
式中:ɛ为绝对尺寸影响系数，一般恒小于1 ；Kσ有效应力集中影响系数，一般恒大于1。
针对本计算案例，可查阅相关设计手册得出ɛ取0.73，Kσ取值比较困难,一般手册仅给出了棒材形状在有加工圆角时的有效应力集中影响系数，而事实上,动力设备的转子部分则是一个冷加工焊接件(传动主轴除外)，结构比较复杂而且不规则，由于加工工艺和焊接工艺等诸多因素的影响，叶轮的疲劳极限降低。在实际生产过程中，采用合理的加工工艺和焊接工艺，并且在焊接后整体消除内应力，可以最大程度地减小应力集中对转子疲劳极限的影响，参照文献[1]中的相关资料,心取值2.08〜2. 13是可行的,这样可得出构件的实际弯曲疲劳极限值为[σ-1]构=
由此看出，转子的最大应力值为160.2 MPa, 仍然小于构件的实际弯曲疲劳极限应力值184.3〜188.8 MPa,转子长期运行是安全的。实际工程项目运行显示,该设备至今运行已达5年以上，除定期检修维护外，转子运行无安全事故。最终详细设计时叶片材料厚度为12 mm,轮盘材料厚度为25 mm,轮盖厚度为12 m叫进口加强圈厚度为45 mm。
1.3.2 提高部件疲劳强度的相应对策和措施
由上文的分析可以看出，构件的实际疲劳极限值是决定交变应力作用下构件强度条件的主要依据。虽然影响构件疲劳强度的因素很多，但主要因素除尺寸效应外，则为应力集中对疲劳极限的影响最大。下面主要针对应力集中这一问题提出相关措施来提高转子部件的疲劳极限。
(1)应采用合理的结构设计,减少应力集中的影响。重点在于前盘进口圈和锯齿形中盘的结构设计。
如在设计前盘进口圈时，由于该件为锻件，致密性较好,其与锥形前盘焊接而成,为了保证气流顺畅,图4所示前盘进口处设计成圆弧形状，同时为了降低应力的影响,圆弧半径应尽可能大些,通常设计成该圆弧与锥形前盘的法线延长线相切为最佳，做到一举两得。
另外,设计采用锯齿形耐磨中盘时,在尽可能降低转子转动惯量的同时,应保证切割后的锯齿中盘其凸齿有足够的厚度和强度，保证切口光滑,避免出现硬边和裂纹现象,保证齿间凹缘为一圆滑的圆弧，以消除此间的应力集中。根据文献[3]中的推荐，只要确保齿间凹缘圆弧半径R =2%D，(D为转子叶轮外径),锯齿形中盘凹缘根部直径Dc＞70%，,叶轮转子构件的安全可靠性就可以得到保证，其应力集中现象也可得到大幅度消除。
(2) 合理的焊接工艺对消除应力影响至关重要，包括采用合理的焊接坡口、合适的焊接电流、合理的焊接顺序、良好的焊缝质量及焊后消除焊接应力等措施，将有效地减小焊接应力集中。无论是对接焊缝还是角焊缝,如果采用如图5所示的坡口焊接型式,在焊接前开坡口 ,焊接后又作局部的加工处理,使得焊缝呈饱满圆弧过渡型式,则可大大提咼构件抗疲劳损坏的能力。
(3) 通过工艺措施提高构件表面层材料的强度，以提高构件的疲劳极限。对于结构较复杂的部件,可以采用喷丸或喷砂的表面强化处理方法,降低或消除表面伤痕引起的应力集中。此外，该法可以降低构件表面的粗糙度，对于强度较高的合金钢，粗糙度的高低对应力集中的影响更加敏感，所以必须精细加工，以降低构件表面的粗糙度。
2动力设备转子气流激振的原理分析及消除对策
根据现场工程师描述，对于变速调节运行的动力设备,在高频或较低频率下设备运行正常,但当在某一频率附近范围内运行时，如45〜48 Hz, 则设备振动较为明显,并且会发生膜片联轴器的膜片损坏或齿式联轴器的联接螺栓断裂等现象, 对设备的长期稳定运行产生相当大的影响。
2.1原理分析
叶片的通过频率为叶片数与运行频率的乘积。当叶轮变速运行时，则叶片的通过频率也相应变化，叶轮在一定范围的转速调节时，叶片的通过频率也是一个范围。对于导焦除尘风机，其叶片数为12片，转速调节范围为238〜950 r/min,则叶片的通过频率范围为47. 6〜190.0 Hz。
而动力旋转设备其转子的各种部件均具有其固有的共振频率,在运行过程中,这些部件在其固有频率下很可能被激振。转子中的任何一个部件如果在其固有频率下受到一些外力的激振，与叶片的通过频率重合或接近时,则会出现难以预料的故障。
通过分析可以看出,叶片通过频率可以看成是一种激振源。对于导焦除尘风机，其通常在高速和低速两个速度点上工作，也就是说该激振频率只有两个点，实际情况是,转子在从高速向低速或从低速向高速调节过程中,其激振频率会在高速点和低速点的范围内变化，而零部件的固有频率很可能在该范围内与其重合。 在实际变速调节时，如在某一点位上出现振动变大情况时,可采取快速通过的方式，避开此点即可。这样对于导焦除尘风机来讲，气流激振的问题就简化了 ,只需着重关注高速和低速两个点位的激振频率是否与转子各部件的固有频率重合即可。
在采用常规的转子叶轮部件运行时,发现有几个大的振动峰值。其中最主要的是前盘在185Hz时的响应,其固有频率与高速时的气流激振频率相当接近。
2.2采取措施
提高转子叶轮部件的固有频率达到400 Hz以上,则可以避免以上问题的出现。采用加强件修复后的转子,增加其刚性,改变零件的固有频率以避免在变速运行下出现激振,使其固有频率远避开叶片的通过频率（即气流激振频率）,重点工作在于确定转子叶轮各部件加强件的型式和加强部位,具体可参考相关文献[4]。
3动力设备状态智能监测系统
由于该类动力设备大部分为生产中的关键设备，建立远程监测系统实时监测设备的运行状态、工艺运行数据和能效运行数据是十分必要的。该监测系统一般采用3层网络结构，由现场数据采集层、现场监测层和信息显示管理层组成，如图6 所示。
3.1系统架构
该远程监测系统设计成C/S结构的分布式系统,现场设采集站，分别就近采集动力设备的相关数据,并能在现场进行监控，同时这些采集站的数据通过网络汇总到远程服务器中，在远程服务器中可以查看所有设备的相关数据，并进行相应的存储、分析和判断。
每个采集站可根据现场情况通过板卡或者模块采集现场的模拟信号，如果采用数采模块进行现场数据采集,基本示意图如图7所示。主机通过RS-485串口关联多个数采模块（图中模块的数量和类型仅为示意图）,进行数据的实时采集。
如果采用数采板卡进行现场数据采集,基本示意图如图8所示
如果通过数采模块采集现场信号,点数较多的话,则考虑到现场设备的通讯速度以及距离等问题,需合理安排每个串口级联的模块数量，并且容易出现数据丢包等问题,最终决定采用数采模块与数采板卡混合的方式进行现场数据采集。对于设备运行状态信息（如温度和振动信号）,采用专业检测公司研发的在线监测装置，其具备电信号RJ45网络传输接口，便于通过光电转换器转换成光信号进行远距离传输;对于动力设备的工艺运行参数（如流量、压力、压差、转速等），则先通过对应的流量传感器、压力变送器、差压变送器以及转速磁阻传感器进行数据采集转换成模拟量信号，再将众多的模拟量信号汇总到多通道的数采板卡中，其同样具备电信号RJ45网络传输接口，然后转换成光信号进行远距离传输;而对于设备能效数据（如电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数和耗电量等），则先通过专业的电参量监测模块进行数据采集和转换， 通过模块的 RSs485 串口以Modbus协议上传到具备多通道的串口服务器中，其同样具备电信号RJ45网络传输接口，然后转换成光信号远距离传输。 最终的系统架构简图见图9。
需要特别说明的是，在实际工程项目中，碰到更多的是已经具备了信号采集层和现场监测层的设备监控系统，只有简单的信号显示功能，没有独立的状态监测系统，即缺少信息显示管理层。对这类数据如何提取到远程独立的状态监测，系统中有两种方式:
第一种是在现场传感器传输上来的模拟信号上加装隔离模块分出信号,利用采集板卡采集后进入现场工作站，把数据定时转发到远程监控服务器。
第二种是通过网络,直接从PLC中读出相关种类的检测数据后进入现场工作站，把数据定时转发到远程监控服务器。
上述两种方式的取舍看现场能否从PLC中获取检测数据,尽量采取第二种方式,硬件投入较少。数据采集系统结构如图10。
3.2系统功能
3.2.1 总体功能
(1)对动力设备的状态、性能、能耗进行实时监控,提供监测指标的实时计算结果
(2) 将处理后的实时信号进行集中显示，对设备的异常情况给予预警和报警,并保存数据的历史记录。
(3) 对设备各种重要数据提供趋势曲线、报表等分析工具。
(4) 根据监测指标的实时计算结果,为能效改善提供依据。
3.2.2特殊功能说明
( 1 ) 本系统有别于常规的监测系统的方面主要在于增加了设备工艺运行和能效数据的监测和分析功能, 其信号采集的有效性和准确性作为监测和分析的基础。尤其是气体流量的在线测量很多场合采用节流装置(如孔板、喷嘴、文丘里管等)的差压测量方法，由于节流装置流量计的不可恢复压损占信号总压的40%〜80% ,而均速管流量计仅为2%〜15% ,能耗比节流装置流量计低；同时考虑到冶金行业动力设备尤其是除尘风机系统中，气体介质由于烟尘、湿度、高温和黏性等因素的影响，在线测量条件比较恶劣，流量计测孔很容易结垢引起堵塞,更为严重的是,有些工艺系统中输送介质含有易燃、易爆等成分，这样在拆卸和清洗检测杆的过程中,必须停机离线清洗，在实际操作过程中会带来很大的不便。因此本监测系统开发出了方便拆卸、能够不停机离线清洗的气体流量均速管在线测量装置(即椭圆巴流量计)，其安装示意图见图11。
同时,为了能够准确、实时地反映能源实际消耗状况,本监测系统采用了符合国家能源审计及节能监测标准的三相电参数数据综合采集模块, 实时采集设备能耗数据，见图12。
基于此，建立动力设备系统气动性能和能效评估的在线定量分析系统，其监测画面如图13 所示。
根据监测指标的计算结果,得出流量变化、压力变化、性能曲线偏移、效率变化和能耗方面的相关数据，生成包括工艺参数和能源消耗的报表(2017年5月19日报表见表2)，为后续优化调整和性能改善提供基础数据。
(2)建立了转子部件疲劳损坏产生振动突变的故障分析方法。
振动突变通常预示设备存在故障，它具有不可预见、难以捕捉的特性，必须结合振动趋势、运行工况、振动波形和频谱、故障诊断经验及其他因素，对设备进行综合评价，发现故障。
在转子裂纹产生过程中，转子本身的刚度发生变化，转子状态不稳，振动值产生突变。一旦裂纹形成，使轴系振动失稳引发振动突变，转子两端支撑轴承振动都会有反应。根据机组的不同特性，振动异常主要表现为相位不稳定、振动值漂移等，见图14 。
通过对有无裂纹叶片的振动特性的对比，发现叶片的固有频率等一些特性发生明显的变化,随着裂纹深度的增加，叶片的固有频率降低，此时可以发现，当转子运行转速降低时,设备振动值反而有增大的趋势，并且在趋于稳定前的摆动振幅增大，稳定后的振幅也增大,这些故障特征可以有效地帮助识别叶片裂纹的存在。
4今后的主要研究方向
(1) 动力设备设计与研究必须在首先满足安全可靠的前提下，实现高效节能。随着动力设备的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度也越来越高，由于各种因素的影响,有时设备会出现各种各样的故障,甚至造成严重的灾难性事故, 因此必须进一步加强动力设备的可靠性设计方法研究与制造工艺革新,将其融会贯通到设备的全生命周期内，使其各项技术指标与预期相符。
(2) 开展状态、性能、能效相结合的设备状态判断规则研究。设备运行中需要对风量、风压等进行调节，以配合生产工艺的需要。调整过程中各参量间可能会出现匹配不合理情况,如出口压力太高或流量偏离设计点过多时，会出现喘振、湍流、脉动等现象,造成系统运行不稳定,引起设备状态变化。此时可通过信息融合，找出设备状态运行信号与各工艺量变化之间的关系,在制定相应的判定规则时增加判断要素，最终准确判断故障，并在现场不同类型的动力设备上进行验证和完善[5]。
参考文献
[1] 蔡怀崇•材料力学[ M].西安:西安交通大学岀版社,2004: 261 -269.
[2] 机械工程手册电动机工程手册编辑委员会•机械工程手册 机械设计基础卷[ M ] .2版•北京:机械工业岀版社,1997: 85 -89.
[3] 林延召•锯齿中盘防磨风机的应用[ J] •风机技术，1996 (3) ：20 -22.
[4] 王明武•动力机械强度[ M].北京：国防工业岀版社,1990: 57 -59.
[5] 张克南，陈卫东,杨大雷，等•现代流程企业设备状态管理 的系统策划与实践[ M].上海：上海科学技术岀版社， 2007:219 -224.