风机底座与混凝土基础之间的处理对风机振动的影响

  摘要：文章以风机底座与混凝土基础之间的处理方式为主要研究对象，简要介绍离心式风机的广泛应用和混凝土基础对风机机组运行稳定性及安全性的重要影响。在此基础上，纵观风机基础设计的国家标准，结合我公司风机基础的设计规范，以我公司向广州圣嘉机电设备有限公司提供的13台篦冷机风机为例，剖析F1（5719）、FG1（5709）、FG3（5708）、FG6A（5716）四台风机振动值超标事故，对风机底座与混凝土基础之间的处理方式进行分析，并针对广州圣嘉机电设备有限公司风机混凝土基础设计与设备安装中存在的缺陷提出建议，以期为我国离心式风机混凝土基础设计者提供有益的理论依据。

  关键词：离心风机；混凝土基础；垫铁；地脚螺栓；振动

  引言

  离心风机作为通用设备在工业生产中广泛应用。其中，水泥工业中离心风机主要用于原料循环风机、窑头及窑尾排风机、窑尾高温风机、煤磨系统风机、水泥磨系统风机、篦冷机系统风机及部分输送风机^[1]。常见的离心式风机系统包括风机混凝土基础、电机、电动执行器、轴承、联轴器、底座、测温测振装置、风机本体、调风门、出口软连接、消音器及地脚螺栓等^[2]。其中,风机混凝土基础、风机底座及其之间的连接作为风机的支撑体系,在风机设计和运行时均占有举足轻重的地位^[3]。但是，在风机的实际应用中，大部分用户往往只重视日常维护对风机运行的影响，却忽略了由于风机底座与混凝土基础之间处理不当而产生的不稳定性和不安全性，从而引起风机使用寿命缩短的问题^[4]。

  1 风机底座与混凝土基础之间的处理方式及要求

  离心风机是一种噪音低，效率高，应用范围广的通用机械设备。在满载荷运转下，风机各组成部件必须保证风机系统能够安全、稳定地运行。其中，满足风机混凝土基础、安装垫铁及地脚螺栓的各项要求是保证风机能够稳定、安全运行的重要保障。

  1.1 混凝土基础的要求

  1）风机地基基础一般采用钢筋混凝土，按内力大小通过计算配置钢筋或按土建规范配置构造钢筋。二次灌浆用的混凝土标号为250号和300号，其详细配比见附表1。

  2）风机及其底座边缘到基础侧面的净距离一般不小于100mm，风机总图中已标明二次灌浆的找平层或灌浆层的位置和尺寸，其厚度不小于25mm，我公司一般采用50mm。

  3）二次灌浆必须在设备各项安装精度调整合格后24小时内进行，逾时应重新调整安装精度；二次灌浆强度未达到70%以上时，不得在机组上进行任何其他作业，防止位移。

  1.2 垫铁的安装要求

  垫铁是风机安装中最常用的基本材料之一，将其垫于风机底座与混凝土基础之间，用其承受风机的质量和运转中产生的各种动负荷，并在安装时调整风机的标高和横、纵水平度。垫铁的安装要求如下。

  1）斜垫铁必须成对使用，且每一垫铁组只能使用一对斜垫铁，每一垫铁组不宜超过5块。垫铁的表面必须平整，每组垫铁数一般不超过3～4块，厚垫铁放在下层，而最薄垫铁应夹在中间，以免产生翘曲变形，同一组垫铁放置必须整齐。设备调整好水平和方位，再将每组垫铁焊接固定好。

  2）为了使每一垫铁之间、垫铁与设备底座之间接触良好，垫铁接触面的加工精度应达到要求，粗燥度要求应不低于12.5 。

  3）垫铁组的位置和数量应符合下列要求。每个地脚螺栓旁边至少有一组垫铁，在不影响灌浆的情况下，垫铁组应放在靠近地脚螺栓和底座主要受力部位下方，相邻两垫铁组间的距离宜为500～1000mm。

  4）风机机组找正、找平后，垫铁端面应露出风机机组底座外缘，平垫铁宜露出10～30mm，斜垫铁宜露出1-～50mm。垫铁组伸入风机机组底面的长短应超过地脚螺栓的中心。

  1.3 地脚螺栓的安装要求

  将风机紧固到混凝土基础上的螺栓，具有较强的稳定性。图1所示的是风机地脚螺栓的安装要求图。其中，1-螺母、2-垫圈、3-成对斜垫铁、4-平垫铁、5-地脚螺栓。

图1 基础预留孔地脚螺栓安装要求图

  图2 风机底座与混凝土基础的安装示意图

  随着风机安装工艺要求的逐渐提高，风机底座与混凝土基础之间的安装技术也在不断发展。符合国家标准的风机底座与混凝土基础的安装示意图如图2所示，其中，1-混凝土基础、2-一次灌浆、3-底座底面、4-二次灌浆层、5-成对斜垫铁、6-平垫铁、7-麻面、8-地脚螺栓、9-风机方箱底座。

  2 工程概况

  2014年2月，广州圣嘉机电设备有限公司从我公司购买13台篦冷机风机，应用于青海西宁盐湖海纳化工有限公司水泥生产一线篦冷机风机的技术改造项目。其中，F1（5719）、FG1（5709）、FG3（5708）、FG6A（5716）四台风机运行一个月后，出现振动值超标问题。现以振动值最大的F1（5719）风机为例进行分析，业主初步认为：由于叶轮不平衡所导致风机叶轮被震裂，我公司更换叶轮后，振动值仍不达标；而我公司初步断定为：风机本体与混凝土基础连接方式、安装垫铁及二次灌浆不符合风机技术要求所致，具体详述见下文。

  3 风机振动值超标的原因及解决方案

  3.1 超标原因

  在青海西宁盐湖海纳化工有限公司水泥生产一线篦冷机风机的技术改造项目中，风机业主为达到尽快投产，缩短安装工期的目的，采用预埋铁板与风机整体底座焊接的方式。篦冷机风机的现场安装方法及存在的缺陷如下所述。

  1）风机地基基础预埋铁板面积较小（长宽150mm，厚约25mm），如图3所示；仅用直径为25mm、长约300~400mm圆钢焊接后浇筑到预埋铁板下表面，如图4所示。此预埋铁板承受扭剪力较差，因此，所有预埋铁板均从圆钢焊接处断裂。

图3 改造前风机现场预埋铁板

图4 改造前风机现场预埋铁板与圆钢焊接图[Page]

  2）无斜垫铁调平，垫铁仅用两块或多块钢板叠放调平，钢板之间的缝隙和垫铁接触不完全是造成颤动的主要原因。

  3）风机传动装置（电机、轴承座及整体方箱）沿中心轴线对称布置四块预埋钢板，前后部位无预埋垫铁。

  采用上述安装方法，风机主要靠圆钢与钢板焊接的方式连接于风机混凝土基础，且没有进行二次灌浆。风机混凝土基础的连接力明显不足以克服风机叶轮产生的离心力，使用一段时间后，圆钢焊接处焊缝开裂，风机振动增大，最终导致叶轮轮毂及轮毂加强锥焊缝开裂。

  另外，其他9台风机采用的是整体钢板预埋于地基基础与风机整体底座焊接，风机整体底座与混凝土基础稳定性较上述方法好一些，振动值能够满足技术要求。

  3.2 解决方案

  在青海西宁盐湖海纳化工有限公司水泥生产一线篦冷机风机的技术改造项目中，由于风机业主没有按照文章第一部分所述的风机底座与混凝土基础之间的处理方法进行合理安装，使得风机振动值超标事故。现以F1（5719）风机为例，加之风机业主想尽快投产，不得不缩短安装工期，经双方协商解决方案为：重新制作风机混凝土地基时预埋整体钢板并使用地脚螺栓连接，用垫铁将其垫平、调平后与风机整体底座焊接在一起，并进行二次灌浆。图5-6所示的是现场制作图。采用上述方案改造之后，风机与其混凝土基础的稳定性明显好于改造前，振动值大幅度降低并达到国家要求的标准，满足了业主对风机现场的使用要求。图7所示的是F1（5719）风机改造前后轴承座自由侧和固定侧振动速度对比关系。如若采用文章第一部分所述的要求进行安装，其风机的振动值还会比改造后的值小。

图5 改造后风机整体钢板图

图6 改造后风机整体底座与整体钢板焊接图

图7 改造后轴承座自由侧和固定侧振动速度的关系图

  由图7可知，对比F1（5719）篦冷机风机改造前和改造后，不管是轴承座自由侧还是固定侧，也无论是水平方向、垂直方向还是轴向上，风机的振动速度均明显降低。实验数据说明，在青海篦冷机风机的技术改造项目中出现的振动超标事故是由于风机业主未按照上述国标要求的混风机底座与混凝土基础之间的处理方式进行安装所致。由此告诫风机用户在安装风机时，决不能为缩短工期或节约成本而忽略国家和企业标准的要求进行安装。

  另外，因检修时间紧迫，还存在有待解决的问题：1）联轴器对中问题。联轴器径向间隙为0.185mm，其偏差值较大。利用同心度原理找正后，风机振动会降低；2）垫铁规格不合适。在现场安装中，轴承座垫片2mm、电机输出轴侧约0.5~1mm、电机尾部月1.5mm。减少垫片厚度可增加风机的稳定性，风机振动也可再降低。

  4 结论

  为了更好地保障我公司离心式风机能够安全稳定的运行，针对广州圣嘉机电设备有限公司风机混凝土基础设计和施工过程中存在的问题提出如下建议，以引起各方重视。

  1）建议从确定施工中标单位开始，将风机混凝土基础生产能力、质量控制、混凝土浇筑，风机基础安装方法和保证措施等纳入风机业主单位重点考核范围。特殊情况下，有必要对其计算书和施工图纸聘请有资格及业绩的单位进行审查，以确保风机安全稳定运行。

  2）地脚螺栓的形式和尺寸及安装位置符合安装图的规定。地脚螺栓的形式、埋置深度和基础边缘距离可根据风机本身安装要求确定。其埋入混凝土内的最小深度按实际受力大小确定，如无法确定其受力大小时，可按螺栓拔断而不拔出的原则考虑。

  3）加强施工现场管理。例如工程监理对风机混凝土基础浇筑进行全过程监督，单个基础混凝土浇筑时间控制在24小时以内，且防止出现冷缝；一旦出现冷缝，应严格按照设计要求进行处理，加强地基基础回填土的质量控制等。

  若业主单位未按照风机设计单位所要求的地基基础与风机本体进行连接，进而引起与风机地基基础有关的一系列不良问题，设计单位均不承担任何责任。

  5 参考文献

  [1]石雪松, 邱明杰. 新型工业化时期我国离心风机行业发展趋势分析[J]. 通用机械, 2009(1):15-21.

  [2]董全林,孟凡念,王鹏飞,王岩.高效风机的设计及CFX仿真分析[J]. 风机技术, 2014,(012):54-60.

  [3]王民浩,陈观福.我国风力发电机组地基基础设计[J].风机发电,2008,34(11):88-91.

  [4]王国粹,王伟,杨敏.3.6MV海上风机单桩基础设计与分析[J].岩土工程学报,2011,33(02):95-100.

  6 附表

表1  灌浆用混凝土配比表

表2  F1篦冷机风机（5719）振动速度记录表(单位m/s)