工业风扇的振动问题探究：Part1 风扇失效的判断准则
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风扇的振动可能会引起如下问题：
风扇轴承中的润滑脂被破坏，从而加速轴承磨损及损坏。
轴承中的滚子与轴套出现周期性的接触失效与碰撞，从而造成轴承内圈与外圈的磨损。
造成其他金属结构负载元件（例如：风扇栅格或者风扇桥架）的疲劳老化。
当风扇振动传递到旋转机械中的关键元件（例如：电机），从而影响旋转机械的使用寿命。
风扇的振动也会增加风扇的噪声，从而影响操作人员的舒适度。
在这篇文章中，最重要的问题是如何判断一个工业风扇的振动是不是过高。ISO-14694:2003 和 ISO-14695:2003 提供了诊断风扇振动的方法。下面，我们就来做一些简单的介绍。
在ISO标准中，第一步总是判断风扇的等级（BV categories）。对于不同的风扇等级，其振动和动平衡限值将会不同。这个风扇等级主要是由风扇的功率和其应用场景所决定的。例如，对于在HVAC和农业机械中使用的低功率风扇（< 3.7 kW），风扇的等级是BV-2。对于同样应用中的高功率风扇（> 3.7 kW），风扇的等级则变成了BV-3。对于摩托车或汽车中的低功率风扇（< 15 kW），风扇的等级则为BV-3。详细的风扇等级可以参见ISO-14694 表1。
在确定风扇等级之后，需要考虑三个不同的振动指标：
风扇整体装配（Fan assembly）的剩余动不平衡量需要小于一定阈值。
风扇的剩余动不平衡量的限制是基于ISO-1940-1标准，在通常使用的BV-2 和BV-3 的风扇等级中，剩余动不平衡量限值分别为G16 和 G6.3 (具体的剩余动不平衡值可以参见ISO-14694表2)。在实际的工程应用中，风扇的动不平衡可能是由于风扇叶片的制造精度或风扇叶轮和风扇电机的错位所造成的。通常情况下，供应商不可能对于每一个风扇都做动平衡测试，所以，一般而言，剩余动不平衡量很难被检验。所以，我们更加关注风扇的振动测试结果（Seismic reading）。
单独测试（Stand-alone test）– 把风扇放置在一个无振动的支架上（通常情况下，测试会在供应商工厂完成），风扇的振动需要小于一定的限值。
由于风扇的失效主要与风扇电机中的轴承相关，所以我们测试的主要目标是检测轴承座的振动。也就是说，在选择测点位置的时候，需要尽可能靠近电机轴承位置。ISO标准通常要求测点位置放置在距离轴承座最近的位置上，并且单轴加速度计被要求使用。当我们需要测量风扇三个方向的振动时，加速度计需要被放置在三个不同的位置。由于风扇电机的限制，又很难将三个单轴的加速度计直接放置在轴承座附近。如下图所示，在某一个水平方向，加速度计被放在风机桥架的侧面，这已经远离了轴承座位置。
所以，在实际工程运用中，通常推荐使用三轴加速度计。使用三轴加速度计的好处是：（1）简化测试流程；（2）可以更好的代表轴承座的三向振动。
一些典型的风扇测试位置如下图所示：
当我们使用单轴加速度计时，具体测点的位置可以参考ISO-14694图1 – 图4。对于stand-alone测试，风扇需要在它的额定转速时运行。风扇在转动频率（filter-in）下的振动速度用来代表风扇的振动。
在无振动支架上，风扇振动的强制标准可以参考ISO-14694表4。对于最常见的BV-2 和 BV-3的风扇等级，最大的振动RMS值为：
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风扇等级 |
刚性支座，mm/s |
柔性支座，mm/s |
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BV-2 |
3.5 |
5.6 |
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BV-3 |
2.8 |
3.5 |
这里就出现一个很大的问题，刚性和柔性支座有什么区别？在ISO标准中，是这么描述的，“对于一个柔性支座，其结构的固有频率将远低于风扇的转动频率。反之，刚性支座的固有频率将远高于风扇的转动频率。” 在实际工程应用中，通常很难了解供应商如何具体测试风扇振动的。通常情况下，我们会假设风扇是放在一个桁架结构上（如下图所示），这个结构一般可以被假设为柔性支座。
现场测试（In-situ test）：当风扇装配在工程机械上时，风扇的装配和工程机械的振动都会影响其振动大小。所以，在ISO标准中，当工程机械在额定工况下运行时，风扇的最大振动也有所放宽。具体的振动的阈值可以参见ISO-14694的表5。值得注意的是，这个振动阈值只是一个推荐标准，并非强制性的标准。在这里，我们截取一些常用的工业风扇的振动阈值。
对于全新的风扇，最大允许的振动速度RMS值为：
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风扇等级 |
刚性支座，mm/s |
柔性支座，mm/s |
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BV-2 |
5.6 |
9.0 |
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BV-3 |
4.5 |
6.3 |
当风扇使用一段时间后，风扇的振动将显著上升，在一般情况下，这还是可以接受的。ISO标准也规定了对于使用一段时间后风扇的最大振动阈值RMS：
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风扇等级 |
刚性支座，mm/s |
柔性支座，mm/s |
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BV-2 |
9.0 |
14.0 |
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BV-3 |
7.1 |
11.8 |
当测量的振动高于这些限值之后，需要对风扇进行进一步的检测分析。在这里我们又遇到同样的问题 – 如何判断刚性和柔性支座。很有趣的是，ISO-14694给出了一个更为实际的判断方法：
如果在风扇支座（base frame）处任意方向的振动低于风扇电机的轴承处的振动的四分之一，那么这个支座可以被认为刚性支座。反之，则可以被认为柔性支座。
风扇的振动的原因多种多样[1]，在实际工程运用中，最主要的原因是（1）风扇叶片的结构的转动不平衡；（2）风扇支撑的结构的固有频率和风扇的转动频率耦合；（3）工程机械中的振动传递到风扇。
在下一篇文章中，我们将探讨判断这些原因的方法以及其相关的解决方法。
[1]详细的风扇振动原因可以参加TCF（Twin City Fan）的技术指导文档FE-200。
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