煤礦通風機振動故障原因及檢測技術

董亮亮

（大同煤礦設計研究有限責任公司， 山西 大同 037003）

引言

目前，煤礦使用的通風機類型主要是軸流式和離心式，均屬于旋轉機械。根據煤礦安全規程規定，應定期對礦用主通風機進行振動性能測試，監測通風機振動參數，并對振動故障進行診斷，以減少風機故障，確保礦井通風系統的安全、高效運行。

1 通風機振動常見故障原因

造成通風機振動故障的因素有很多種，比如轉子不對中、基礎松動、軸承損壞、轉軸橫向裂紋、轉子與靜止件摩擦、葉片故障等。通風機振動故障不僅影響機器的正常運行，并且還可能引發安全事故，必須高度重視。下面就幾種常見的通風機振動常見故障原因及振動頻率特征進行簡要介紹。

1.1 轉子不對中

礦用通風機電動機轉軸與風機轉軸的連接是通過聯軸器完成的，三者共同組成一個聯通軸系統。而在電動機與風機轉子軸安裝過程中，不可避免地會存在一定的誤差，并且這種誤差會在使用過程中逐漸增加，由其引起的負面影響也越來越大，例如造成轉子承壓并出現變形，并導致轉子軸與電動機軸線產生偏移。轉子軸產生平行、角度或綜合位移的情況就叫做轉子不對中，圖1所示就是轉子不對中的三種形式。轉子不對中問題容易被忽視，但其可能導致一系列的連鎖反應，例如異常振動造成聯軸器偏轉、連軸撓曲變形等問題，不僅對機器本身造成損害，甚至可能對整個礦井通風系統造成影響[1]。

圖1 轉子不對中形式

1.2 機座松動

機座松動指的是通風機基礎或者其裝配構件在運行中使機座出現不均勻沉降、變形等，而使得機器出現異常振動，這種情況一般發生在零部件的聯接部位。機座松動或者裝配松動的同時，多會伴生著轉子不平衡運轉，二者之間關聯性很強，由機座或者裝配松動引起的機器振動通常為非線性振動。若轉子運轉出現微小變化，比如偏心率、轉速比等，風機都可以感應得到，并作出相應的反應。松動故障引起的振動特征頻率為2倍頻，同時伴生有1倍、3倍、4倍甚至更高頻率的諧波[2]。

1.3 喘振

當風機在不穩定區工作時，其流量在瞬間內發生不穩定周期性反復變化的現象。具有出口風壓下降擺動、風機聲音異常、噪聲大、振動大、機殼溫度升高等特征。相對來講軸流式風機更容易發生喘振，嚴重的喘振會導致風機葉片疲勞損壞，對機械危害極大。

1.4 轉子與靜止件摩擦

轉子與靜止件摩擦主要是徑向和軸向摩擦，其振動模式也屬于非線性振動。出現這種情況的主要原因有四個方面，分別為轉子和靜止件熱膨脹不均勻、軸撓度大、轉子不對中和機座松動。其振動產生的頻率中除基頻外，還包含高次和次諧波[3]。

1.5 葉片故障

通風機葉片在運行過程中會受到氣體動壓的作用，可能產生變形、裂紋甚至斷裂。不僅如此，葉片的異常運行還可能造成機器的不平衡振動，其振動的特征頻率為Nfr（N為葉片數量，fr為基頻），伴生頻率為（N±m）fr，m=1，2，…。由葉片故障造成的風機振動主要是徑向振動。比如葉片受損嚴重，有可能出現軸向振動，同時發出較大的聲響。

2 通風機振動檢測技術（工程實例）

某礦井東通風井使用兩臺離心式通風機，型號為G4-73-11.28D。每臺通風機都配備有一臺電動機，型號為YR1250-8/1430，額定電壓和功率分別為6 kV、1 250 kW。礦井生產過程中只有一臺投入使用，另一臺作為備用。其中一臺通風機在2016年9月運行出現故障，表現為電動機噪聲大，軸承振幅增加（最高值接近60 m），同時驅動段的軸承振幅軸溫度迅速增加[4-5]。

為準確找出故障因素，通過收集軸承振動頻率和相位數據，對比查找數據異常原因，確定故障原因和部位。數據采集選擇TV312型振動數據采集器。主要從風機驅動端軸承和電動機兩個主體入手，通過頻譜分析確定故障原因。

2.1 頻譜分析

對電動機軸承端監測時，設定其轉速和頻率分別為730 r/min、24.83 Hz，同時監測其水平、垂直和軸向三個方向的振動數據，監測結果圖2所示。分析圖2-1可知，驅動端水平方向的分量主要是1倍頻、2倍頻，3倍頻較少，并且大多數時刻處于1倍頻運行；2倍頻狀態下振動幅度較大，其后依次是1倍頻、3倍頻，2倍頻振幅基本上等于1倍頻振幅的兩倍。分析圖2-2可知，非驅動端的分量基本上全是1倍頻。對比分析得到，機器運行過程中水平振動分量仍以1倍頻為主，但已經超過安全運行標準；不僅如此，振動中還出現其他倍率振動，尤以2倍頻諧波最為突出，分析認為機器聯軸器對中出現故障。不僅如此，隨著負荷的不斷增加，通風機振動幅度也出現明顯的增加，推斷可能是風機和電動機聯軸器問題，最可能原因是聯軸器的角向不對中。結合兩種數據分析結果，確定電動機振動異常的原因主要是聯軸器不對中造成的[6-7]。

2.2 時域波形

對電動機驅動端軸承水平方向振動的時域波形監測結果顯示，在機器初始運行階段，振動信號為正弦波，電動機轉子轉動一圈的過程中會出現兩次跳動，并且幅度比較大。據此，可進一步斷定是聯軸器不對中造成機器振動異常。

隨著通風機運行載荷出現變化，風機輪齒剛性也會發生相應的變化，進而導致輪齒產生振動，也就是常見的嚙合振動現象。一般情況下，嚙合振動過程主要類似于簡諧振動，其振動幅值非常小，并在頻譜圖上能夠充分地表現出嚙合頻率和次生諧波。因為軸承中心主線比較大的擾動，伴隨著電機氣隙也出現異常變化，這在時域波形圖中表現為磁隙中心不穩定。監測得到驅動端水平方向的高頻頻譜與齒輪軸的旋轉頻率幾乎相同，這說明齒輪出現故障，可能出現偏心、斷齒、裂紋等問題。

圖2 電動機振動頻譜

2.3 振動分析結論

該礦井通風機振動主要是由聯軸器出現故障造成的，故障類型為斷齒和聯軸器出現裂紋，并且后者是造成振動幅值隨通風機負荷增加而升高的原因。為確保通風機的安全運行，工作中選擇更換聯軸器的方法，徹底解決通風機振動故障。在機器拆卸過程中，發現聯軸器外齒套確實有一條裂紋，裂紋角度約為45°，并且裂紋長度幾乎已經達到齒套軸向的1/3；同時內部齒輪也有多個斷裂，銹蝕情況比較嚴重，這充分證明了推斷結果的準確性。

4 結語

作為礦井機械設備的重要組成部分，通風機正常運行對于整個礦井安全生產有著重要的影響。振動故障是通風機運行中的常見故障，造成其故障原因有很多種，通過對故障現象進行監測、分析，可準確找出故障原因和部位，這對保障設備可靠運行和延長機器使用壽命有重要意義。