煤礦排水泵故障與維護

張 婷

(大同煤礦集團有限責任公司煤峪口礦)

煤礦井下生產過程中,由于自然或人為因素，導致地下徑流或地下含水層的水與井巷貫通，造成礦井涌水[1]。通常使用排水泵將涌水抽排至其他區域或經井下泵房抽排至地表，確保井巷中正常的生產秩序和人員設備安全。煤礦作業環境惡劣，地質結構復雜，排水泵對煤礦來說十分重要，如何有效及時處理煤礦排水泵各類故障，對控制礦井涌水非常關鍵。

1 水泵機組電機轉子故障

1.1 轉子不平衡

水泵轉子不平衡主要由于轉子本身材質缺陷如材質不均勻、質量偏心、轉子彎曲、聯軸器不平衡等，及后期由腐蝕、磨損或零件松動等外部因素造成的偏心導致。水泵工作環境中大量煤塵會部分吸附在轉子上，導致轉子不平衡故障。隨著轉子旋轉，伴隨震蕩響應現象。

轉動系統間隙過大或軸聯結剛性不足會導致轉子松動，造成機械阻抗低，當運轉過程轉子不平衡和偏心時，會引發較大的振動。引發轉子松動的原因有水泵基座施工導致水泵安設不水平、力學和溫度等外界因素導致轉子系統出現較大間隙、支承系統接合面間隙設置過大等。

1.2 轉子不對中

水泵轉子不對中是導致水泵故障的主要原因之一，以電機與水泵本體進行軸連接部分的不對中現象最為常見，按角度可以分為平行不對中、偏角不對中、以及平行偏角不對中，見圖1。

剛性聯軸器所聯結的轉子在遇到轉子軸線發生徑向位移時，會導致轉子強制接觸，嚴重時造成轉子彎曲變形。轉子正常運轉過程中高速轉動，輕微的不平衡都會產生較大離心力，并產生徑向振動。轉子轉動一周后，會產生2次振動，同時徑向彈性力發生4次方向改變，即振動頻率是旋轉頻率的2倍[2]。

圖1 轉子不對中示意

實際使用過程，水泵轉子軸線間發生的位移存在徑向和偏角兩個方向，即轉子上會發生徑向和軸向振動，聯軸器軸承上受到2倍基頻的附加徑向作用力。軸承不對中體現在軸承座左右側標高偏差，軸頸與軸承間相互位置及轉軸固有轉動頻率發生變化，而大負荷下的軸承不對中可能會出現高次諧波振動。

2 水泵機組電機軸承故障

2.1 油膜振蕩

作為大型水泵機組的煤礦排水泵，其機組通過滑動軸承來支承轉子系統，該類轉子系統易出現油膜渦動和油膜振蕩故障。油膜渦動原理是主軸偏心旋轉所形成的油楔，由于液體存在不可壓縮性，油楔推動主軸前行，進而形成一個與轉動方向一致的渦動，該渦動與油楔速度一致[3]。圖2為不同轉速下滑動軸承的軸頸中心位置，該滑動軌跡為平衡半圓弧，受工作轉速和負載負荷影響，軸承中心軌道可能出現與載荷作用方向不同的移動。

圖2 滑動軸承工作狀態

油膜渦動現象發展到一定程度會進一步形成油膜振動現象，振動范圍內的零部件會產生微弱形變。由于水泵內機構緊湊，轉子和定子間間距較小，容易發生摩擦。

2.2 轉軸橫向裂紋

金屬材料長期承受負荷后會出現疲勞現象，如水泵機組長期運轉后各承壓零配件會出現橫向疲勞裂紋，轉軸、轉子等金屬配件強度下降，出現周期疲勞、蠕動和應力腐蝕開裂等現象，嚴重時甚至出現斷軸。

2.3 其他故障

煤礦井下涌水和采煤用水最后匯集到泵房水倉，由于井下作業環境惡劣，水倉中含有大量垃圾物、煤屑，雜質長期堆積會堵塞水泵吸水口、管路和水泵內部，最終影響實際排水效率，嚴重時會損毀水泵。因此要定期清理水泵和泵房水倉，并根據雜質顆粒大小在吸水口設置金屬濾網和過濾器。水泵汽蝕現象是由空氣溶解于液體中產生的，在液體中的空氣微泡受水壓和溫度影響會裂解產生新的微泡，并與過流面表面發生一系列物理、化學反應[4]。

3 煤礦主排水泵維護

3.1 運行維護

排水泵受到氣蝕和磨損等因素影響，使用效率和壽命降低，且煤礦井下作業環境復雜，如何有效進行煤礦各主、輔排水泵的日常檢查和維護對礦井井下排水工作十分重要。歸納起來，應從以下3方面重點加強煤礦排水泵日常檢查和維護：

(1)建立設備定期維護制度。長期使用的水泵應定期對運行狀態和設備狀態進行檢查，對發現因磨損嚴重而影響使用的平衡盤、葉輪、密封圈等零配件及時進行更換，確保排水泵設備處于良好的工作狀態，避免故障停機或帶“病”運行。為解決排水泵常見的零件磨損、氣蝕等隱患，將葉輪、平衡盤等易損部件調整為耐磨、耐氣蝕的銅質零件等，延長零件及水泵使用壽命。通過在水泵房出水口設置標準堰口等流量監測手段，定期監測水泵工作效率，對運行效率低下的水泵進行檢查和維修。

(2)控制水泵揚程。水泵選型過程中水力損失過高，實際使用過程中易出現揚程過高、電機過載、嚴重氣蝕等現象，易損傷排水泵，使用效率低下。優化未投入使用的設備，對已經投入使用的設備通過去除部分葉輪等措施調整排水泵揚程。

(3)保證管路暢通。由于井下作業環境較為惡劣，水泵工作中易產生污垢或水垢等雜質堵塞管路，導致水流不暢，繼而引發龍頭堵塞、流量降低和水泵燒損、磨損、氣蝕等，可通過及時清理水倉和吸水井減少管路雜質，同時通過清除水垢等改善管路有效流通面積，降低管道阻力。

3.2 節能維護

煤礦井下排水泵水倉排水過程中水位不恒定，為提高水泵使用效率和節約能源，將主排水泵設置為自動啟動模式，一方面起到節約能源的作用，另一方面降低因吸入過多空氣或空轉導致設備磨耗。

目前多通過使用超聲波傳感器根據水位情況自動控制水泵開啟狀態，原理是超聲波傳感器通過波的反射機理向水面發生超聲波，超聲波接觸水面、倉地后開始向發射方向反射，根據波的發射和接收時長計算出水位高度。超聲波傳感器與排水泵啟動開關機電輔助器進行信號連接，設置水泵自動啟動的水位臨界點，根據該點對井下排水進行自動化控制。

4 結 論

煤礦井下作業通過排水泵機組對抽排井下涌水，保證水泵機組設備工作穩定性和可靠性對確保生產秩序不受到地下水影響至關重要。分析煤礦水泵機組幾種常見故障如水泵機組轉子不平衡、不對中、水泵機組油膜振蕩、轉軸橫向裂紋等軸承故障，并從水泵機組運行和節能兩方面進行維護制度討論，可供機電維修人員開展水泵機組維護與修理參考。