礦井水泵機組常見故障分析

肖凱文

（潞安環保能源股份有限公司五陽煤礦，山西長治 046205）

0 引言

在流體振動、機械振動和電磁振動的相互作用下形成水泵機組的機械振動，鑒于煤礦井下惡劣的環境條件，通過數學建模對其進行研究具有相當大的難度。在水泵機組中，不同機械發生的機械故障不一定相同，各種機械故障呈現的故障狀態也多種多樣，同時各種故障發生的頻率也不一樣。常見的水泵機組故障包括動力不足、軸承發熱、中途停水或不出水、泵體振動異常等等。同時異步電機定子繞組匝間短路、轉子斷條這些故障現象也比較普遍。水泵的主要功能要靠轉子的旋轉來實現，轉子是水泵機組的重要組成部件，通常情況下轉子的故障以振動信號的形式呈現。本文作者結合旋轉機械的特征，以煤礦井下水泵機組的結構和特征為基礎，研究機械故障的振動形式并進行故障排除[1]。

1 水泵機組電機轉子故障

1.1 轉子不平衡

轉子零部件松動、材質不均勻、被腐蝕等均會引起轉子部件質量偏心，從而引發井下水泵機組轉子不平衡故障。與此同時，引起轉子不平衡的因素還包括轉子初始彎曲、聯軸器不平衡等。在煤礦開采區，吸水井抽出的水中常含有大量的煤粉，隨著這些煤粉的不斷積累，從而造成轉軸的質量偏心，因此轉子不平衡現象常存在于煤礦開采區的泵房水泵機組中。

轉子每轉動一圈，就會產生一次震蕩反應，這就是引起轉子不平衡故障的原理。在水泵機組系統運行過程中，系統接觸部位的空隙過大、在外力作用或者溫度變化下轉子系統出現縫隙、設備施工質量差等這些情況都會導致轉子的松動。因此，在水泵機組系統中設備連接處的間隙或者設備連接剛度不足將直接導致轉子機械抵抗力低，使其在運行過程中產生大幅振動，從而造成轉子松動故障。即使是轉子松動產生的十分微小的不平衡都會引起水泵機組系統產生很強的振動[2]。

1.2 轉子不對中

轉子不對中，尤其是水泵與電機的軸連接部分不對中是造成井下水泵機組故障的主要原因。其中轉子不對中主要分為平行不對中、偏角不對中以及平行偏角不對中3種情況。

眾所周知，轉子在高速運轉過程中會產生強大的離心力，在強大的離心力作用下，轉子每轉動一圈，其徑向彈性力就會改變4次方向，即使轉子產生2次徑向振動，因此其振動頻率是旋轉頻率的2倍。轉子會發生彎曲變形，是由于當在轉子軸線中存在徑向位移時，剛性聯軸器聯結的轉子就會被強制連接，從而產生彎曲變形引發故障。

在水泵機組系統實際運行過程中，各轉子軸線間的位移情況是錯綜復雜的，并不僅僅只存在一種位移情況，往往同時存在著徑向位移和偏角位移兩種情況。在這種狀況下，轉子發生徑向和軸向振動相當于是由施加到聯軸器的軸承上的一個2倍基頻的附加徑向作用力產生的。與此同時，軸承座標偏高或者其左右位置存在偏差，不僅改變軸頸與軸承的相互位置，導致軸承產生不對中的情況，而且還使軸系的固有頻率發生了改變。因此，在一定條件下，載重大的軸承不對中情況會引發高次諧波振動，從而造成設備故障[3]。

表1 泵內異物的振動特征

2 水泵機組電機軸承故障

2.1 油膜振蕩

通常大型機組普遍存在油膜軸承的油膜渦動以及油膜振蕩故障，煤礦水泵機組也不例外，這是由于大型機組主要是采用滑動軸承來支持轉子系統運行的。滑動軸承在偏心旋轉時，由于液體具有不可壓縮性，會形成一個油楔，油楔的油在推動軸前進的過程中形成渦動，其渦動方向與軸旋轉方向相同，渦動的速度與油楔的前進速度相同。滑動軸承的軸頸中心的位置關系由其轉速決定，滑動軸承的運行軌跡并不總是沿載荷作用方向移動，同時還受轉速快慢和負載大小的影響，呈現為一個半圓弧（平衡半圓）。

水泵轉子和定子之間產生的微小形變都會引起其之間的相互摩擦，這是由于轉子和定子之間的空隙較小導致的。機械理論表明，油膜渦動將會造成油膜振動故障。因此得出如下結論，動靜摩擦產生低頻中頻和高頻各個頻帶的頻譜特征的振動[4]。

2.2 轉軸橫向裂紋

高周期疲勞使用和設備腐蝕開裂等是造成水泵機組故障的主要原因。機械設備通常都有一定的使用壽命，水泵機組在長期使用過程中容易產生橫向裂紋，如若發現不及時，就會造成斷軸等嚴重事故。

轉子出現疲勞后會顯現以下特征，當轉子有裂紋時，其振動不呈線性分布（即頻譜中同時存在頻率f、2f、3f、5f等頻率分量），振動方向為徑向、軸向兩種，同時其振動的時域波形為疊加波形。

3 其他故障

在礦井下的泵房水倉中各種水質常常摻雜著許多垃圾物，從而造成礦井下惡劣環境條件，因此需要在泵進口處安裝金屬濾網或者過濾器對異物進行過濾，并且對水倉和泵進行定期清理，改善井下環境。否則，在靠近采區的泵房中，水質中的大量的煤礦垃圾異物以及水垢存在于水泵體內不斷堆積，就會造成其排水效率大大降低。泵內異物的振動能量高度集中在基頻區，但是泵內異物與正常水泵在振動效果形式上區別不大，表1為泵內異物的振動特征[5]。

在一定的溫度和壓力的變化下，液體中溶解的氣體產生微泡、潰裂，對過流表面產生物理化學作用的整個過程叫做汽蝕。汽蝕影響著水泵的使用效率和生命周期，以礦井使用的水泵為礦用耐磨多級離心泵（河南鄭泵科技有限公司提供），49 m為它的必須汽蝕余量，則當水位到泵體中心處的垂直高度大于49 m時，水泵很容易發生汽蝕[6]。因此，水泵機組安裝人員在安裝設備時必須嚴格控制水位到泵體中心處的垂直高度。程序判斷水位小于49 m時將停泵，即水泵機組的負壓值會小于-4.9 kPa[7]。

4 結語

作為煤礦井下重要的排水設備，煤礦水泵機組保障煤礦生產不受地下水影響。主要以水泵機組電機轉子故障和電機軸承故障為主對礦井水泵機組常見故障進行分析，為保障水泵機組高效穩定的正常運行，機電維修人員可以以此為參考依據準確判斷水泵機組故障問題，從而進行有效排除[8]。