煤礦通風機常見故障分析及監測系統優化方案設計

張 煒

（大同煤礦集團機電裝備科工安全儀器有限責任公司， 山西 大同 037000）

1 通風機結構特點及分類

1.1 煤礦通風機的結構特點

煤礦通風機主要由葉輪、機殼、電機、導流片、軸承等部件組成，是壓縮并輸送氣體的主要機械設備。為避免電機與瓦斯接觸而發生爆炸，在風機外安裝了耐壓性密閉罩；同時，風機葉輪采用質量輕、高強度耐腐蝕性的優質合金鋼，可通過調節葉片角度，實現對風機狀況的調節。另外，風機的機殼、支架等部位均采用剛性好、質量輕的優質碳素鋼材料制成。為提高風機技術水平和企業生產效率，目前煤礦行業中應用較為廣泛的是具有反轉功能的風機，該風機的反風效率相對較高，可直接用于煤礦作業中，無需修建其他專門的反風道設施[1-2]，如圖1所示。

1.2 通風機分類（見圖1）

圖1 煤礦通風機結構分類

2 通風機常見故障分析

2.1 軸承振動引起的故障

軸承振動故障是在工作過程中最為常見的運行故障。滾動軸承作為通風機的關鍵部件，由于軸承本身的結構特點及其他零部件的加工誤差，導致軸在載荷作用下對軸承產生強烈的激勵，致使軸承發生振動現象，影響著通風機的使用性能。同時，軸承在滾動過程與其他零件之間發生的相對摩擦和碰撞使軸承表面出現擦傷、摩擦等現象，致使軸承再次產生一定頻率的振動現象。當軸承振動超過一定范圍，則會出現振動故障。軸承的損壞直接影響著整個通風系統的正常運行[4]。

2.2 油系統問題引起的故障

由于通風機軸頸的帶動作用，導致通風機中潤滑油發生了高速流動，致使通風機與潤滑油之間發生強烈振動現象。油系統在工作過程中出現的主要問題包含油膜振蕩和油膜渦動兩種。當兩者產生的渦動頻率接近轉軸的臨界轉動頻率時，渦動振幅由于共振作用達到最大值，此振動現象稱為油膜振蕩。而在通風機轉子發生失穩運轉時，軸頸出現高速旋轉并繞軸的平衡點進行渦動旋轉，當渦動頻率是轉軸角速度頻率的一半時，此時稱為油膜渦動。油系統故障的發生直接影響著整體通風系統的通風效率[2]。

2.3 電機振動引起的故障

由于電機自身的機械效應和電磁效應存在不平衡現象，導致通風機電機出現了電機振動故障。電機長時間的不平衡旋轉，會使銷孔出現磨損、膠圈損壞及其他部件磨損，導致通風機設備的重心發生較大幅度的偏移，由于離心力作用致使電機發生了較大程度的振動現象。另外，電機中電磁場的相互作用和能量之間的相互轉換，使電機定子機座上產生較大的旋轉力矩，也導致了通風機電機出現不同程度的振動現象。電機在振動過程中，其水平方向上的剛度最小，并產生了較為強烈的激振力。在電機振動過程中，Z倍頻是不平衡故障常伴頻率和區別與基礎松動的重要區分點[3]。

2.4 葉輪振動引起的故障

通風機正常工作過程中，通過葉輪的旋轉，將外界空氣沖入煤礦環境中，當葉輪的葉片黏有大量污物、受傷損壞或帶有孔洞葉片上聚集有大量煤灰等情況時，導致葉輪出現不平衡現象而引起了異常振動故障。其振動特征以Z倍頻為主的伴隨頻率經常出現在特征頻率周圍；激振頻率與葉片數量有Z×fr的關系；振動過程中主要以徑向振動為主，同時伴有異常聲音。

3 煤礦通風機監測系統設計方案

結合前文分析，軸承、電機等設備的振動導致通風機發生了一定的設備故障。為保障煤礦井下生產作業的安全性，需對通風機各項性能進行實時監測，以保證通風機的正常運行。因此，對通風機監測系統進行了方案設計。由于振動現象是通風機運行過程中最為主要現象，因此，在方案設計過程中選取了各設備產生的綜合振動信號作為監測系統的監測參數，通過對振動信號的判斷，導致對通風機監測的目的。該監測系統方案主要流程包括振動信號的采集、振動信號的分析與處理、監測結果的顯示與輸出，該監測系統方案的具體結構組成流程如圖2所示：

圖2 監測系統方案結構組成流程圖

該系統方案主要由煤礦通風機設備、振動信號監測系統、振動信號調節系統、振動信號數據采集系統、計算機監測平臺及后期指令發出平臺等部分組成，其監測原理為：在煤礦通風機上安裝測振傳感器，建立信號監測系統，通過該傳感器對通風機上的電機、軸承等主要部件進行振動信號監測，以軟件平臺的虛擬儀器系統為中心，計算機為核心，將監測的信號通過信號調節系統進行頻譜分析，再通過數據采集系統傳輸至計算機監測平臺進行故障分析和診斷，根據診斷結果發出不同信號的指令，實現對通風機的全程監測。該系統中主要設備的功能如下：

1）煤礦通風機。將通過煤礦通風機作為系統監測對象，實時為系統提供動態特性數據、信號等參數。

2）測振傳感器。主要將監測的機械振動信號轉化為電信號，以便后面系統分析。

3）信號調節系統。主要是對測振傳感器監測的振動信號進行變換，通過數據處理，實現信號的放大，最終轉變為模擬信號。

4）數據采集系統。主要是將處理后的模擬信號轉換成計算機可識別的數字信號。

5）計算機監測平臺。主要對所采集的數字信號通過噪聲處理軟件進行噪聲處理和分析，去除無用信號，提取出有用信號，根據信號特點，實現對各部件振動原因的分析，利用小波神經網絡等手段，實現對通風機故障的診斷。

4 結論

通風機監測系統的監測方案在實際使用中，實現了通風機主要振動監測、數據實時傳輸、數據綜合處理、故障分辨及處理等功能，對保障煤礦通風機的正常運轉，提高煤礦作業環境的安全性具有重要指導意義。