礦井主通風機軸承故障機理分析及診斷方法研究

梁毅勇

(山西大土河能源科技有限公司，山西 呂梁 033000)

煤礦通風機擔負著礦井輸送新鮮風流和稀釋有害氣體的雙重責任，礦井通風機發生異常，不僅造成煤礦通風系統的無法運行，同時也容易造成瓦斯爆炸等重大災難。因此，穩定的礦井通風系統是保障礦井井下生命安全和安全繩的必要條件。煤礦通風機作為旋轉機械，其大多數故障主要和軸承、齒輪密切相關，滾動軸承是旋轉機械轉子和固定部分的核心部件，其很小的損傷就能引起旋轉機械的重大故障。目前，根據通風機軸承診斷機理的不同，將滾動軸承故障診斷方法分為振動診斷法、電阻診斷法、聲學診斷法、溫度診斷法和油液法等，其中，溫度診斷法和油液診斷法最為常見[1-2]。鑒于此，本文對礦井主通風機軸承故障機理進行了分析，并研究了礦井主通風機軸承故障方法。研究為實現煤礦安全智能化通風系統的建設提供了技術支持。

1 煤礦通風系統概況

通風網絡、通風設施、通風動力構成了煤礦通風系統。通風網絡主要由煤礦縱橫交錯的通風巷道組成；通風設施主要由風橋、風窗、風門等控制風流方向的構筑物組成；通風動力主要由主通風機和局部通風機組成。其中，主通風機是煤礦通風系統的動力來源。煤礦通風機主要分為對旋式和軸流式，其中軸流式使用最為廣泛，其結構[3-4]如圖1所示。

圖1 煤礦軸流式通風系統Fig.1 Axial flow ventilation system in coal mine

煤礦軸流式通風機軸承作為整個風機的關鍵部件，一旦出現問題，其更換工作量將十分巨大。

2 礦井主通風機軸承故障機理分析

2.1 滾動軸承的結構和振動特性

2.1.1 滾動軸承的結構

滾動軸承主要由保持架、滾動體、外圈和內圈組成。滾動軸承的結構和分類[5-6]見表1。

表1 滾動軸承的結構和分類Tab.1 Structure and classification of rolling bearings

在深溝球軸承中，軸承的外圈內壁和內圈外壁會形成深溝狀滾道，來控制滾子的運行方向。深溝球軸承物理結構如圖2所示。

圖2 深溝球軸承物理結構Fig.2 Deep groove ball bearing physical structure

2.1.2 滾動軸承的振動特性

煤礦通風機的滾動軸承的軸承座或機殼與外圈相連，軸和內圈相連，其振動和外力因素和內部變化密切相關。滾動軸承振動特性產生的原因[7-8]如圖3所示。滾動軸承振動特性產生的內部因素主要有3類：①軸承缺陷或使用不當引起的振動。主要包括裝配偏斜引起的振動和滾動接觸面缺陷引起的振動；②加工和制造精度引起的振動。主要包括滾動體規格不統一引起的振動和軸承零件波紋度引起的振動；③軸承結構本身引起的振動。主要包括滾動體通過載荷方向產生的振動、彈性特征引起的振動和套圈的固有振動。滾動軸承的固有頻率振動包括滾動體的固有頻率振動(彈性特性引起的振動)和內外圈的固有振動。

圖3 滾動軸承振動特性產生的原因Fig.3 Reasons for vibration characteristics of rolling bearings

滾動體的固有頻率計算公式：

(1)

式中，f1為滾動體的固有頻率；ρ為材料密度；E為彈性參數；r為滾動體半徑。

內外圈的固有頻率計算公式：

(2)

式中，f0為內外圈的固有頻率；S為內外圈縱向截面的面積；ρ為材料密度；g為重力加速度；I為內外圈截面繞中心軸的慣性矩；E為彈性參數；d為回轉軸線到中心軸的半徑；n為滾珠數量。

由式(1)、式(2)可知，軸承的固有頻率取決于軸承質量和材質，和外界的振動沒有關聯。

由于滾動體規格的不統一，軸承的振動頻率與滾動體的轉軸轉動頻率、公轉頻率密切相關。滾動體的波紋度、軸承外圈、軸承內圈引起的振動和各部件的相對轉動頻率呈正比關系：

f=nzfi±1

(3)

式中，fi為各部件的相對轉動頻率；z為滾動體的個數；n為各部件的波紋峰數。

2.2 滾動軸承的失效形式和故障類型

2.2.1 滾動軸承的失效形式

滾動軸承的失效形式主要有6種，其失效形式和產生原因有[9-10]：①膠合失效。主要是由速度過高、潤滑性差等引起的材質摩擦高溫黏合引起的。②壓痕失效。主要是由過大的沖擊負荷、裝配不當、靜負荷造成部件局部凹陷引起的。③斷裂失效。主要是由材質不合格、轉速過高、超負荷運行等引起零件斷裂引起的。④腐蝕失效。主要是由微振腐蝕、電腐蝕、化學腐蝕造成的腐蝕斑引起的。⑤疲勞失效。主要是由軸承部件潤滑性差、承受的負載過大引起的。⑥磨損失效。主要是由軸承潤滑性差、有異物進入，造成摩擦引起的。實際的軸承損傷會隨著時間的延長而擴大，也會產生明顯的振動信息，早期軸承的故障診斷可以通過聲學診斷、油液法等定期檢查來診斷，但是不能及時反映滾動軸承的故障狀況。

2.2.2 滾動軸承的故障類型

滾動軸承的故障主要發生在滾動體、外圈、內圈3個部件，一般故障類型如圖4所示。

圖4 滾動軸承的故障類型Fig.4 Fault types of rolling bearings

不同滾動軸承的故障類型損傷產生沖擊間隔、強度不同，致使振動信號的頻率信息、幅值信息不同。這種頻率特征可根據部件的相互運動頻率計算，其計算公式見表2。

表2 滾動軸承的故障頻率計算公式Tab.2 Calculation formula of failure frequency of rolling bearings

3 通風機軸承故障診斷方法

煤礦通風機的大多數信息和軸承的工作狀態相關，通風機軸承故障診斷系統主要包括軸承振動數據的采集、提取和診斷。本文主要采用LabVIEW來實現通風機軸承故障診斷的。其中，LabVIEW主要由前面板和后面板組成，具有開放性、開發效率高、錯誤處理能力、圖形化、開展型和重復利用等特點。

3.1 程序結構設計

通風機軸承故障診斷程序應具有以下功能：①不僅具有故障特征、故障診斷功能模塊，還應具有常規的頻域和時域的分析功能；②具有軸承振動信息的顯示、儲存、采集等功能；③能夠提供用戶預留常規數據配置窗口。

根據所需的功能要求，并結合軸承的診斷流程，得到通風機軸承故障診斷程序結構，如圖5所示。

圖5 通風機軸承故障診斷程序結構Fig.5 Structure of fault diagnosis program for fan bearing

3.2 功能模塊設計

根據通風機軸承故障診斷程序結構，該功能模塊主要包括診斷分類模塊、特征提取模塊、常規分析模塊、采集和儲存模塊。本文僅介紹診斷分類模塊與采集和儲存模塊。診斷分類模塊與采集和儲存模塊的前面板圖形界面如圖6所示。

圖6 診斷分類模塊與數據采集模塊的前面板圖形界面Fig.6 Front panel graphical interface of diagnostic classification module and data acquisition module

3.3 軸承在線故障診斷平臺設計

對診斷分類模塊、特征提取模塊、常規分析模塊、采集和儲存模塊4個模塊進行整合，形成一個在線故障診斷的綜合功能平臺。軸承在線故障診斷平臺設計如圖7所示。

圖7 軸承在線故障診斷平臺設計Fig.7 Design of bearing online fault diagnosis platform

4 結論

(1)滾動軸承振動特性產生的內部因素主要有3類：軸承缺陷或使用不當引起的振動、加工和制造精度引起的振動、軸承結構本身引起的振動；軸承的振動頻率與滾動體的轉軸轉動頻率、公轉頻率密切相關，滾動體的波紋度、軸承外圈、軸承內圈引起的振動和各部件的相對轉動頻率呈正比關系；滾動軸承的失效形式主要有6種：膠合失效、壓痕失效、斷裂失效、腐蝕失效、疲勞失效、磨損失效，滾動軸承的故障主要發生在滾動體、外圈、內圈3個部件。

(2)通風機軸承故障診斷系統主要包括軸承振動數據的采集、提取和診斷。設計了通風機軸承故障診斷程序結構，其功能模塊主要包括診斷分類模塊、特征提取模塊、常規分析模塊、采集和儲存模塊，基于該4個模塊，設計了軸承在線故障診斷平臺。