礦用通風機運行過程中振動故障分析及檢測研究

韓江飛

（山西潞安檢測檢驗中心有限責任公司， 山西 長治 046204）

引言

通風機作為煤炭采掘作業中的主要設備，承擔著礦井通風換氣的任務，其運行的可靠性不僅關系著煤炭開采企業工作的正常開展，還與井下工作人員的生命安全息息相關，必須引起高度重視[1]。通風機運行過程中，經葉片的旋轉將吸入風機型腔內部的空氣進行升壓處理，之后輸入至井下工作面。目前礦用通風機應用較多的是離心式通風機和軸流式礦用通風機[2-3]，前者通過葉片旋轉使空氣獲得較大的離心力，順著風道吹入煤礦井下；后者通過葉片切割空氣，提升出口空氣的壓力，進而順著風道輸入煤礦井下。實際生產過程中連續運轉的通風機因其工作環境較為惡劣，經常出現不同類型的故障，有故障記錄統計顯示，70%～80%的故障是振動故障[4-6]。

1 通風機振動故障可能原因分析

1.1 轉子安裝同軸度較差

通風機的電機轉軸與風機轉子軸采用聯軸器連接在一起，為了保證風機傳動軸系轉動過程中的穩定性，要求電機轉軸與風機轉子軸具有很好的同軸度。但是實際安裝過程中不可避免地存在一定的誤差，存在平行不對中、角度不對中和綜合不對中等情況，如圖1 所示。通風機運行過程中，不對中的電機轉軸與風機轉子軸的動平衡難以保證，將會引起設備一系列的不良動態效應，例如傳動軸系的跳動使設備運行時存在明顯的振動，加速設備的破壞。

1.2 軸承磨損

圖1 電機轉軸與風機轉子軸裝配誤差類型

通風機傳動軸系采用滾動軸承和軸承座的形式固定，軸承裝配過程中可能存在異物落入、潤滑缺失等情況，使軸承出現過度磨損。磨損之后的軸承運行時就會產生一定頻率的周期性跳動，表現為整個設備的振動。振動的出現會加劇軸承的磨損，導致通風機運行時失去動平衡，軸承所受載荷不均勻，軸承溫度升高變得明顯。與此同時，振動的存在會使氣體產生動壓力激振，極易導致葉片出現變形、斷裂等故障。

1.3 動靜部件之間接觸摩擦

通風機運行中的動部件主要是指轉子及其連接的軸系部件，除此之外的所有與機架連接的均為靜部件。動靜部件之間的接觸摩擦存在兩種情況：第一是風機轉子外緣與靜部件接觸，形成徑向的周期性摩擦情況；第二是風機轉子與靜部件接觸，形成軸向的周期性摩擦情況。通風機運行過程中出現動靜部件周期性接觸摩擦時會產生正余弦形式的振動波，不利于通風機的穩定可靠運行。

1.4 零件制造和裝配誤差

礦用通風機的零部件在制造時如果存在加工公差不準、加工表面質量差、加工變形大等問題時，將會導致固定在上面的動部件定位精度差，不利于整個設備的連續穩定運行，出現不同強度的振動或者異響。同時，通風機裝配過程中若存在誤差大或者緊固件松動等問題，也會導致通風機轉子動態性不平衡，出現不同程度的振動，影響通風機的正常運行。

2 通風機故障檢測分析

當前服役的某型號礦用通風機的葉片數為12，工作轉速為600 r/min，旋轉頻率為10 Hz，葉片特征頻率為120 Hz，工作過程中存在明顯的振動故障。經過現場使用情況以及故障檢測經驗，首先檢測了通風機硬件的安裝情況，基礎穩定可靠，未出現地腳螺栓等緊固件的松動或松脫；因通風機運行過程中未出現明顯的摩擦聲響，同時也未出現轉動部件的卡滯情況，因此排除了動靜部件之間接觸摩擦的情況；最后確定振動故障出現的位置處于通風機的傳動系統，包括轉子安裝同軸度較差或者軸承磨損兩種情況，通過檢測轉子軸和電機轉軸的同軸度，確定滿足規定要求，故而可以確定振動故障來源于軸承故障。通風機傳動系統中存在兩個滾動軸承，軸承型號為ZWZ3644，其組成部分的特征頻率如表1 所示。

表1 滾動軸承動態參數 Hz

2.1 故障檢測

為了準確確定哪個軸承出現故障，需要進行進一步的檢測，風機傳動系統及測點布置如圖2 所示。由圖2 可以看出通風機傳動系統的兩個軸承位置各布置了一個測量點，用于采集軸承位置的振動信號，以便后續的分析處理。

通過傳感器完成兩個軸承振動頻率數據的采集之后需要進行頻譜信號的調理，為了提高信號的抗干擾性能，需要經過放大電路完成信號的放大處理。之后進入數模轉換模塊將模擬量信號轉變成數字量信號，進一步完成故障數據的分析處理。通風機振動測試系統如圖3 所示。

2.2 檢測結果分析

將測試點1 和測試點2 的采樣頻率設置為10 000 Hz，分析頻率設置為5 000 Hz，分析采樣點的數量為1 024。檢測系統檢測得到測點1 位置的信號較為正常，表明軸承1 未出現故障，測點2 位置的信號較為復雜，具體時域信號如圖4 所示，將其轉化為頻譜域信號如圖5 所示，由圖5 可以看出測試點2 位置在低頻段的振動幅值較小，因此通風機的故障不能確定。由圖5 還可以看出頻率在3 550 Hz 附近出現了明顯的高頻峰群，由此可見，振動故障出現的原因極有可能是滾動軸承出現了損傷導致了共振高頻，頻率的范圍在3 495～3 625 Hz 范圍內。

圖2 風機傳動系統及測點布置

圖3 通風機振動測試系統

圖4 測點2 的時域波形圖

圖5 測點2 的頻譜圖

3 故障排除后效果分析

根據上述檢測的結果確定了通風機振動故障的原因是傳動系統中一個軸承內圈出現了較為嚴重的故障。為了保證一組軸承具有相同的使用性能和壽命，該礦組織相關設備維修人員進行了一對軸承的更換，調試完成之后投入了正常的運行。再次檢測兩個軸承位置的振動信號，結果顯示采集得到了的振動信號穩定可靠，基本與通風機固有的振動頻率一致，由此可見，基于小波理論的檢測技術檢測結果可靠，成功解決了礦用通風機振動問題。相較于傳統的檢測方法，此檢測方法高效準確，故障排除時間減少近45%，設備利用率提升近10%，為煤炭企業產生直接經濟效益近120 萬元/a，具有很好的應用前景。