礦用主通風機改造選型的技術分析

張國慶，張子祎

(1.陽煤集團 機電動力部， 山西 陽泉 045000； 2.晉中學院, 山西 晉中 030600)

0 引言

陽煤集團興峪公司現使用2臺FBCDZ-10-No36(2×900 kW)型防爆抽出式對旋軸流主通風機，實際風量15 000 m3，負壓3 400 Pa。2015年11月投入運行以來，先后出現電動機導流罩開裂、一級輪轂開裂等安全隱患，并存在一、二級對接法蘭變形導致對接困難等問題。為保證礦井通風安全，結合礦井生產計劃及實際需風量要求，需對現用的主要通風機進行技術改造，以提高主通風機安全性能。主要通風機改造有兩種技術方案，方案一是利用現有乏風取熱平臺，采用新的防爆抽出式對旋軸流主通風機，施工周期短，不需要增加臨時風機。方案二是拆除現有乏風取熱平臺，更換為長軸抽出式軸流主通風機。

1 選型主要技術問題分析

1.1 礦井通風網絡的優化

興峪公司困難期風量15 000 m3，考慮漏風量約為16 000 m3，礦井阻力3 400 Pa，加上風機進風道等處阻力通風系統總阻力約4 000 Pa。《煤礦井工開采通風技術條件》AQ 1028—2006中5.1.9規定：礦井通風系統風量10 000～20 000 m3時，系統的通風阻力應小于2 940 Pa。GB 50215—2005《煤炭工業礦井設計規范》第7.1.5條規定：礦井通風的設計負(正)壓，一般不應超過2 940 Pa[1]。表土層特厚、開采深度深、總進風量大、通風網絡長的大深礦井，礦井通風設計的后期負壓可適當加大，但后期通風負壓不宜超過3 920 Pa。興峪公司困難期通風阻力超過了AQ 1028—2006、GB 50215—2005的相關規定。興峪公司應首先進行礦井通風網絡優化后,再進行選型改造，以避免改造后主通風機工況點偏離高效運行區并進入不穩定運行區。

1.2 主通風機選型技術分析

防爆抽出式對旋軸流主通風機葉輪輪轂、葉片強度與電動機前軸承受力相互制約。與長軸抽出式軸流主通風機相比，抽出式對旋主通風機輪轂開裂、葉片斷裂故障較多。這是因為抽出式對旋主通風機輪轂、葉片強度設計與電動機前軸承受力相互制約。一方面，抽出式對旋主通風機輪轂、葉片越厚重，強度越大，開裂的隱患就越小，但轉子重量加大會造成電動機前軸承受力的惡化，進一步降低前軸承的壽命；另一方面，要改善電動機前軸承的受力，葉輪輪轂、葉片就不能太厚重。因此，抽出式對旋主通風機葉輪輪轂、葉片強度受本身結構限制、制約的問題難以得到實質性的解決，因而葉輪輪轂、葉片開裂、折斷的隱患很難根絕。長軸抽出式軸流主通風機主軸一端裝有葉輪，另一端整體結構的軸承箱通過聯軸器和中間軸與外置電動機連接，軸徑可以達到400 mm，葉輪強度和軸承受力可以兼顧、優化。顯然，長軸抽出式軸流主通風機通過合理的強度設計和軸承箱配置就避免了抽出式對旋主通風機的結構缺陷。

1.3 主通風機軸承受力分析

1.3.1 防爆抽出式對旋軸流主通風機軸承受力分析

抽出式對旋主通風機結構如圖1所示,葉輪采用懸臂式支撐，電動機前軸承(葉輪側)除了承受電動機轉子的重量外，還要承受風機葉輪的重量、葉輪在運轉過程中產生的軸向推力、運行中氣動不平衡引起的的動載荷、剎車時產生的不平衡力。抽出式對旋主通風機采用YBF系列防爆電動機，電動機軸承采用前二后一布置。抽出式對旋主通風機電動機前軸承受力復雜、惡劣，導致壽命短、軸承溫度高、軸承響、振動超標等故障多發、高發。表1列出興峪公司現用抽出式對旋主通風機與擬采用抽出式對旋主通風機電動機的軸承配置與布置情況對比。

1-集流器;2-前主體風筒;3-一級電動機;4-一級中間筒;5-一級葉輪; 6-二級中間筒;7-二級葉輪;8-后主體風筒;9-二級電動機;10-擴散器;11-擴散塔。

表1 兩種抽出式對旋主通風機電動機的對比分析

可以看到，興峪公司擬采用的抽出式對旋主通風機電動機軸承支撐形式仍然采用前二后一布置，沒有針對電動機前軸承受力復雜、惡劣的情況進行實質性改進。與長軸抽出式軸流主通風機相比，擬采用抽出式對旋主通風機仍然存在電動機前軸承易損壞、多故障的隱患，影響到主通風機運行的可靠性。

1.3.2 長軸抽出式軸流主通風機軸承受力分析

如圖2所示,以單級長軸抽出式軸流主通風機為例，軸流主通風機主軸一端裝有葉輪，另一端整體結構的軸承箱通過聯軸器和中間軸與外置電動機連接。軸承箱按照負荷和所需要的調節位移設計，軸徑可以達到400 mm，軸承箱一端為圓柱滾子軸承，另一端為圓柱滾子軸承和向心推力軸承，軸承箱采用油池加強制循環潤滑和冷卻，有效地改善了軸承的運行工況，確保了軸承運行壽命。軸承箱內置于機殼內筒中的下半法蘭上,軸承箱兩個法蘭的下半部分與機殼內圓筒的法蘭用螺栓固定，機殼上半內筒的法蘭緊壓軸承箱相應法蘭。整體軸承箱及其固定方式保證了軸承箱的剛性以及葉輪和機殼的同心度。

1-閘門；2-流線體；3-葉輪；4-導葉；5-聯軸器；6-軸承箱；7-傳動軸；8-導流葉片；9-剎車機構；10-電動機；11-排行式消音器；12-擴散器。

1.4 主通風機葉輪強度分析

抽出式對旋主通風機普遍采用鑄鋁葉片，大功率主通風機逐步采用2A50鍛鋁整體葉片，興峪公司現使用抽出式對旋主通風機采用ZL104鑄鋁葉片。長軸抽出式軸流主通風機普遍采用鍛造鋁合金葉片，由于采用鋁合金鍛造工藝，葉片具有較高的可塑性，易于鍛造、沖壓，可以熱處理強化，有良好擠壓效應，切削與焊接性能良好，葉片的抗拉強度、屈服強度等力學性能較鑄鋁葉片有大幅提升，強度和振動均有足夠的安全裕度，比鑄造材料分別高了3倍和2倍以上，葉片不易疲勞，消除了葉片開裂、折斷等問題，使風機的運行可靠性得到保證。抽出式對旋主通風機葉輪輪轂及承載環采用低碳合金鋼，長軸抽出式軸流主通風機采用鍛造低碳合金鋼輪轂及承載環焊接而成，強度剛度優于抽出式對旋主通風機葉輪輪轂結構。

1.5 潤滑方式應穩定可靠

抽出式對旋主通風機電動機注油管減少了彎管設計，降低了管路阻力，但其電動機潤滑方式為潤滑脂潤滑，在運轉后期注油困難的情況會越來越嚴重。長軸抽出式軸流主通風機軸承采用油池加強制循環潤滑和冷卻，潤滑效果明顯優于抽出式對旋主通風機軸承的脂潤滑。與長軸抽出式軸流主通風機潤滑油潤滑的方式相比，抽出式對旋主通風機注油困難的情況難以杜絕。

1.6 長軸抽出式軸流式主通風機與抽出式對旋主通風機事故對比

興峪公司主通風機改造首先應該保證主通風機運行的可靠性。通過對陽煤集團2011年以來15起主通風機事故的統計分析，抽出式對旋主通風機風葉破損、折斷、電動機斷軸、注油困難等事故多發，占全部主通風機事故的73.3%，長軸抽出式軸流主通風機未發生過輪轂、葉片開裂、脫落及軸承損壞事故。考慮到抽出式對旋主通風機自身難以克服的電動機前軸承事故多發、輪轂、葉片易開裂的缺陷和注油困難的隱患，為保證井下生產的連續性，興峪公司本次2×900 kW主通風機改造應避免選用防爆抽出式對旋主通風機。

1.7 相同功率防爆抽出式對旋主通風機運行情況考察

興峪公司等有關人員對盂縣上社二景煤業有限公司運行的FBCDZNo34/2×900防爆抽出式對旋軸流通風機進行了運行考察。該主風機2011年安裝投運，2018年1#主通風機一級葉輪一片葉片打掉一個角；2018年底2#主通風機因振動超標(風量11 000 m3/min，靜壓2 350 Pa)返廠處理，振幅達到100 μm以上，更換2臺電動機共6盤滾動軸承，振動原因為電動機前軸承故障。

2 防爆抽出式對旋主通風機與長軸抽出式軸流主通風機整體性能的對比

現階段，防爆抽出式對旋主通風機葉輪輪轂加工已采用最大車削直徑5 000 mm數顯雙柱式立式車床，配備了大工作室尺寸的臺車式電阻爐，用以對所加工輪轂進行退火處理，消除應力，減小變形、開裂傾向，風機逐步采用鍛鋁整體葉片，風機電動機注油管路減少了彎管、降低了管路阻力。加工設備和工藝的改進使抽出式對旋主通風機的整體性能得到了較大的提高，并且具有施工周期短的突出優勢。長軸抽出式軸流式主通風機存在施工周期長、占地面積大，潤滑站等輔助設備多等問題，但在葉輪輪轂、葉片的強度設計和制造工藝方面是成熟的、穩定的，軸承受力得到了根本的改善，消除了防爆抽出式對旋主通風機輪轂開裂、葉片折斷、電動機軸承損壞等突出問題，能夠保證大功率主通風機的安全穩定運行。

3 結論

綜上所述，通過對主通風機結構、軸承受力、潤滑方式等多方面的對比，結合陽煤集團各礦井主通風機事故統計分析，以及對相同功率防爆抽出式對旋主通風機運行情況的考察，考慮到抽出式對旋主通風機行業的技術力量和設計能力以及大功率抽出式對旋主通風機出廠檢驗能力，具體到興峪公司主通風機的風量、負壓和設備功率，可以看出防爆抽出式對旋主通風機存在自身難以克服的電動機前軸承事故多發、輪轂、葉片易開裂的缺陷和注油困難的隱患，在大風量、高負壓、大功率的情況下難以保證井下礦井通風的安全。因此，我們可以得出結論: 盡管存在投資大、施工周期長的問題，興峪公司主通風機改造應避免選用防爆抽出式對旋主通風機，宜選用長軸抽出式軸流主通風機。