煤礦通風(fēng)機(jī)常見故障及對策措施研究

侯思捷

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦， 山西 大同 037016）

引言

礦用通風(fēng)機(jī)為煤礦開采過程中不可缺少的設(shè)備，通過電機(jī)將設(shè)備的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體的動(dòng)能，向井下輸送新鮮空氣，稀釋井下有害氣體及粉塵等，降低瓦斯?jié)舛萚1-2]。通風(fēng)機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境相對復(fù)雜且不可預(yù)估，導(dǎo)致運(yùn)行過程的故障發(fā)生概率相對較大，對井下的生產(chǎn)安全造成威脅[3]。通風(fēng)機(jī)常見的故障包括軸承故障、轉(zhuǎn)子故障、電機(jī)故障、葉輪故障等，這四種故障類型無法通過直接觀察法進(jìn)行篩查與診斷，如果不能及時(shí)診斷并解決，會(huì)對通風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行形成隱患[4-5]。因此，對通風(fēng)機(jī)的四種故障類型進(jìn)行分析，確定有效的故障診斷特征值，探究其診斷方法及解決措施，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要的意義。

1 通風(fēng)機(jī)常見故障分析

1.1 通風(fēng)機(jī)軸承故障

軸承分為滾動(dòng)軸承與滑動(dòng)軸承等類型，通風(fēng)機(jī)的滾動(dòng)軸承通過內(nèi)外圈之間的滾動(dòng)支撐轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承主要受到一個(gè)非線性時(shí)變的徑向載荷，在應(yīng)力的反復(fù)作用下，軸承容易出現(xiàn)損壞與失效。滾動(dòng)軸承的失效形式包括軸承疲勞失效、磨損失效、斷裂失效、游隙失效與壓痕失效[6-7]。軸承疲勞失效是指外圈在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)裂縫及損壞。磨損失效是指異物入侵到軸承運(yùn)轉(zhuǎn)軌道加劇表面磨損，對設(shè)備精度造成影響。斷裂失效是由于軸承載荷過大，材料強(qiáng)度不足，裝配不合理造成的軸承受損與斷裂。壓痕失效是由于軸承持續(xù)受到間歇性沖擊載荷，表面發(fā)生局部變形，加劇設(shè)備的機(jī)械振動(dòng)與噪聲。軸承失效的原因多種多樣，包括載荷分布不均、安裝位置存在偏差、潤滑不到位、遭到異物入侵等，都會(huì)導(dǎo)致軸承的各種位置發(fā)生不同程度的損傷。

1.2 通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障

作為設(shè)備的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)之一，通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子的不對中與不平衡是主要出現(xiàn)的兩種故障類型[8]。轉(zhuǎn)子不對中包括水平不對中與角度不對中，主要是由于制造與安裝過程中聯(lián)軸器端面與軸中心不垂直所引起，導(dǎo)致聯(lián)軸器在旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)一個(gè)彎矩。轉(zhuǎn)子不平衡是由于質(zhì)量分布不均，通常是由于制造過程存在的誤差和使用過程中的摩擦磨損與自然腐蝕導(dǎo)致。

1.3 通風(fēng)機(jī)電機(jī)故障

電機(jī)故障按照故障表現(xiàn)形式可分為過熱故障、電流故障與絕緣故障等。電機(jī)在長期運(yùn)行過程中，由于設(shè)備發(fā)生摩擦磨損導(dǎo)致零部件出現(xiàn)松動(dòng)失去平衡，零部件產(chǎn)生激烈振動(dòng)，引發(fā)局部過熱的現(xiàn)象。電流故障主要由于電機(jī)負(fù)荷升高，電流增大，電機(jī)實(shí)際功率超出額定功率，導(dǎo)致電機(jī)無法正常工作。絕緣故障主要由于在長期使用過程中，電機(jī)絕緣部件受到機(jī)械、熱、電等混合應(yīng)力的作用，材料的機(jī)械性能與電氣性能受到破壞，導(dǎo)致出現(xiàn)電壓擊穿、線路受潮等故障發(fā)生。在工作過程中，風(fēng)機(jī)表面會(huì)積聚一部分粉塵，通過設(shè)備縫隙進(jìn)入到電機(jī)等部件內(nèi)部，加劇機(jī)械部件的摩擦磨損，對電路元件造成短路等，威脅礦井安全。

1.4 通風(fēng)機(jī)葉片故障

葉輪為通風(fēng)機(jī)重要組成部分，在高速旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)形成強(qiáng)烈的渦流與氣體阻力，增大葉片受到的載荷，在旋轉(zhuǎn)過程中，通風(fēng)機(jī)自身的振動(dòng)會(huì)加劇葉片與螺栓的磨損，導(dǎo)致葉片表面出現(xiàn)裂紋。早期出現(xiàn)的裂紋如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并維修，會(huì)在橫向振動(dòng)的作用下繼續(xù)擴(kuò)大，最終導(dǎo)致葉片出現(xiàn)斷裂事故。

2 常見故障特征

本節(jié)對通風(fēng)機(jī)常見故障的表現(xiàn)特征進(jìn)行分析，為后續(xù)故障的診斷提供依據(jù)，其中電機(jī)故障診斷主要通過電參數(shù)與溫度參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，診斷技術(shù)較為成熟，不再贅述。

2.1 軸承故障特征

軸承的故障通常以振動(dòng)的形式表現(xiàn)出來，當(dāng)軸承的不同部件出現(xiàn)損傷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)對應(yīng)的特征頻率。軸承滾動(dòng)體的固有頻率計(jì)算公式如（1）所示，由公式可知，固有頻率只與軸承的自身材料與大小有關(guān)，與其他因素?zé)o關(guān)。

式中：R 為滾動(dòng)體的半徑，mm；E 為材料彈性模量，Pa；ρ 為軸承材料密度，kg/m3。

軸承內(nèi)圈與外圈的固有振動(dòng)頻率計(jì)算公式均為：

式中：n 為固有頻率的階次數(shù)；a 為軸承回轉(zhuǎn)軸線到中性軸的半徑，mm；I 為套圈繞軸的慣性矩，m4；M 為軸承質(zhì)量，kg。

當(dāng)軸承各部件出現(xiàn)損傷時(shí)，對應(yīng)的特征振動(dòng)頻率如表1 所示。表中：D 為軸承的節(jié)徑，mm；d 為滾動(dòng)體直徑，mm；Z 為滾動(dòng)體個(gè)數(shù)；α 為接觸角，（°）。

表1 軸承各部件損傷的特征頻率

2.2 轉(zhuǎn)子故障特征

當(dāng)轉(zhuǎn)子不對中時(shí)，轉(zhuǎn)子的軸向振動(dòng)會(huì)增大，出現(xiàn)高頻振動(dòng)信號(hào)，高頻信號(hào)的頻率為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的2 倍左右，故障程度越大，頻率越高。高頻信號(hào)的頻率不會(huì)隨風(fēng)壓與風(fēng)量的變化而發(fā)生改變，在診斷轉(zhuǎn)子不對中故障時(shí)，具有較高的參考性。不平衡故障會(huì)引起轉(zhuǎn)子異常振動(dòng)，振動(dòng)波形的水平方向會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正弦波形，當(dāng)轉(zhuǎn)子速度保持穩(wěn)定時(shí)，正弦波的相位與頻率保持一致，通過測量振動(dòng)信號(hào)可判斷轉(zhuǎn)子是否存在質(zhì)量分布不平衡現(xiàn)象。

2.3 葉輪故障特征

當(dāng)葉片出現(xiàn)裂紋時(shí)，表面的載荷分布、剛度與振動(dòng)規(guī)律等發(fā)生改變，目前，主要通過振動(dòng)進(jìn)行裂紋損傷的識(shí)別。通常情況下認(rèn)為：葉片的振動(dòng)頻率越小，振幅越大，則葉片存在的危險(xiǎn)越大。

當(dāng)葉片處于完好狀態(tài)時(shí)，葉片橫向振動(dòng)的受力分析如圖1 所示。圖中：ρ 為密度，kg/m3；A 為截面面積，m2；L 為長度，m；E 為彈性模量，GPa，I 為葉片截面的主慣性矩，m4。通過分析建立了葉片沿y 軸的運(yùn)動(dòng)方程如下：

圖1 葉片橫向振動(dòng)受力分析

代入邊界條件，可求得葉片完整時(shí)的固有頻率為：

根據(jù)正常狀態(tài)下的固有頻率，通過振動(dòng)信號(hào)的采集，可診斷出葉片是否存在裂紋。

3 故障診斷措施

通過上文分析確定了各故障的診斷特征值，利用故障在線監(jiān)測系統(tǒng)，采集各部件的特征值參數(shù)，可進(jìn)行故障的在線診斷與分類。診斷系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，包括信號(hào)傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)傳輸裝置與計(jì)算機(jī)等組成。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)溫度、振動(dòng)與電信號(hào)的采集，通過將采集數(shù)據(jù)分析計(jì)算，代入診斷模型，可識(shí)別出通風(fēng)機(jī)的各部件是否出現(xiàn)故障及具體的故障類型。

圖2 通風(fēng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)

4 結(jié)語

本文針對礦用通風(fēng)機(jī)的常見故障類型進(jìn)行分析，研究了軸承故障、轉(zhuǎn)子故障、電機(jī)故障及葉片故障的主要失效形式與原因，確定了各故障類型的診斷特征值，并提出了相應(yīng)的系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)機(jī)常見故障的在線監(jiān)測，對通風(fēng)機(jī)的可靠運(yùn)行與礦井生產(chǎn)安全具有重要意義。