煤礦通風(fēng)機振動故障原因及檢測技術(shù)

董亮亮

（大同煤礦設(shè)計研究有限責(zé)任公司， 山西 大同 037003）

引言

目前，煤礦使用的通風(fēng)機類型主要是軸流式和離心式，均屬于旋轉(zhuǎn)機械。根據(jù)煤礦安全規(guī)程規(guī)定，應(yīng)定期對礦用主通風(fēng)機進行振動性能測試，監(jiān)測通風(fēng)機振動參數(shù)，并對振動故障進行診斷，以減少風(fēng)機故障，確保礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全、高效運行。

1 通風(fēng)機振動常見故障原因

造成通風(fēng)機振動故障的因素有很多種，比如轉(zhuǎn)子不對中、基礎(chǔ)松動、軸承損壞、轉(zhuǎn)軸橫向裂紋、轉(zhuǎn)子與靜止件摩擦、葉片故障等。通風(fēng)機振動故障不僅影響機器的正常運行，并且還可能引發(fā)安全事故，必須高度重視。下面就幾種常見的通風(fēng)機振動常見故障原因及振動頻率特征進行簡要介紹。

1.1 轉(zhuǎn)子不對中

礦用通風(fēng)機電動機轉(zhuǎn)軸與風(fēng)機轉(zhuǎn)軸的連接是通過聯(lián)軸器完成的，三者共同組成一個聯(lián)通軸系統(tǒng)。而在電動機與風(fēng)機轉(zhuǎn)子軸安裝過程中，不可避免地會存在一定的誤差，并且這種誤差會在使用過程中逐漸增加，由其引起的負面影響也越來越大，例如造成轉(zhuǎn)子承壓并出現(xiàn)變形，并導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸與電動機軸線產(chǎn)生偏移。轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生平行、角度或綜合位移的情況就叫做轉(zhuǎn)子不對中，圖1所示就是轉(zhuǎn)子不對中的三種形式。轉(zhuǎn)子不對中問題容易被忽視，但其可能導(dǎo)致一系列的連鎖反應(yīng)，例如異常振動造成聯(lián)軸器偏轉(zhuǎn)、連軸撓曲變形等問題，不僅對機器本身造成損害，甚至可能對整個礦井通風(fēng)系統(tǒng)造成影響[1]。

圖1 轉(zhuǎn)子不對中形式

1.2 機座松動

機座松動指的是通風(fēng)機基礎(chǔ)或者其裝配構(gòu)件在運行中使機座出現(xiàn)不均勻沉降、變形等，而使得機器出現(xiàn)異常振動，這種情況一般發(fā)生在零部件的聯(lián)接部位。機座松動或者裝配松動的同時，多會伴生著轉(zhuǎn)子不平衡運轉(zhuǎn)，二者之間關(guān)聯(lián)性很強，由機座或者裝配松動引起的機器振動通常為非線性振動。若轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)出現(xiàn)微小變化，比如偏心率、轉(zhuǎn)速比等，風(fēng)機都可以感應(yīng)得到，并作出相應(yīng)的反應(yīng)。松動故障引起的振動特征頻率為2倍頻，同時伴生有1倍、3倍、4倍甚至更高頻率的諧波[2]。

1.3 喘振

當(dāng)風(fēng)機在不穩(wěn)定區(qū)工作時，其流量在瞬間內(nèi)發(fā)生不穩(wěn)定周期性反復(fù)變化的現(xiàn)象。具有出口風(fēng)壓下降擺動、風(fēng)機聲音異常、噪聲大、振動大、機殼溫度升高等特征。相對來講軸流式風(fēng)機更容易發(fā)生喘振，嚴重的喘振會導(dǎo)致風(fēng)機葉片疲勞損壞，對機械危害極大。

1.4 轉(zhuǎn)子與靜止件摩擦

轉(zhuǎn)子與靜止件摩擦主要是徑向和軸向摩擦，其振動模式也屬于非線性振動。出現(xiàn)這種情況的主要原因有四個方面，分別為轉(zhuǎn)子和靜止件熱膨脹不均勻、軸撓度大、轉(zhuǎn)子不對中和機座松動。其振動產(chǎn)生的頻率中除基頻外，還包含高次和次諧波[3]。

1.5 葉片故障

通風(fēng)機葉片在運行過程中會受到氣體動壓的作用，可能產(chǎn)生變形、裂紋甚至斷裂。不僅如此，葉片的異常運行還可能造成機器的不平衡振動，其振動的特征頻率為Nfr（N為葉片數(shù)量，fr為基頻），伴生頻率為（N±m(xù)）fr，m=1，2，…。由葉片故障造成的風(fēng)機振動主要是徑向振動。比如葉片受損嚴重，有可能出現(xiàn)軸向振動，同時發(fā)出較大的聲響。

2 通風(fēng)機振動檢測技術(shù)（工程實例）

某礦井東通風(fēng)井使用兩臺離心式通風(fēng)機，型號為G4-73-11.28D。每臺通風(fēng)機都配備有一臺電動機，型號為YR1250-8/1430，額定電壓和功率分別為6 kV、1 250 kW。礦井生產(chǎn)過程中只有一臺投入使用，另一臺作為備用。其中一臺通風(fēng)機在2016年9月運行出現(xiàn)故障，表現(xiàn)為電動機噪聲大，軸承振幅增加（最高值接近60 m），同時驅(qū)動段的軸承振幅軸溫度迅速增加[4-5]。

為準確找出故障因素，通過收集軸承振動頻率和相位數(shù)據(jù)，對比查找數(shù)據(jù)異常原因，確定故障原因和部位。數(shù)據(jù)采集選擇TV312型振動數(shù)據(jù)采集器。主要從風(fēng)機驅(qū)動端軸承和電動機兩個主體入手，通過頻譜分析確定故障原因。

2.1 頻譜分析

對電動機軸承端監(jiān)測時，設(shè)定其轉(zhuǎn)速和頻率分別為730 r/min、24.83 Hz，同時監(jiān)測其水平、垂直和軸向三個方向的振動數(shù)據(jù)，監(jiān)測結(jié)果圖2所示。分析圖2-1可知，驅(qū)動端水平方向的分量主要是1倍頻、2倍頻，3倍頻較少，并且大多數(shù)時刻處于1倍頻運行；2倍頻狀態(tài)下振動幅度較大，其后依次是1倍頻、3倍頻，2倍頻振幅基本上等于1倍頻振幅的兩倍。分析圖2-2可知，非驅(qū)動端的分量基本上全是1倍頻。對比分析得到，機器運行過程中水平振動分量仍以1倍頻為主，但已經(jīng)超過安全運行標準；不僅如此，振動中還出現(xiàn)其他倍率振動，尤以2倍頻諧波最為突出，分析認為機器聯(lián)軸器對中出現(xiàn)故障。不僅如此，隨著負荷的不斷增加，通風(fēng)機振動幅度也出現(xiàn)明顯的增加，推斷可能是風(fēng)機和電動機聯(lián)軸器問題，最可能原因是聯(lián)軸器的角向不對中。結(jié)合兩種數(shù)據(jù)分析結(jié)果，確定電動機振動異常的原因主要是聯(lián)軸器不對中造成的[6-7]。

2.2 時域波形

對電動機驅(qū)動端軸承水平方向振動的時域波形監(jiān)測結(jié)果顯示，在機器初始運行階段，振動信號為正弦波，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一圈的過程中會出現(xiàn)兩次跳動，并且幅度比較大。據(jù)此，可進一步斷定是聯(lián)軸器不對中造成機器振動異常。

隨著通風(fēng)機運行載荷出現(xiàn)變化，風(fēng)機輪齒剛性也會發(fā)生相應(yīng)的變化，進而導(dǎo)致輪齒產(chǎn)生振動，也就是常見的嚙合振動現(xiàn)象。一般情況下，嚙合振動過程主要類似于簡諧振動，其振動幅值非常小，并在頻譜圖上能夠充分地表現(xiàn)出嚙合頻率和次生諧波。因為軸承中心主線比較大的擾動，伴隨著電機氣隙也出現(xiàn)異常變化，這在時域波形圖中表現(xiàn)為磁隙中心不穩(wěn)定。監(jiān)測得到驅(qū)動端水平方向的高頻頻譜與齒輪軸的旋轉(zhuǎn)頻率幾乎相同，這說明齒輪出現(xiàn)故障，可能出現(xiàn)偏心、斷齒、裂紋等問題。

圖2 電動機振動頻譜

2.3 振動分析結(jié)論

該礦井通風(fēng)機振動主要是由聯(lián)軸器出現(xiàn)故障造成的，故障類型為斷齒和聯(lián)軸器出現(xiàn)裂紋，并且后者是造成振動幅值隨通風(fēng)機負荷增加而升高的原因。為確保通風(fēng)機的安全運行，工作中選擇更換聯(lián)軸器的方法，徹底解決通風(fēng)機振動故障。在機器拆卸過程中，發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器外齒套確實有一條裂紋，裂紋角度約為45°，并且裂紋長度幾乎已經(jīng)達到齒套軸向的1/3；同時內(nèi)部齒輪也有多個斷裂，銹蝕情況比較嚴重，這充分證明了推斷結(jié)果的準確性。

4 結(jié)語

作為礦井機械設(shè)備的重要組成部分，通風(fēng)機正常運行對于整個礦井安全生產(chǎn)有著重要的影響。振動故障是通風(fēng)機運行中的常見故障，造成其故障原因有很多種，通過對故障現(xiàn)象進行監(jiān)測、分析，可準確找出故障原因和部位，這對保障設(shè)備可靠運行和延長機器使用壽命有重要意義。