煤礦通風(fēng)機(jī)常見(jiàn)故障分析及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

張 煒

（大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備科工安全儀器有限責(zé)任公司， 山西 大同 037000）

1 通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及分類

1.1 煤礦通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

煤礦通風(fēng)機(jī)主要由葉輪、機(jī)殼、電機(jī)、導(dǎo)流片、軸承等部件組成，是壓縮并輸送氣體的主要機(jī)械設(shè)備。為避免電機(jī)與瓦斯接觸而發(fā)生爆炸，在風(fēng)機(jī)外安裝了耐壓性密閉罩；同時(shí)，風(fēng)機(jī)葉輪采用質(zhì)量輕、高強(qiáng)度耐腐蝕性的優(yōu)質(zhì)合金鋼，可通過(guò)調(diào)節(jié)葉片角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)狀況的調(diào)節(jié)。另外，風(fēng)機(jī)的機(jī)殼、支架等部位均采用剛性好、質(zhì)量輕的優(yōu)質(zhì)碳素鋼材料制成。為提高風(fēng)機(jī)技術(shù)水平和企業(yè)生產(chǎn)效率，目前煤礦行業(yè)中應(yīng)用較為廣泛的是具有反轉(zhuǎn)功能的風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)的反風(fēng)效率相對(duì)較高，可直接用于煤礦作業(yè)中，無(wú)需修建其他專門(mén)的反風(fēng)道設(shè)施[1-2]，如圖1所示。

1.2 通風(fēng)機(jī)分類（見(jiàn)圖1）

圖1 煤礦通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)分類

2 通風(fēng)機(jī)常見(jiàn)故障分析

2.1 軸承振動(dòng)引起的故障

軸承振動(dòng)故障是在工作過(guò)程中最為常見(jiàn)的運(yùn)行故障。滾動(dòng)軸承作為通風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件，由于軸承本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其他零部件的加工誤差，導(dǎo)致軸在載荷作用下對(duì)軸承產(chǎn)生強(qiáng)烈的激勵(lì)，致使軸承發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象，影響著通風(fēng)機(jī)的使用性能。同時(shí)，軸承在滾動(dòng)過(guò)程與其他零件之間發(fā)生的相對(duì)摩擦和碰撞使軸承表面出現(xiàn)擦傷、摩擦等現(xiàn)象，致使軸承再次產(chǎn)生一定頻率的振動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)軸承振動(dòng)超過(guò)一定范圍，則會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)故障。軸承的損壞直接影響著整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[4]。

2.2 油系統(tǒng)問(wèn)題引起的故障

由于通風(fēng)機(jī)軸頸的帶動(dòng)作用，導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)中潤(rùn)滑油發(fā)生了高速流動(dòng)，致使通風(fēng)機(jī)與潤(rùn)滑油之間發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)現(xiàn)象。油系統(tǒng)在工作過(guò)程中出現(xiàn)的主要問(wèn)題包含油膜振蕩和油膜渦動(dòng)兩種。當(dāng)兩者產(chǎn)生的渦動(dòng)頻率接近轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)動(dòng)頻率時(shí)，渦動(dòng)振幅由于共振作用達(dá)到最大值，此振動(dòng)現(xiàn)象稱為油膜振蕩。而在通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生失穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸頸出現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)并繞軸的平衡點(diǎn)進(jìn)行渦動(dòng)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)渦動(dòng)頻率是轉(zhuǎn)軸角速度頻率的一半時(shí)，此時(shí)稱為油膜渦動(dòng)。油系統(tǒng)故障的發(fā)生直接影響著整體通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)效率[2]。

2.3 電機(jī)振動(dòng)引起的故障

由于電機(jī)自身的機(jī)械效應(yīng)和電磁效應(yīng)存在不平衡現(xiàn)象，導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)電機(jī)出現(xiàn)了電機(jī)振動(dòng)故障。電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的不平衡旋轉(zhuǎn)，會(huì)使銷孔出現(xiàn)磨損、膠圈損壞及其他部件磨損，導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)設(shè)備的重心發(fā)生較大幅度的偏移，由于離心力作用致使電機(jī)發(fā)生了較大程度的振動(dòng)現(xiàn)象。另外，電機(jī)中電磁場(chǎng)的相互作用和能量之間的相互轉(zhuǎn)換，使電機(jī)定子機(jī)座上產(chǎn)生較大的旋轉(zhuǎn)力矩，也導(dǎo)致了通風(fēng)機(jī)電機(jī)出現(xiàn)不同程度的振動(dòng)現(xiàn)象。電機(jī)在振動(dòng)過(guò)程中，其水平方向上的剛度最小，并產(chǎn)生了較為強(qiáng)烈的激振力。在電機(jī)振動(dòng)過(guò)程中，Z倍頻是不平衡故障常伴頻率和區(qū)別與基礎(chǔ)松動(dòng)的重要區(qū)分點(diǎn)[3]。

2.4 葉輪振動(dòng)引起的故障

通風(fēng)機(jī)正常工作過(guò)程中，通過(guò)葉輪的旋轉(zhuǎn)，將外界空氣沖入煤礦環(huán)境中，當(dāng)葉輪的葉片黏有大量污物、受傷損壞或帶有孔洞葉片上聚集有大量煤灰等情況時(shí)，導(dǎo)致葉輪出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象而引起了異常振動(dòng)故障。其振動(dòng)特征以Z倍頻為主的伴隨頻率經(jīng)常出現(xiàn)在特征頻率周圍；激振頻率與葉片數(shù)量有Z×fr的關(guān)系；振動(dòng)過(guò)程中主要以徑向振動(dòng)為主，同時(shí)伴有異常聲音。

3 煤礦通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

結(jié)合前文分析，軸承、電機(jī)等設(shè)備的振動(dòng)導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)發(fā)生了一定的設(shè)備故障。為保障煤礦井下生產(chǎn)作業(yè)的安全性，需對(duì)通風(fēng)機(jī)各項(xiàng)性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以保證通風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。因此，對(duì)通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)。由于振動(dòng)現(xiàn)象是通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中最為主要現(xiàn)象，因此，在方案設(shè)計(jì)過(guò)程中選取了各設(shè)備產(chǎn)生的綜合振動(dòng)信號(hào)作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的判斷，導(dǎo)致對(duì)通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)的目的。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案主要流程包括振動(dòng)信號(hào)的采集、振動(dòng)信號(hào)的分析與處理、監(jiān)測(cè)結(jié)果的顯示與輸出，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案的具體結(jié)構(gòu)組成流程如圖2所示：

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)組成流程圖

該系統(tǒng)方案主要由煤礦通風(fēng)機(jī)設(shè)備、振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、振動(dòng)信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)及后期指令發(fā)出平臺(tái)等部分組成，其監(jiān)測(cè)原理為：在煤礦通風(fēng)機(jī)上安裝測(cè)振傳感器，建立信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)該傳感器對(duì)通風(fēng)機(jī)上的電機(jī)、軸承等主要部件進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)，以軟件平臺(tái)的虛擬儀器系統(tǒng)為中心，計(jì)算機(jī)為核心，將監(jiān)測(cè)的信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行頻譜分析，再通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸至計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行故障分析和診斷，根據(jù)診斷結(jié)果發(fā)出不同信號(hào)的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)的全程監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)中主要設(shè)備的功能如下：

1）煤礦通風(fēng)機(jī)。將通過(guò)煤礦通風(fēng)機(jī)作為系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象，實(shí)時(shí)為系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)、信號(hào)等參數(shù)。

2）測(cè)振傳感器。主要將監(jiān)測(cè)的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，以便后面系統(tǒng)分析。

3）信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。主要是對(duì)測(cè)振傳感器監(jiān)測(cè)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行變換，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大，最終轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)。

4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。主要是將處理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。

5）計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。主要對(duì)所采集的數(shù)字信號(hào)通過(guò)噪聲處理軟件進(jìn)行噪聲處理和分析，去除無(wú)用信號(hào)，提取出有用信號(hào)，根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各部件振動(dòng)原因的分析，利用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)故障的診斷。

4 結(jié)論

通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方案在實(shí)際使用中，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)機(jī)主要振動(dòng)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、數(shù)據(jù)綜合處理、故障分辨及處理等功能，對(duì)保障煤礦通風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高煤礦作業(yè)環(huán)境的安全性具有重要指導(dǎo)意義。