礦井主通風(fēng)機(jī)軸承故障機(jī)理分析及診斷方法研究

梁毅勇

(山西大土河能源科技有限公司，山西 呂梁 033000)

煤礦通風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)著礦井輸送新鮮風(fēng)流和稀釋有害氣體的雙重責(zé)任，礦井通風(fēng)機(jī)發(fā)生異常，不僅造成煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的無法運(yùn)行，同時(shí)也容易造成瓦斯爆炸等重大災(zāi)難。因此，穩(wěn)定的礦井通風(fēng)系統(tǒng)是保障礦井井下生命安全和安全繩的必要條件。煤礦通風(fēng)機(jī)作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其大多數(shù)故障主要和軸承、齒輪密切相關(guān)，滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子和固定部分的核心部件，其很小的損傷就能引起旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重大故障。目前，根據(jù)通風(fēng)機(jī)軸承診斷機(jī)理的不同，將滾動(dòng)軸承故障診斷方法分為振動(dòng)診斷法、電阻診斷法、聲學(xué)診斷法、溫度診斷法和油液法等，其中，溫度診斷法和油液診斷法最為常見[1-2]。鑒于此，本文對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)軸承故障機(jī)理進(jìn)行了分析，并研究了礦井主通風(fēng)機(jī)軸承故障方法。研究為實(shí)現(xiàn)煤礦安全智能化通風(fēng)系統(tǒng)的建設(shè)提供了技術(shù)支持。

1 煤礦通風(fēng)系統(tǒng)概況

通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、通風(fēng)設(shè)施、通風(fēng)動(dòng)力構(gòu)成了煤礦通風(fēng)系統(tǒng)。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)主要由煤礦縱橫交錯(cuò)的通風(fēng)巷道組成；通風(fēng)設(shè)施主要由風(fēng)橋、風(fēng)窗、風(fēng)門等控制風(fēng)流方向的構(gòu)筑物組成；通風(fēng)動(dòng)力主要由主通風(fēng)機(jī)和局部通風(fēng)機(jī)組成。其中，主通風(fēng)機(jī)是煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的動(dòng)力來源。煤礦通風(fēng)機(jī)主要分為對(duì)旋式和軸流式，其中軸流式使用最為廣泛，其結(jié)構(gòu)[3-4]如圖1所示。

圖1 煤礦軸流式通風(fēng)系統(tǒng)Fig.1 Axial flow ventilation system in coal mine

煤礦軸流式通風(fēng)機(jī)軸承作為整個(gè)風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件，一旦出現(xiàn)問題，其更換工作量將十分巨大。

2 礦井主通風(fēng)機(jī)軸承故障機(jī)理分析

2.1 滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)和振動(dòng)特性

2.1.1 滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)

滾動(dòng)軸承主要由保持架、滾動(dòng)體、外圈和內(nèi)圈組成。滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)和分類[5-6]見表1。

表1 滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)和分類Tab.1 Structure and classification of rolling bearings

在深溝球軸承中，軸承的外圈內(nèi)壁和內(nèi)圈外壁會(huì)形成深溝狀滾道，來控制滾子的運(yùn)行方向。深溝球軸承物理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 深溝球軸承物理結(jié)構(gòu)Fig.2 Deep groove ball bearing physical structure

2.1.2 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)特性

煤礦通風(fēng)機(jī)的滾動(dòng)軸承的軸承座或機(jī)殼與外圈相連，軸和內(nèi)圈相連，其振動(dòng)和外力因素和內(nèi)部變化密切相關(guān)。滾動(dòng)軸承振動(dòng)特性產(chǎn)生的原因[7-8]如圖3所示。滾動(dòng)軸承振動(dòng)特性產(chǎn)生的內(nèi)部因素主要有3類：①軸承缺陷或使用不當(dāng)引起的振動(dòng)。主要包括裝配偏斜引起的振動(dòng)和滾動(dòng)接觸面缺陷引起的振動(dòng)；②加工和制造精度引起的振動(dòng)。主要包括滾動(dòng)體規(guī)格不統(tǒng)一引起的振動(dòng)和軸承零件波紋度引起的振動(dòng)；③軸承結(jié)構(gòu)本身引起的振動(dòng)。主要包括滾動(dòng)體通過載荷方向產(chǎn)生的振動(dòng)、彈性特征引起的振動(dòng)和套圈的固有振動(dòng)。滾動(dòng)軸承的固有頻率振動(dòng)包括滾動(dòng)體的固有頻率振動(dòng)(彈性特性引起的振動(dòng))和內(nèi)外圈的固有振動(dòng)。

圖3 滾動(dòng)軸承振動(dòng)特性產(chǎn)生的原因Fig.3 Reasons for vibration characteristics of rolling bearings

滾動(dòng)體的固有頻率計(jì)算公式：

(1)

式中，f1為滾動(dòng)體的固有頻率；ρ為材料密度；E為彈性參數(shù)；r為滾動(dòng)體半徑。

內(nèi)外圈的固有頻率計(jì)算公式：

(2)

式中，f0為內(nèi)外圈的固有頻率；S為內(nèi)外圈縱向截面的面積；ρ為材料密度；g為重力加速度；I為內(nèi)外圈截面繞中心軸的慣性矩；E為彈性參數(shù)；d為回轉(zhuǎn)軸線到中心軸的半徑；n為滾珠數(shù)量。

由式(1)、式(2)可知，軸承的固有頻率取決于軸承質(zhì)量和材質(zhì)，和外界的振動(dòng)沒有關(guān)聯(lián)。

由于滾動(dòng)體規(guī)格的不統(tǒng)一，軸承的振動(dòng)頻率與滾動(dòng)體的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率、公轉(zhuǎn)頻率密切相關(guān)。滾動(dòng)體的波紋度、軸承外圈、軸承內(nèi)圈引起的振動(dòng)和各部件的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率呈正比關(guān)系：

f=nzfi±1

(3)

式中，fi為各部件的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率；z為滾動(dòng)體的個(gè)數(shù)；n為各部件的波紋峰數(shù)。

2.2 滾動(dòng)軸承的失效形式和故障類型

2.2.1 滾動(dòng)軸承的失效形式

滾動(dòng)軸承的失效形式主要有6種，其失效形式和產(chǎn)生原因有[9-10]：①膠合失效。主要是由速度過高、潤(rùn)滑性差等引起的材質(zhì)摩擦高溫黏合引起的。②壓痕失效。主要是由過大的沖擊負(fù)荷、裝配不當(dāng)、靜負(fù)荷造成部件局部凹陷引起的。③斷裂失效。主要是由材質(zhì)不合格、轉(zhuǎn)速過高、超負(fù)荷運(yùn)行等引起零件斷裂引起的。④腐蝕失效。主要是由微振腐蝕、電腐蝕、化學(xué)腐蝕造成的腐蝕斑引起的。⑤疲勞失效。主要是由軸承部件潤(rùn)滑性差、承受的負(fù)載過大引起的。⑥磨損失效。主要是由軸承潤(rùn)滑性差、有異物進(jìn)入，造成摩擦引起的。實(shí)際的軸承損傷會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而擴(kuò)大，也會(huì)產(chǎn)生明顯的振動(dòng)信息，早期軸承的故障診斷可以通過聲學(xué)診斷、油液法等定期檢查來診斷，但是不能及時(shí)反映滾動(dòng)軸承的故障狀況。

2.2.2 滾動(dòng)軸承的故障類型

滾動(dòng)軸承的故障主要發(fā)生在滾動(dòng)體、外圈、內(nèi)圈3個(gè)部件，一般故障類型如圖4所示。

圖4 滾動(dòng)軸承的故障類型Fig.4 Fault types of rolling bearings

不同滾動(dòng)軸承的故障類型損傷產(chǎn)生沖擊間隔、強(qiáng)度不同，致使振動(dòng)信號(hào)的頻率信息、幅值信息不同。這種頻率特征可根據(jù)部件的相互運(yùn)動(dòng)頻率計(jì)算，其計(jì)算公式見表2。

表2 滾動(dòng)軸承的故障頻率計(jì)算公式Tab.2 Calculation formula of failure frequency of rolling bearings

3 通風(fēng)機(jī)軸承故障診斷方法

煤礦通風(fēng)機(jī)的大多數(shù)信息和軸承的工作狀態(tài)相關(guān)，通風(fēng)機(jī)軸承故障診斷系統(tǒng)主要包括軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集、提取和診斷。本文主要采用LabVIEW來實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)軸承故障診斷的。其中，LabVIEW主要由前面板和后面板組成，具有開放性、開發(fā)效率高、錯(cuò)誤處理能力、圖形化、開展型和重復(fù)利用等特點(diǎn)。

3.1 程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通風(fēng)機(jī)軸承故障診斷程序應(yīng)具有以下功能：①不僅具有故障特征、故障診斷功能模塊，還應(yīng)具有常規(guī)的頻域和時(shí)域的分析功能；②具有軸承振動(dòng)信息的顯示、儲(chǔ)存、采集等功能；③能夠提供用戶預(yù)留常規(guī)數(shù)據(jù)配置窗口。

根據(jù)所需的功能要求，并結(jié)合軸承的診斷流程，得到通風(fēng)機(jī)軸承故障診斷程序結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 通風(fēng)機(jī)軸承故障診斷程序結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of fault diagnosis program for fan bearing

3.2 功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)通風(fēng)機(jī)軸承故障診斷程序結(jié)構(gòu)，該功能模塊主要包括診斷分類模塊、特征提取模塊、常規(guī)分析模塊、采集和儲(chǔ)存模塊。本文僅介紹診斷分類模塊與采集和儲(chǔ)存模塊。診斷分類模塊與采集和儲(chǔ)存模塊的前面板圖形界面如圖6所示。

圖6 診斷分類模塊與數(shù)據(jù)采集模塊的前面板圖形界面Fig.6 Front panel graphical interface of diagnostic classification module and data acquisition module

3.3 軸承在線故障診斷平臺(tái)設(shè)計(jì)

對(duì)診斷分類模塊、特征提取模塊、常規(guī)分析模塊、采集和儲(chǔ)存模塊4個(gè)模塊進(jìn)行整合，形成一個(gè)在線故障診斷的綜合功能平臺(tái)。軸承在線故障診斷平臺(tái)設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 軸承在線故障診斷平臺(tái)設(shè)計(jì)Fig.7 Design of bearing online fault diagnosis platform

4 結(jié)論

(1)滾動(dòng)軸承振動(dòng)特性產(chǎn)生的內(nèi)部因素主要有3類：軸承缺陷或使用不當(dāng)引起的振動(dòng)、加工和制造精度引起的振動(dòng)、軸承結(jié)構(gòu)本身引起的振動(dòng)；軸承的振動(dòng)頻率與滾動(dòng)體的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率、公轉(zhuǎn)頻率密切相關(guān)，滾動(dòng)體的波紋度、軸承外圈、軸承內(nèi)圈引起的振動(dòng)和各部件的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率呈正比關(guān)系；滾動(dòng)軸承的失效形式主要有6種：膠合失效、壓痕失效、斷裂失效、腐蝕失效、疲勞失效、磨損失效，滾動(dòng)軸承的故障主要發(fā)生在滾動(dòng)體、外圈、內(nèi)圈3個(gè)部件。

(2)通風(fēng)機(jī)軸承故障診斷系統(tǒng)主要包括軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集、提取和診斷。設(shè)計(jì)了通風(fēng)機(jī)軸承故障診斷程序結(jié)構(gòu)，其功能模塊主要包括診斷分類模塊、特征提取模塊、常規(guī)分析模塊、采集和儲(chǔ)存模塊，基于該4個(gè)模塊，設(shè)計(jì)了軸承在線故障診斷平臺(tái)。