煤礦通風(fēng)機(jī)常見(jiàn)故障及對(duì)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(kāi)采過(guò)程中不可缺少的設(shè)備，通過(guò)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(duì)復(fù)雜且不可預(yù)估，導(dǎo)致運(yùn)行過(guò)程的故障發(fā)生概率相對(duì)較大，對(duì)井下的生產(chǎn)安全造成威脅[3]。通風(fēng)機(jī)常見(jiàn)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(lèi)型無(wú)法通過(guò)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(duì)通風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行形成隱患[4-5]。因此，對(duì)通風(fēng)機(jī)的四種故障類(lèi)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(duì)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(jiàn)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(lèi)型，通風(fēng)機(jī)的滾動(dòng)軸承通過(guò)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(guò)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(duì)設(shè)備精度造成影響。斷裂失效是由于軸承載荷過(guò)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(rùn)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(duì)中與不平衡是主要出現(xiàn)的兩種故障類(lèi)型[8]。轉(zhuǎn)子不對(duì)中包括水平不對(duì)中與角度不對(duì)中，主要是由于制造與安裝過(guò)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(guò)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(guò)程存在的誤差和使用過(guò)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(guò)熱故障、電流故障與絕緣故障等。電機(jī)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)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(guò)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(wú)法正常工作。絕緣故障主要由于在長(zhǎng)期使用過(guò)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(guò)程中，風(fēng)機(jī)表面會(huì)積聚一部分粉塵，通過(guò)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(duì)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(guò)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(guò)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(jiàn)故障特征

本節(jié)對(duì)通風(fēng)機(jī)常見(jiàn)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(guò)電參數(shù)與溫度參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(lái)，當(dāng)軸承的不同部件出現(xiàn)損傷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)測(cè)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(guò)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(zhǎng)度，m；E 為彈性模量，GPa，I 為葉片截面的主慣性矩，m4。通過(guò)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(guò)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(guò)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(cè)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(lèi)。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(guò)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(lèi)型。

圖2 通風(fēng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)礦用通風(fēng)機(jī)的常見(jiàn)故障類(lèi)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(lèi)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(jiàn)故障的在線監(jiān)測(cè)，對(duì)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。