董亮亮

（大同煤礦設(shè)計(jì)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(jī)類(lèi)型主要是軸流式和離心式，均屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械。根據(jù)煤礦安全規(guī)程規(guī)定，應(yīng)定期對(duì)礦用主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)性能測(cè)試，監(jiān)測(cè)通風(fēng)機(jī)振動(dòng)參數(shù)，并對(duì)振動(dòng)故障進(jìn)行診斷，以減少風(fēng)機(jī)故障，確保礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行。

1 通風(fēng)機(jī)振動(dòng)常見(jiàn)故障原因

造成通風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障的因素有很多種，比如轉(zhuǎn)子不對(duì)中、基礎(chǔ)松動(dòng)、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(jī)振動(dòng)故障不僅影響機(jī)器的正常運(yùn)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(jiàn)的通風(fēng)機(jī)振動(dòng)常見(jiàn)故障原因及振動(dòng)頻率特征進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1.1 轉(zhuǎn)子不對(duì)中

礦用通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的連接是通過(guò)聯(lián)軸器完成的，三者共同組成一個(gè)聯(lián)通軸系統(tǒng)。而在電動(dòng)機(jī)與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸安裝過(guò)程中，不可避免地會(huì)存在一定的誤差，并且這種誤差會(huì)在使用過(guò)程中逐漸增加，由其引起的負(fù)面影響也越來(lái)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(dòng)機(jī)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(duì)中，圖1所示就是轉(zhuǎn)子不對(duì)中的三種形式。轉(zhuǎn)子不對(duì)中問(wèn)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(dòng)造成聯(lián)軸器偏轉(zhuǎn)、連軸撓曲變形等問(wèn)題，不僅對(duì)機(jī)器本身造成損害，甚至可能對(duì)整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)造成影響[1]。

圖1 轉(zhuǎn)子不對(duì)中形式

1.2 機(jī)座松動(dòng)

機(jī)座松動(dòng)指的是通風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)或者其裝配構(gòu)件在運(yùn)行中使機(jī)座出現(xiàn)不均勻沉降、變形等，而使得機(jī)器出現(xiàn)異常振動(dòng)，這種情況一般發(fā)生在零部件的聯(lián)接部位。機(jī)座松動(dòng)或者裝配松動(dòng)的同時(shí)，多會(huì)伴生著轉(zhuǎn)子不平衡運(yùn)轉(zhuǎn)，二者之間關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，由機(jī)座或者裝配松動(dòng)引起的機(jī)器振動(dòng)通常為非線性振動(dòng)。若轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)微小變化，比如偏心率、轉(zhuǎn)速比等，風(fēng)機(jī)都可以感應(yīng)得到，并作出相應(yīng)的反應(yīng)。松動(dòng)故障引起的振動(dòng)特征頻率為2倍頻，同時(shí)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(jī)在不穩(wěn)定區(qū)工作時(shí)，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(dòng)、風(fēng)機(jī)聲音異常、噪聲大、振動(dòng)大、機(jī)殼溫度升高等特征。相對(duì)來(lái)講軸流式風(fēng)機(jī)更容易發(fā)生喘振，嚴(yán)重的喘振會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉片疲勞損壞，對(duì)機(jī)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(dòng)模式也屬于非線性振動(dòng)。出現(xiàn)這種情況的主要原因有四個(gè)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(duì)中和機(jī)座松動(dòng)。其振動(dòng)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(jī)葉片在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到氣體動(dòng)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(yùn)行還可能造成機(jī)器的不平衡振動(dòng)，其振動(dòng)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(jī)振動(dòng)主要是徑向振動(dòng)。比如葉片受損嚴(yán)重，有可能出現(xiàn)軸向振動(dòng)，同時(shí)發(fā)出較大的聲響。

2 通風(fēng)機(jī)振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)（工程實(shí)例）

某礦井東通風(fēng)井使用兩臺(tái)離心式通風(fēng)機(jī)，型號(hào)為G4-73-11.28D。每臺(tái)通風(fēng)機(jī)都配備有一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，型號(hào)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(guò)程中只有一臺(tái)投入使用，另一臺(tái)作為備用。其中一臺(tái)通風(fēng)機(jī)在2016年9月運(yùn)行出現(xiàn)故障，表現(xiàn)為電動(dòng)機(jī)噪聲大，軸承振幅增加（最高值接近60 m），同時(shí)驅(qū)動(dòng)段的軸承振幅軸溫度迅速增加[4-5]。

為準(zhǔn)確找出故障因素，通過(guò)收集軸承振動(dòng)頻率和相位數(shù)據(jù)，對(duì)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(dòng)數(shù)據(jù)采集器。主要從風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承和電動(dòng)機(jī)兩個(gè)主體入手，通過(guò)頻譜分析確定故障原因。

2.1 頻譜分析

對(duì)電動(dòng)機(jī)軸承端監(jiān)測(cè)時(shí)，設(shè)定其轉(zhuǎn)速和頻率分別為730 r/min、24.83 Hz，同時(shí)監(jiān)測(cè)其水平、垂直和軸向三個(gè)方向的振動(dòng)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)結(jié)果圖2所示。分析圖2-1可知，驅(qū)動(dòng)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(shí)刻處于1倍頻運(yùn)行；2倍頻狀態(tài)下振動(dòng)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(dòng)端的分量基本上全是1倍頻。對(duì)比分析得到，機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中水平振動(dòng)分量仍以1倍頻為主，但已經(jīng)超過(guò)安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)；不僅如此，振動(dòng)中還出現(xiàn)其他倍率振動(dòng)，尤以2倍頻諧波最為突出，分析認(rèn)為機(jī)器聯(lián)軸器對(duì)中出現(xiàn)故障。不僅如此，隨著負(fù)荷的不斷增加，通風(fēng)機(jī)振動(dòng)幅度也出現(xiàn)明顯的增加，推斷可能是風(fēng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器問(wèn)題，最可能原因是聯(lián)軸器的角向不對(duì)中。結(jié)合兩種數(shù)據(jù)分析結(jié)果，確定電動(dòng)機(jī)振動(dòng)異常的原因主要是聯(lián)軸器不對(duì)中造成的[6-7]。

2.2 時(shí)域波形

對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承水平方向振動(dòng)的時(shí)域波形監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在機(jī)器初始運(yùn)行階段，振動(dòng)信號(hào)為正弦波，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)兩次跳動(dòng)，并且幅度比較大。據(jù)此，可進(jìn)一步斷定是聯(lián)軸器不對(duì)中造成機(jī)器振動(dòng)異常。

隨著通風(fēng)機(jī)運(yùn)行載荷出現(xiàn)變化，風(fēng)機(jī)輪齒剛性也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而導(dǎo)致輪齒產(chǎn)生振動(dòng)，也就是常見(jiàn)的嚙合振動(dòng)現(xiàn)象。一般情況下，嚙合振動(dòng)過(guò)程主要類(lèi)似于簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其振動(dòng)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?yàn)檩S承中心主線比較大的擾動(dòng)，伴隨著電機(jī)氣隙也出現(xiàn)異常變化，這在時(shí)域波形圖中表現(xiàn)為磁隙中心不穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)得到驅(qū)動(dòng)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(shuō)明齒輪出現(xiàn)故障，可能出現(xiàn)偏心、斷齒、裂紋等問(wèn)題。

圖2 電動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻譜

2.3 振動(dòng)分析結(jié)論

該礦井通風(fēng)機(jī)振動(dòng)主要是由聯(lián)軸器出現(xiàn)故障造成的，故障類(lèi)型為斷齒和聯(lián)軸器出現(xiàn)裂紋，并且后者是造成振動(dòng)幅值隨通風(fēng)機(jī)負(fù)荷增加而升高的原因。為確保通風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行，工作中選擇更換聯(lián)軸器的方法，徹底解決通風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障。在機(jī)器拆卸過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器外齒套確實(shí)有一條裂紋，裂紋角度約為45°，并且裂紋長(zhǎng)度幾乎已經(jīng)達(dá)到齒套軸向的1/3；同時(shí)內(nèi)部齒輪也有多個(gè)斷裂，銹蝕情況比較嚴(yán)重，這充分證明了推斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

作為礦井機(jī)械設(shè)備的重要組成部分，通風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行對(duì)于整個(gè)礦井安全生產(chǎn)有著重要的影響。振動(dòng)故障是通風(fēng)機(jī)運(yùn)行中的常見(jiàn)故障，造成其故障原因有很多種，通過(guò)對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析，可準(zhǔn)確找出故障原因和部位，這對(duì)保障設(shè)備可靠運(yùn)行和延長(zhǎng)機(jī)器使用壽命有重要意義。