張 煒

（大同煤礦集團機電裝備科工安全儀器有限責任公司， 山西 大同 037000）

1 通風機結構特點及分類

1.1 煤礦通風機的結構特點

煤礦通風機主要由葉輪、機殼、電機、導流片、軸承等部件組成，是壓縮并輸送氣體的主要機械設備。為避免電機與瓦斯接觸而發(fā)生爆炸，在風機外安裝了耐壓性密閉罩；同時，風機葉輪采用質量輕、高強度耐腐蝕性的優(yōu)質合金鋼，可通過調節(jié)葉片角度，實現(xiàn)對風機狀況的調節(jié)。另外，風機的機殼、支架等部位均采用剛性好、質量輕的優(yōu)質碳素鋼材料制成。為提高風機技術水平和企業(yè)生產效率，目前煤礦行業(yè)中應用較為廣泛的是具有反轉功能的風機，該風機的反風效率相對較高，可直接用于煤礦作業(yè)中，無需修建其他專門的反風道設施[1-2]，如圖1所示。

1.2 通風機分類（見圖1）

圖1 煤礦通風機結構分類

2 通風機常見故障分析

2.1 軸承振動引起的故障

軸承振動故障是在工作過程中最為常見的運行故障。滾動軸承作為通風機的關鍵部件，由于軸承本身的結構特點及其他零部件的加工誤差，導致軸在載荷作用下對軸承產生強烈的激勵，致使軸承發(fā)生振動現(xiàn)象，影響著通風機的使用性能。同時，軸承在滾動過程與其他零件之間發(fā)生的相對摩擦和碰撞使軸承表面出現(xiàn)擦傷、摩擦等現(xiàn)象，致使軸承再次產生一定頻率的振動現(xiàn)象。當軸承振動超過一定范圍，則會出現(xiàn)振動故障。軸承的損壞直接影響著整個通風系統(tǒng)的正常運行[4]。

2.2 油系統(tǒng)問題引起的故障

由于通風機軸頸的帶動作用，導致通風機中潤滑油發(fā)生了高速流動，致使通風機與潤滑油之間發(fā)生強烈振動現(xiàn)象。油系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)的主要問題包含油膜振蕩和油膜渦動兩種。當兩者產生的渦動頻率接近轉軸的臨界轉動頻率時，渦動振幅由于共振作用達到最大值，此振動現(xiàn)象稱為油膜振蕩。而在通風機轉子發(fā)生失穩(wěn)運轉時，軸頸出現(xiàn)高速旋轉并繞軸的平衡點進行渦動旋轉，當渦動頻率是轉軸角速度頻率的一半時，此時稱為油膜渦動。油系統(tǒng)故障的發(fā)生直接影響著整體通風系統(tǒng)的通風效率[2]。

2.3 電機振動引起的故障

由于電機自身的機械效應和電磁效應存在不平衡現(xiàn)象，導致通風機電機出現(xiàn)了電機振動故障。電機長時間的不平衡旋轉，會使銷孔出現(xiàn)磨損、膠圈損壞及其他部件磨損，導致通風機設備的重心發(fā)生較大幅度的偏移，由于離心力作用致使電機發(fā)生了較大程度的振動現(xiàn)象。另外，電機中電磁場的相互作用和能量之間的相互轉換，使電機定子機座上產生較大的旋轉力矩，也導致了通風機電機出現(xiàn)不同程度的振動現(xiàn)象。電機在振動過程中，其水平方向上的剛度最小，并產生了較為強烈的激振力。在電機振動過程中，Z倍頻是不平衡故障常伴頻率和區(qū)別與基礎松動的重要區(qū)分點[3]。

2.4 葉輪振動引起的故障

通風機正常工作過程中，通過葉輪的旋轉，將外界空氣沖入煤礦環(huán)境中，當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，導致葉輪出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象而引起了異常振動故障。其振動特征以Z倍頻為主的伴隨頻率經常出現(xiàn)在特征頻率周圍；激振頻率與葉片數(shù)量有Z×fr的關系；振動過程中主要以徑向振動為主，同時伴有異常聲音。

3 煤礦通風機監(jiān)測系統(tǒng)設計方案

結合前文分析，軸承、電機等設備的振動導致通風機發(fā)生了一定的設備故障。為保障煤礦井下生產作業(yè)的安全性，需對通風機各項性能進行實時監(jiān)測，以保證通風機的正常運行。因此，對通風機監(jiān)測系統(tǒng)進行了方案設計。由于振動現(xiàn)象是通風機運行過程中最為主要現(xiàn)象，因此，在方案設計過程中選取了各設備產生的綜合振動信號作為監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測參數(shù)，通過對振動信號的判斷，導致對通風機監(jiān)測的目的。該監(jiān)測系統(tǒng)方案主要流程包括振動信號的采集、振動信號的分析與處理、監(jiān)測結果的顯示與輸出，該監(jiān)測系統(tǒng)方案的具體結構組成流程如圖2所示：

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)方案結構組成流程圖

該系統(tǒng)方案主要由煤礦通風機設備、振動信號監(jiān)測系統(tǒng)、振動信號調節(jié)系統(tǒng)、振動信號數(shù)據采集系統(tǒng)、計算機監(jiān)測平臺及后期指令發(fā)出平臺等部分組成，其監(jiān)測原理為：在煤礦通風機上安裝測振傳感器，建立信號監(jiān)測系統(tǒng)，通過該傳感器對通風機上的電機、軸承等主要部件進行振動信號監(jiān)測，以軟件平臺的虛擬儀器系統(tǒng)為中心，計算機為核心，將監(jiān)測的信號通過信號調節(jié)系統(tǒng)進行頻譜分析，再通過數(shù)據采集系統(tǒng)傳輸至計算機監(jiān)測平臺進行故障分析和診斷，根據診斷結果發(fā)出不同信號的指令，實現(xiàn)對通風機的全程監(jiān)測。該系統(tǒng)中主要設備的功能如下：

1）煤礦通風機。將通過煤礦通風機作為系統(tǒng)監(jiān)測對象，實時為系統(tǒng)提供動態(tài)特性數(shù)據、信號等參數(shù)。

2）測振傳感器。主要將監(jiān)測的機械振動信號轉化為電信號，以便后面系統(tǒng)分析。

3）信號調節(jié)系統(tǒng)。主要是對測振傳感器監(jiān)測的振動信號進行變換，通過數(shù)據處理，實現(xiàn)信號的放大，最終轉變?yōu)槟M信號。

4）數(shù)據采集系統(tǒng)。主要是將處理后的模擬信號轉換成計算機可識別的數(shù)字信號。

5）計算機監(jiān)測平臺。主要對所采集的數(shù)字信號通過噪聲處理軟件進行噪聲處理和分析，去除無用信號，提取出有用信號，根據信號特點，實現(xiàn)對各部件振動原因的分析，利用小波神經網絡等手段，實現(xiàn)對通風機故障的診斷。

4 結論

通風機監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方案在實際使用中，實現(xiàn)了通風機主要振動監(jiān)測、數(shù)據實時傳輸、數(shù)據綜合處理、故障分辨及處理等功能，對保障煤礦通風機的正常運轉，提高煤礦作業(yè)環(huán)境的安全性具有重要指導意義。