薄一龍

(同煤國(guó)電同忻煤礦，山西 大同 037001)

0 引言

煤礦井下生產(chǎn)過(guò)程中由于自然或人為因素，導(dǎo)致地下徑流或地下含水層的水與井巷貫通，造成礦井涌水[1]。煤礦通常會(huì)使用排水泵將涌水區(qū)域內(nèi)的水抽排至其他區(qū)域或經(jīng)井下泵房將水抽排至地表，從而確保井巷中正常的生產(chǎn)秩序和人員設(shè)備安全。煤礦作業(yè)環(huán)境惡劣，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，排水泵尤其對(duì)煤礦來(lái)說(shuō)十分重要，如何有效避免排水泵產(chǎn)生的各類(lèi)故障，確保對(duì)礦井涌水的控制是非常關(guān)鍵的。

1 煤礦排水泵常見(jiàn)故障類(lèi)型

1.1 排水泵機(jī)組電機(jī)轉(zhuǎn)子故障

轉(zhuǎn)子不平衡：水泵電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡主要由于轉(zhuǎn)子本身材質(zhì)缺陷，如材質(zhì)不均勻、質(zhì)量偏心、轉(zhuǎn)子彎曲、聯(lián)軸器不平衡等，以及后期腐蝕、磨損或零件松動(dòng)等外部因素造成的偏心。同時(shí)由于水泵所處環(huán)境中含有大量煤塵，這類(lèi)粉塵會(huì)部分吸附在轉(zhuǎn)子上導(dǎo)致轉(zhuǎn)子質(zhì)量不均。這種轉(zhuǎn)子不平衡故障機(jī)理基本一致，并且隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)會(huì)伴隨震蕩響應(yīng)現(xiàn)象。

轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)間隙過(guò)大或軸聯(lián)結(jié)剛性不足會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子松動(dòng)，繼而引發(fā)機(jī)械阻抗低、運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程即使不平衡和偏心都會(huì)引發(fā)較大振動(dòng)。具體引發(fā)轉(zhuǎn)子松動(dòng)的因素有：水泵基座施工導(dǎo)致水泵安設(shè)不水平，力學(xué)和溫度等外界因素導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)出現(xiàn)較大間隙，支承系統(tǒng)接合面間隙設(shè)置過(guò)大。

轉(zhuǎn)子不對(duì)中:水泵轉(zhuǎn)子不對(duì)中是導(dǎo)致水泵故障主要原因之一，以電機(jī)與水泵本體進(jìn)行軸連接部分的不對(duì)中現(xiàn)象最為常見(jiàn)，從角度可以分為平行不對(duì)中、偏角不對(duì)中、以及平行偏角不對(duì)中，如圖1所示。

a-平行不對(duì)中；b-偏角不對(duì)中；c-平行偏角不對(duì)中圖1 轉(zhuǎn)子不對(duì)中示意圖

剛性聯(lián)軸器所聯(lián)結(jié)的轉(zhuǎn)子在遇到轉(zhuǎn)子軸線(xiàn)發(fā)生徑向位移會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生強(qiáng)制接觸，嚴(yán)重時(shí)造成轉(zhuǎn)子彎曲變形。轉(zhuǎn)子正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程進(jìn)行高速轉(zhuǎn)動(dòng)，輕微的不平衡都會(huì)產(chǎn)生較大離心力，并向徑向產(chǎn)生振動(dòng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向一周后，會(huì)產(chǎn)生2次振動(dòng)，同時(shí)徑向彈性力發(fā)生4次方向改變，即振動(dòng)頻率是旋轉(zhuǎn)頻率的2倍[2]。

實(shí)際水泵轉(zhuǎn)子軸線(xiàn)間發(fā)生位移的方向上存在徑向和偏角兩個(gè)方向，即轉(zhuǎn)子上會(huì)發(fā)生徑向和軸向振動(dòng)，而聯(lián)軸器軸承上受到附加徑向作用力為2倍基頻。軸承不對(duì)中體現(xiàn)在其軸承座標(biāo)高左右側(cè)位置偏差，軸頸與軸承間相互位置以及轉(zhuǎn)軸固有轉(zhuǎn)動(dòng)頻率發(fā)生變化，而大負(fù)荷下的軸承不對(duì)中可能會(huì)出現(xiàn)高次諧波振動(dòng)。

1.2 水泵機(jī)組電機(jī)軸承故障

油膜振蕩：作為大型水泵機(jī)組的煤礦用水泵機(jī)組通過(guò)滑動(dòng)軸承來(lái)承擔(dān)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，該類(lèi)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中易出現(xiàn)油膜渦動(dòng)和油膜振蕩故障現(xiàn)象。油膜渦動(dòng)其原理為主軸偏心旋轉(zhuǎn)所形成的油楔，由于液體存在不可壓縮性，油楔導(dǎo)致主軸推動(dòng)前行，進(jìn)而形成一個(gè)與轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致的渦動(dòng)，該渦動(dòng)與油楔速度一致[3]。圖2為不同轉(zhuǎn)速下滑動(dòng)軸承的軸頸中心位置，該滑動(dòng)軌跡為平衡半圓弧，受到工作轉(zhuǎn)速和負(fù)載負(fù)荷影響，軸承中心軌道可能出現(xiàn)與載荷作用方向不同的移動(dòng)。

a-轉(zhuǎn)速為0；b-轉(zhuǎn)速約為0；c-轉(zhuǎn)速大于0圖2 滑動(dòng)軸承工作狀態(tài)

油膜渦動(dòng)現(xiàn)象發(fā)展到一定程度會(huì)進(jìn)一步形成油膜振動(dòng)現(xiàn)象，范圍內(nèi)的零部件會(huì)產(chǎn)生微弱形變，由于水泵內(nèi)機(jī)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)子和定子間間距較小，轉(zhuǎn)子和定子間易發(fā)生摩擦。

轉(zhuǎn)軸橫向裂紋：金屬材料長(zhǎng)期承受負(fù)荷后會(huì)出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，如水泵機(jī)組這類(lèi)機(jī)械設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)后各需承壓的零配件會(huì)出現(xiàn)橫向疲勞裂紋，如轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子等配件金屬材質(zhì)本身強(qiáng)度下降，出現(xiàn)高周期疲勞、蠕動(dòng)和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)至出現(xiàn)斷軸等問(wèn)題。

1.3 其他故障

煤礦井下涌水和采煤用水最后匯集到泵房水倉(cāng)，由于井下惡劣的作業(yè)環(huán)境，水倉(cāng)中含有大量的垃圾物、煤屑、雜質(zhì)等長(zhǎng)期堆積會(huì)堵塞水泵吸水口、管路和水泵內(nèi)部，最終影響實(shí)際排水效率，嚴(yán)重的會(huì)損毀水泵。所以要定期對(duì)水泵和泵房水倉(cāng)進(jìn)行清理，并根據(jù)雜物的顆粒大小在吸水口設(shè)置金屬濾網(wǎng)和過(guò)濾器。

水泵汽蝕現(xiàn)象是由空氣溶解于液體中產(chǎn)生的，在液體中的空氣微粒受水壓和溫度影響會(huì)產(chǎn)生裂解成新的微泡，并與過(guò)流面表面發(fā)生一系列物理、化學(xué)的反應(yīng)的現(xiàn)象[4-5]。

2 基于故障樹(shù)的煤礦排水泵故障分析

2.1 故障樹(shù)的建立

根據(jù)前面對(duì)煤礦排水泵常見(jiàn)故障類(lèi)型的分析，建立故障樹(shù)，如圖3所示，表1為煤礦排水泵故障樹(shù)編號(hào)與說(shuō)明。

圖3 煤礦排水泵主要故障的故障樹(shù)

表1 煤礦排水泵故障樹(shù)編號(hào)與說(shuō)明

2.2 定性分析

對(duì)圖3所示煤礦排水泵故障樹(shù)進(jìn)行定性分析，求該故障樹(shù)的最小割集，以此判斷相關(guān)底事件對(duì)頂事件的影響。通過(guò)簡(jiǎn)單的布爾運(yùn)算可以求得系統(tǒng)最小割集。通過(guò)邏輯分析，由于故障樹(shù)中每個(gè)底事件均為邏輯“或”，因此最小割集為

T=A1+A2+A3

=x1+x2+x3+x4+x5+x6

(1)

從式(1)可以看出，煤礦排水泵故障樹(shù)的最小割集為{x1}，{x2}，{x3}，{x4}，{x5}，{x6}。也就是說(shuō)，故障樹(shù)分析中，所有底事件均為頂事件的最小割集，每一個(gè)因素的出現(xiàn)都可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的故障，該系統(tǒng)可靠性較低。

2.3 定量計(jì)算

根據(jù)故障樹(shù)的定量計(jì)算方法，進(jìn)行頂事件的發(fā)生概率計(jì)算，算法如式(2)所示。

則：P=1-(1-x1)(1-x2)(1-x3)……(1-x6)

(2)

當(dāng)已知各因素的故障概率時(shí)，可以求得最終整個(gè)系統(tǒng)的故障概率，以此判斷系統(tǒng)的可靠性。

3 煤礦主排水泵的維護(hù)

3.1 運(yùn)行維護(hù)

排水泵受到氣蝕和磨損等因素的影響，會(huì)降低使用效率和壽命，并且煤礦井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，如何有效地對(duì)煤礦各主、輔排水泵進(jìn)行日常檢查和維護(hù)對(duì)礦井井下排水工作十分重要。為此應(yīng)以以下3點(diǎn)作為重點(diǎn)加強(qiáng)煤礦排水泵日常檢查和維護(hù)。

加強(qiáng)設(shè)備定期維護(hù)制度：長(zhǎng)期使用的水泵應(yīng)定期對(duì)運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢查，對(duì)發(fā)現(xiàn)因磨損嚴(yán)重而影響使用的平衡盤(pán)、葉輪、密封圈等零配件應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換，確保排水泵設(shè)備能夠處于良好的工作狀態(tài)，避免因故障停機(jī)或帶病運(yùn)行。為應(yīng)對(duì)排水泵常見(jiàn)的零件磨損、氣蝕等隱患，將葉輪、平衡盤(pán)等易損部件調(diào)整為耐磨、耐氣蝕的銅質(zhì)零件等材料，提高零件及水泵的使用期限。通過(guò)在水泵房出水口設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)堰口等流量監(jiān)測(cè)手段定期監(jiān)測(cè)水泵工作效率，對(duì)出現(xiàn)運(yùn)行效率低下的水泵進(jìn)行設(shè)備檢查和維修。

控制水泵揚(yáng)程：水泵選型過(guò)程中設(shè)計(jì)水力損失過(guò)高，實(shí)際使用過(guò)程中易出現(xiàn)揚(yáng)程過(guò)高、電機(jī)過(guò)載、嚴(yán)重氣蝕等現(xiàn)象，易損傷排水泵并其使用效率低下。對(duì)未投入使用的設(shè)備進(jìn)行更換，對(duì)已經(jīng)投入使用的設(shè)備可以通過(guò)車(chē)削去除部分葉輪等措施調(diào)整排水泵揚(yáng)程。

保證管路暢通：由于井下作業(yè)環(huán)境較為惡劣，水泵工作中易出現(xiàn)污垢或水垢等雜質(zhì)堵塞管路，導(dǎo)致水流不暢繼而引發(fā)龍頭堵塞、流量下降、水泵燒損、磨損、氣蝕等，可以通過(guò)及時(shí)清理水倉(cāng)及吸水井減少管路雜質(zhì)，同時(shí)通過(guò)清除水垢等改善管路的有效流通面積和降低管道阻力。

3.2 節(jié)能維護(hù)

煤礦實(shí)際進(jìn)行水倉(cāng)排水過(guò)程中水位不恒定，為提高水泵使用效率和節(jié)約能源的角度，應(yīng)將主排水泵設(shè)置為自啟動(dòng)模式，一方面起到節(jié)約能源的作用，另一方面降低設(shè)備因吸入過(guò)多空氣或空轉(zhuǎn)導(dǎo)致設(shè)備損耗?？梢允褂贸暡▊鞲衅?，并根據(jù)水位情況自動(dòng)化控制水泵開(kāi)啟狀態(tài)。

超聲波進(jìn)行水位測(cè)試的原理為，傳感器通過(guò)波的反射機(jī)理向水面發(fā)生超聲波，超聲波在接觸水面、倉(cāng)地后開(kāi)始向發(fā)射方向反射，根據(jù)波的發(fā)射和接收時(shí)長(zhǎng)計(jì)算出水位的高度。超聲波傳感器與排水泵啟動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)電輔助器進(jìn)行信號(hào)連接，設(shè)置水泵自啟動(dòng)的水位臨界點(diǎn)，可根據(jù)該點(diǎn)對(duì)井下排水進(jìn)行自動(dòng)化控制。

4 結(jié)語(yǔ)

煤礦井下作業(yè)通過(guò)礦用水泵機(jī)組對(duì)井下涌水進(jìn)行抽排，保證水泵機(jī)組設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)確保生產(chǎn)秩序中不受地下水的影響至關(guān)重要。文中對(duì)煤礦水泵機(jī)組幾種常見(jiàn)故障進(jìn)行分析，如水泵機(jī)組轉(zhuǎn)子不平衡、不對(duì)中，以及水泵機(jī)組油膜振蕩、轉(zhuǎn)軸橫向裂紋等軸承故障。同時(shí)，對(duì)水泵機(jī)組運(yùn)行、節(jié)能維護(hù)進(jìn)行討論，為機(jī)電維修人員開(kāi)展水泵機(jī)組維護(hù)與修理提供一定參考。