張國慶，張子祎

(1.陽煤集團(tuán) 機(jī)電動(dòng)力部， 山西 陽泉 045000； 2.晉中學(xué)院, 山西 晉中 030600)

0 引言

陽煤集團(tuán)興峪公司現(xiàn)使用2臺(tái)FBCDZ-10-No36(2×900 kW)型防爆抽出式對旋軸流主通風(fēng)機(jī)，實(shí)際風(fēng)量15 000 m3，負(fù)壓3 400 Pa。2015年11月投入運(yùn)行以來，先后出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)導(dǎo)流罩開裂、一級(jí)輪轂開裂等安全隱患，并存在一、二級(jí)對接法蘭變形導(dǎo)致對接困難等問題。為保證礦井通風(fēng)安全，結(jié)合礦井生產(chǎn)計(jì)劃及實(shí)際需風(fēng)量要求，需對現(xiàn)用的主要通風(fēng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，以提高主通風(fēng)機(jī)安全性能。主要通風(fēng)機(jī)改造有兩種技術(shù)方案，方案一是利用現(xiàn)有乏風(fēng)取熱平臺(tái)，采用新的防爆抽出式對旋軸流主通風(fēng)機(jī)，施工周期短，不需要增加臨時(shí)風(fēng)機(jī)。方案二是拆除現(xiàn)有乏風(fēng)取熱平臺(tái)，更換為長軸抽出式軸流主通風(fēng)機(jī)。

1 選型主要技術(shù)問題分析

1.1 礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化

興峪公司困難期風(fēng)量15 000 m3，考慮漏風(fēng)量約為16 000 m3，礦井阻力3 400 Pa，加上風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)道等處阻力通風(fēng)系統(tǒng)總阻力約4 000 Pa?！睹旱V井工開采通風(fēng)技術(shù)條件》AQ 1028—2006中5.1.9規(guī)定：礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量10 000～20 000 m3時(shí)，系統(tǒng)的通風(fēng)阻力應(yīng)小于2 940 Pa。GB 50215—2005《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.1.5條規(guī)定：礦井通風(fēng)的設(shè)計(jì)負(fù)(正)壓，一般不應(yīng)超過2 940 Pa[1]。表土層特厚、開采深度深、總進(jìn)風(fēng)量大、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)長的大深礦井，礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)的后期負(fù)壓可適當(dāng)加大，但后期通風(fēng)負(fù)壓不宜超過3 920 Pa。興峪公司困難期通風(fēng)阻力超過了AQ 1028—2006、GB 50215—2005的相關(guān)規(guī)定。興峪公司應(yīng)首先進(jìn)行礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后,再進(jìn)行選型改造，以避免改造后主通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)偏離高效運(yùn)行區(qū)并進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。

1.2 主通風(fēng)機(jī)選型技術(shù)分析

防爆抽出式對旋軸流主通風(fēng)機(jī)葉輪輪轂、葉片強(qiáng)度與電動(dòng)機(jī)前軸承受力相互制約。與長軸抽出式軸流主通風(fēng)機(jī)相比，抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)輪轂開裂、葉片斷裂故障較多。這是因?yàn)槌槌鍪綄π魍L(fēng)機(jī)輪轂、葉片強(qiáng)度設(shè)計(jì)與電動(dòng)機(jī)前軸承受力相互制約。一方面，抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)輪轂、葉片越厚重，強(qiáng)度越大，開裂的隱患就越小，但轉(zhuǎn)子重量加大會(huì)造成電動(dòng)機(jī)前軸承受力的惡化，進(jìn)一步降低前軸承的壽命；另一方面，要改善電動(dòng)機(jī)前軸承的受力，葉輪輪轂、葉片就不能太厚重。因此，抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)葉輪輪轂、葉片強(qiáng)度受本身結(jié)構(gòu)限制、制約的問題難以得到實(shí)質(zhì)性的解決，因而葉輪輪轂、葉片開裂、折斷的隱患很難根絕。長軸抽出式軸流主通風(fēng)機(jī)主軸一端裝有葉輪，另一端整體結(jié)構(gòu)的軸承箱通過聯(lián)軸器和中間軸與外置電動(dòng)機(jī)連接，軸徑可以達(dá)到400 mm，葉輪強(qiáng)度和軸承受力可以兼顧、優(yōu)化。顯然，長軸抽出式軸流主通風(fēng)機(jī)通過合理的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和軸承箱配置就避免了抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)缺陷。

1.3 主通風(fēng)機(jī)軸承受力分析

1.3.1 防爆抽出式對旋軸流主通風(fēng)機(jī)軸承受力分析

抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示,葉輪采用懸臂式支撐，電動(dòng)機(jī)前軸承(葉輪側(cè))除了承受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的重量外，還要承受風(fēng)機(jī)葉輪的重量、葉輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的軸向推力、運(yùn)行中氣動(dòng)不平衡引起的的動(dòng)載荷、剎車時(shí)產(chǎn)生的不平衡力。抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)采用YBF系列防爆電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)軸承采用前二后一布置。抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)前軸承受力復(fù)雜、惡劣，導(dǎo)致壽命短、軸承溫度高、軸承響、振動(dòng)超標(biāo)等故障多發(fā)、高發(fā)。表1列出興峪公司現(xiàn)用抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)與擬采用抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的軸承配置與布置情況對比。

1-集流器;2-前主體風(fēng)筒;3-一級(jí)電動(dòng)機(jī);4-一級(jí)中間筒;5-一級(jí)葉輪; 6-二級(jí)中間筒;7-二級(jí)葉輪;8-后主體風(fēng)筒;9-二級(jí)電動(dòng)機(jī);10-擴(kuò)散器;11-擴(kuò)散塔。

表1 兩種抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的對比分析

可以看到，興峪公司擬采用的抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)軸承支撐形式仍然采用前二后一布置，沒有針對電動(dòng)機(jī)前軸承受力復(fù)雜、惡劣的情況進(jìn)行實(shí)質(zhì)性改進(jìn)。與長軸抽出式軸流主通風(fēng)機(jī)相比，擬采用抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)仍然存在電動(dòng)機(jī)前軸承易損壞、多故障的隱患，影響到主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的可靠性。

1.3.2 長軸抽出式軸流主通風(fēng)機(jī)軸承受力分析

如圖2所示,以單級(jí)長軸抽出式軸流主通風(fēng)機(jī)為例，軸流主通風(fēng)機(jī)主軸一端裝有葉輪，另一端整體結(jié)構(gòu)的軸承箱通過聯(lián)軸器和中間軸與外置電動(dòng)機(jī)連接。軸承箱按照負(fù)荷和所需要的調(diào)節(jié)位移設(shè)計(jì)，軸徑可以達(dá)到400 mm，軸承箱一端為圓柱滾子軸承，另一端為圓柱滾子軸承和向心推力軸承，軸承箱采用油池加強(qiáng)制循環(huán)潤滑和冷卻，有效地改善了軸承的運(yùn)行工況，確保了軸承運(yùn)行壽命。軸承箱內(nèi)置于機(jī)殼內(nèi)筒中的下半法蘭上,軸承箱兩個(gè)法蘭的下半部分與機(jī)殼內(nèi)圓筒的法蘭用螺栓固定，機(jī)殼上半內(nèi)筒的法蘭緊壓軸承箱相應(yīng)法蘭。整體軸承箱及其固定方式保證了軸承箱的剛性以及葉輪和機(jī)殼的同心度。

1-閘門；2-流線體；3-葉輪；4-導(dǎo)葉；5-聯(lián)軸器；6-軸承箱；7-傳動(dòng)軸；8-導(dǎo)流葉片；9-剎車機(jī)構(gòu)；10-電動(dòng)機(jī)；11-排行式消音器；12-擴(kuò)散器。

1.4 主通風(fēng)機(jī)葉輪強(qiáng)度分析

抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)普遍采用鑄鋁葉片，大功率主通風(fēng)機(jī)逐步采用2A50鍛鋁整體葉片，興峪公司現(xiàn)使用抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)采用ZL104鑄鋁葉片。長軸抽出式軸流主通風(fēng)機(jī)普遍采用鍛造鋁合金葉片，由于采用鋁合金鍛造工藝，葉片具有較高的可塑性，易于鍛造、沖壓，可以熱處理強(qiáng)化，有良好擠壓效應(yīng)，切削與焊接性能良好，葉片的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能較鑄鋁葉片有大幅提升，強(qiáng)度和振動(dòng)均有足夠的安全裕度，比鑄造材料分別高了3倍和2倍以上，葉片不易疲勞，消除了葉片開裂、折斷等問題，使風(fēng)機(jī)的運(yùn)行可靠性得到保證。抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)葉輪輪轂及承載環(huán)采用低碳合金鋼，長軸抽出式軸流主通風(fēng)機(jī)采用鍛造低碳合金鋼輪轂及承載環(huán)焊接而成，強(qiáng)度剛度優(yōu)于抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)葉輪輪轂結(jié)構(gòu)。

1.5 潤滑方式應(yīng)穩(wěn)定可靠

抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)注油管減少了彎管設(shè)計(jì)，降低了管路阻力，但其電動(dòng)機(jī)潤滑方式為潤滑脂潤滑，在運(yùn)轉(zhuǎn)后期注油困難的情況會(huì)越來越嚴(yán)重。長軸抽出式軸流主通風(fēng)機(jī)軸承采用油池加強(qiáng)制循環(huán)潤滑和冷卻，潤滑效果明顯優(yōu)于抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)軸承的脂潤滑。與長軸抽出式軸流主通風(fēng)機(jī)潤滑油潤滑的方式相比，抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)注油困難的情況難以杜絕。

1.6 長軸抽出式軸流式主通風(fēng)機(jī)與抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)事故對比

興峪公司主通風(fēng)機(jī)改造首先應(yīng)該保證主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的可靠性。通過對陽煤集團(tuán)2011年以來15起主通風(fēng)機(jī)事故的統(tǒng)計(jì)分析，抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)風(fēng)葉破損、折斷、電動(dòng)機(jī)斷軸、注油困難等事故多發(fā)，占全部主通風(fēng)機(jī)事故的73.3%，長軸抽出式軸流主通風(fēng)機(jī)未發(fā)生過輪轂、葉片開裂、脫落及軸承損壞事故?？紤]到抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)自身難以克服的電動(dòng)機(jī)前軸承事故多發(fā)、輪轂、葉片易開裂的缺陷和注油困難的隱患，為保證井下生產(chǎn)的連續(xù)性，興峪公司本次2×900 kW主通風(fēng)機(jī)改造應(yīng)避免選用防爆抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)。

1.7 相同功率防爆抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況考察

興峪公司等有關(guān)人員對盂縣上社二景煤業(yè)有限公司運(yùn)行的FBCDZNo34/2×900防爆抽出式對旋軸流通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了運(yùn)行考察。該主風(fēng)機(jī)2011年安裝投運(yùn)，2018年1#主通風(fēng)機(jī)一級(jí)葉輪一片葉片打掉一個(gè)角；2018年底2#主通風(fēng)機(jī)因振動(dòng)超標(biāo)(風(fēng)量11 000 m3/min，靜壓2 350 Pa)返廠處理，振幅達(dá)到100 μm以上，更換2臺(tái)電動(dòng)機(jī)共6盤滾動(dòng)軸承，振動(dòng)原因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)前軸承故障。

2 防爆抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)與長軸抽出式軸流主通風(fēng)機(jī)整體性能的對比

現(xiàn)階段，防爆抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)葉輪輪轂加工已采用最大車削直徑5 000 mm數(shù)顯雙柱式立式車床，配備了大工作室尺寸的臺(tái)車式電阻爐，用以對所加工輪轂進(jìn)行退火處理，消除應(yīng)力，減小變形、開裂傾向，風(fēng)機(jī)逐步采用鍛鋁整體葉片，風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)注油管路減少了彎管、降低了管路阻力。加工設(shè)備和工藝的改進(jìn)使抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)的整體性能得到了較大的提高，并且具有施工周期短的突出優(yōu)勢。長軸抽出式軸流式主通風(fēng)機(jī)存在施工周期長、占地面積大，潤滑站等輔助設(shè)備多等問題，但在葉輪輪轂、葉片的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和制造工藝方面是成熟的、穩(wěn)定的，軸承受力得到了根本的改善，消除了防爆抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)輪轂開裂、葉片折斷、電動(dòng)機(jī)軸承損壞等突出問題，能夠保證大功率主通風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)論

綜上所述，通過對主通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、軸承受力、潤滑方式等多方面的對比，結(jié)合陽煤集團(tuán)各礦井主通風(fēng)機(jī)事故統(tǒng)計(jì)分析，以及對相同功率防爆抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況的考察，考慮到抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)行業(yè)的技術(shù)力量和設(shè)計(jì)能力以及大功率抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)出廠檢驗(yàn)?zāi)芰Γ唧w到興峪公司主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、負(fù)壓和設(shè)備功率，可以看出防爆抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)存在自身難以克服的電動(dòng)機(jī)前軸承事故多發(fā)、輪轂、葉片易開裂的缺陷和注油困難的隱患，在大風(fēng)量、高負(fù)壓、大功率的情況下難以保證井下礦井通風(fēng)的安全。因此，我們可以得出結(jié)論: 盡管存在投資大、施工周期長的問題，興峪公司主通風(fēng)機(jī)改造應(yīng)避免選用防爆抽出式對旋主通風(fēng)機(jī)，宜選用長軸抽出式軸流主通風(fēng)機(jī)。