矿用通风机振动故障分析与检测研究

刘文新

（山西昔阳运裕煤业有限责任公司， 山西 昔阳 045300）

引言

作为一种比较典型的矿用机械，通风机是工矿企业生产不可或缺的设备，其运行安全及可靠性在很大程度上影响煤炭开采效率以及作业安全性。矿用通风机分为离心式通风机以及轴流式通风机两类，前者依赖叶轮转动帮助空气获得离心力，经风道向外导出空气，叶轮中心属于负压区域；后者利用叶片切割空气，于出风口压出空气，同时另一端进风口补充空气，叶轮前属于负压区。

1 通风机振动故障产生原因

1.1 转子不对中，变化误差较大

通风机结构中，电机转轴通过联轴器与风机转子轴连接为一体形成轴系，但是风机安装过程中误差很难避免，一旦存在安装误差，使用过程中转子受压变形，导致风机基础发生不均匀沉降。上述因素会影响风机启动状态下各转子轴线的平行位移、综合位移以及轴线角度位移等问题，即对中变化误差，我们将其统一归为转子不对中[1]，具体如图1所示。

图1 转子不对中的表现

不对中是导致风机系统出现机械故障的一个常见因素，这一问题由于缺乏明显的判别标识，因而容易忽视，往往会引起较大损失。尤其是综合不对中问题，一旦转子系统出现综合不对中，则会引起一系列不良动态效应，对设备运行和性能状况造成损害。譬如不良振动可能导致风机联轴器发生偏转、轴挠曲变形以及轴承早期受损等，其危害性不容忽视。

1.2 风机装配或基础松动

这一现象主要是基础不均匀、变形、螺栓紧固不足、基础水平下沉等现象造成的异常振动，通常与零件本身或各个零部件之间间隙误差数值偏高、配合过盈量不足有密切关联，常见于各部分零部件连接区域。装配以及基础松动往往与转子不平衡同时出现，二者相伴而生，具有非线性振动特征。应注意的是，风机运行很容易受到转子偏心率以及转速比变化的影响，一旦工作转速不超过1阶临界转速，就会引起比较明显的松动振动响应；如果转速超过1阶临界转速，那么在特定条件下将引起分数谐波以及亚谐波共振现象[2]。

1.3 元件表面和轴承相互接触部分出现周期性振动

运行状态下的滚动轴承同样会出现故障。譬如装配零部件时可能存在异物落入、间隙过小、水分过载、润滑不良以及腐蚀等影响因素，都会导致轴承早期磨损。一旦轴承磨损腐蚀，其他元件表面和轴承相互接触的部分就会出现一定频率的周期性振动，这就是轴承元件工作状态下的故障特征频率，振动会导致风机运行失衡，引起轴承紧定套配合调整不理想，最终导致轴承温度异常升高。风机运转时产生气体动压力激振，容易导致叶片变形、裂纹以及断裂等问题。除此之外，叶片卡涩现象也较为常见，这通常是轮毂内部调节模块受损或风机调节系统问题所致，导致叶片调节困难。

1.4 静止件和轮子相互摩擦

该问题存在以下两种情况：其一，静止件与转子外缘相互接触，存在径向摩擦问题；其二，静止件与转子存在轴向接触，导致轴向摩擦现象。

摩擦振动属于非线性振动，一旦存在局部摩擦，除基频以外的摩擦频率中就会存在部分分数谐波和高次谐波振动，也就是我们所说的次谐波现象。

导致静止件和转子出现摩擦故障的原因有：一是壳体或基础等部件存在明显变形；二是安装过程中转子与定子偏心，存在对中不良问题，转轴动挠度偏高；三是运行状态下风机热膨胀存在严重不均匀问题；四是静止件和转子之间的间隙不当[3]。

2 矿用通风机振动故障的检测

故障检测是矿用通风机运行的必要保护手段，为了避免发生故障，首先应针对矿用通风机开展故障检测，但是振动状态监测有别于其他状态检测技术，其往往需要多维度的检测量值，通过间接方法加以测量，针对量值变化以及大小情况进行归纳分析，能够有效识别各类故障，明确故障原因和发生故障的具体位置，从而为检修人员提供检修依据，及早排除故障。

基于计算机、传感技术、信号分析、电子技术以及振动理论等研制设计出一种针对矿用通风机机械振动的智能故障诊断及在线监测系统，主要分为硬件和软件两部分，硬件主要是工业控制计算机、振动传感器以及数据采集器等设备，软件则是包括时域分析、支持向量机、频谱分析以及小波分析在内的一系列信号分析处理技术。通过这一故障诊断系统，检修人员能够对通风机械设备发生振动故障的原因进行分析，明确通风机发生的一些常见故障。通常情况下，技术人员在深入分析通风机振动频域特性、常见故障和发生机理、诊断方法的基础上，确定矿业生产控制链条中需要测量的系统状态参数，整理分析数据后鉴别处理测量结果，以最终结果为依据，利用控制算法计算求得理想的控制结果。通过计算机开展在线监测以及诊断工作，向计算机发送所测得的数据信息，经过进一步计算处理后以数字量形式输出结果，亦可转换为适用于生产过程控制的模拟量。该流程为三层递进方式，同时囊括了采集、评估以及输出三个部分，使之成为一个有机整体[4-5]。

该系统能够在线检测矿井通风机组振动状态，并具有趋势分析以及故障预报功能，防止出现重大事故。一旦发生故障，系统可自动诊断故障类型，并评估故障严重程度，为后续故障处理提供必要的信息支持。其主要流程为传感检测—信号处理—模式识别—智能诊断—预报决策，当系统收集到通风机振动动态信号，通过进一步分析处理，判明风机是否存在故障，并分析故障种类、发生部位、严重程度以及变化发展趋势，评估机组性能劣化情况和演变趋势，从而制订针对性的处理方案[6]。

在结合振动检测结果分析机器故障的基础上，可选择在机壳关键部位加装喷嘴，确保喷嘴从不同角度冲刷叶片，将后者表层积聚、灰尘污垢彻底清除，能够降低灰尘积累导致的振动故障几率。同时还可加装自动装置，用于接收计算机在危险情况下发出的指令信号，用于终止通风机运行。

3 结语

运用智能故障诊断在线监测系统可以间接检测通风机性能状态，不受时间以及空间因素的约束，基本达到自动化检测的标准，随着自动化技术的快速发展，未来将实现真正意义上的自动化控制，即可检出故障，又能自动排除故障。