煤矿通风机振动故障原因及检测技术

2018-09-18董亮亮

机械管理开发 2018年9期

关键词：机座倍频联轴器

董亮亮

（大同煤矿设计研究有限责任公司，山西大同 037003）

引言

目前，煤矿使用的通风机类型主要是轴流式和离心式，均属于旋转机械。根据煤矿安全规程规定，应定期对矿用主通风机进行振动性能测试，监测通风机振动参数，并对振动故障进行诊断，以减少风机故障，确保矿井通风系统的安全、高效运行。

1 通风机振动常见故障原因

造成通风机振动故障的因素有很多种，比如转子不对中、基础松动、轴承损坏、转轴横向裂纹、转子与静止件摩擦、叶片故障等。通风机振动故障不仅影响机器的正常运行，并且还可能引发安全事故，必须高度重视。下面就几种常见的通风机振动常见故障原因及振动频率特征进行简要介绍。

1.1 转子不对中

矿用通风机电动机转轴与风机转轴的连接是通过联轴器完成的，三者共同组成一个联通轴系统。而在电动机与风机转子轴安装过程中，不可避免地会存在一定的误差，并且这种误差会在使用过程中逐渐增加，由其引起的负面影响也越来越大，例如造成转子承压并出现变形，并导致转子轴与电动机轴线产生偏移。转子轴产生平行、角度或综合位移的情况就叫做转子不对中，图1所示就是转子不对中的三种形式。转子不对中问题容易被忽视，但其可能导致一系列的连锁反应，例如异常振动造成联轴器偏转、连轴挠曲变形等问题，不仅对机器本身造成损害，甚至可能对整个矿井通风系统造成影响[1]。

图1 转子不对中形式

1.2 机座松动

机座松动指的是通风机基础或者其装配构件在运行中使机座出现不均匀沉降、变形等，而使得机器出现异常振动，这种情况一般发生在零部件的联接部位。机座松动或者装配松动的同时，多会伴生着转子不平衡运转，二者之间关联性很强，由机座或者装配松动引起的机器振动通常为非线性振动。若转子运转出现微小变化，比如偏心率、转速比等，风机都可以感应得到，并作出相应的反应。松动故障引起的振动特征频率为2倍频，同时伴生有1倍、3倍、4倍甚至更高频率的谐波[2]。

1.3 喘振

当风机在不稳定区工作时，其流量在瞬间内发生不稳定周期性反复变化的现象。具有出口风压下降摆动、风机声音异常、噪声大、振动大、机壳温度升高等特征。相对来讲轴流式风机更容易发生喘振，严重的喘振会导致风机叶片疲劳损坏，对机械危害极大。

1.4 转子与静止件摩擦

转子与静止件摩擦主要是径向和轴向摩擦，其振动模式也属于非线性振动。出现这种情况的主要原因有四个方面，分别为转子和静止件热膨胀不均匀、轴挠度大、转子不对中和机座松动。其振动产生的频率中除基频外，还包含高次和次谐波[3]。

1.5 叶片故障

通风机叶片在运行过程中会受到气体动压的作用，可能产生变形、裂纹甚至断裂。不仅如此，叶片的异常运行还可能造成机器的不平衡振动，其振动的特征频率为Nfr（N为叶片数量，fr为基频），伴生频率为（N±m）fr，m=1，2，…。由叶片故障造成的风机振动主要是径向振动。比如叶片受损严重，有可能出现轴向振动，同时发出较大的声响。

2 通风机振动检测技术（工程实例）

某矿井东通风井使用两台离心式通风机，型号为G4-73-11.28D。每台通风机都配备有一台电动机，型号为YR1250-8/1430，额定电压和功率分别为6 kV、1 250 kW。矿井生产过程中只有一台投入使用，另一台作为备用。其中一台通风机在2016年9月运行出现故障，表现为电动机噪声大，轴承振幅增加（最高值接近60 m），同时驱动段的轴承振幅轴温度迅速增加[4-5]。

为准确找出故障因素，通过收集轴承振动频率和相位数据，对比查找数据异常原因，确定故障原因和部位。数据采集选择TV312型振动数据采集器。主要从风机驱动端轴承和电动机两个主体入手，通过频谱分析确定故障原因。

2.1 频谱分析

对电动机轴承端监测时，设定其转速和频率分别为730 r/min、24.83 Hz，同时监测其水平、垂直和轴向三个方向的振动数据，监测结果图2所示。分析图2-1可知，驱动端水平方向的分量主要是1倍频、2倍频，3倍频较少，并且大多数时刻处于1倍频运行；2倍频状态下振动幅度较大，其后依次是1倍频、3倍频，2倍频振幅基本上等于1倍频振幅的两倍。分析图2-2可知，非驱动端的分量基本上全是1倍频。对比分析得到，机器运行过程中水平振动分量仍以1倍频为主，但已经超过安全运行标准；不仅如此，振动中还出现其他倍率振动，尤以2倍频谐波最为突出，分析认为机器联轴器对中出现故障。不仅如此，随着负荷的不断增加，通风机振动幅度也出现明显的增加，推断可能是风机和电动机联轴器问题，最可能原因是联轴器的角向不对中。结合两种数据分析结果，确定电动机振动异常的原因主要是联轴器不对中造成的[6-7]。

2.2 时域波形

对电动机驱动端轴承水平方向振动的时域波形监测结果显示，在机器初始运行阶段，振动信号为正弦波，电动机转子转动一圈的过程中会出现两次跳动，并且幅度比较大。据此，可进一步断定是联轴器不对中造成机器振动异常。

随着通风机运行载荷出现变化，风机轮齿刚性也会发生相应的变化，进而导致轮齿产生振动，也就是常见的啮合振动现象。一般情况下，啮合振动过程主要类似于简谐振动，其振动幅值非常小，并在频谱图上能够充分地表现出啮合频率和次生谐波。因为轴承中心主线比较大的扰动，伴随着电机气隙也出现异常变化，这在时域波形图中表现为磁隙中心不稳定。监测得到驱动端水平方向的高频频谱与齿轮轴的旋转频率几乎相同，这说明齿轮出现故障，可能出现偏心、断齿、裂纹等问题。

图2 电动机振动频谱

2.3 振动分析结论

该矿井通风机振动主要是由联轴器出现故障造成的，故障类型为断齿和联轴器出现裂纹，并且后者是造成振动幅值随通风机负荷增加而升高的原因。为确保通风机的安全运行，工作中选择更换联轴器的方法，彻底解决通风机振动故障。在机器拆卸过程中，发现联轴器外齿套确实有一条裂纹，裂纹角度约为45°，并且裂纹长度几乎已经达到齿套轴向的1/3；同时内部齿轮也有多个断裂，锈蚀情况比较严重，这充分证明了推断结果的准确性。