矿井水泵机组常见故障分析

2018-10-09肖凯文

机电工程技术 2018年9期

肖凯文

（潞安环保能源股份有限公司五阳煤矿，山西长治 046205）

0 引言

在流体振动、机械振动和电磁振动的相互作用下形成水泵机组的机械振动，鉴于煤矿井下恶劣的环境条件，通过数学建模对其进行研究具有相当大的难度。在水泵机组中，不同机械发生的机械故障不一定相同，各种机械故障呈现的故障状态也多种多样，同时各种故障发生的频率也不一样。常见的水泵机组故障包括动力不足、轴承发热、中途停水或不出水、泵体振动异常等等。同时异步电机定子绕组匝间短路、转子断条这些故障现象也比较普遍。水泵的主要功能要靠转子的旋转来实现，转子是水泵机组的重要组成部件，通常情况下转子的故障以振动信号的形式呈现。本文作者结合旋转机械的特征，以煤矿井下水泵机组的结构和特征为基础，研究机械故障的振动形式并进行故障排除[1]。

1 水泵机组电机转子故障

1.1 转子不平衡

转子零部件松动、材质不均匀、被腐蚀等均会引起转子部件质量偏心，从而引发井下水泵机组转子不平衡故障。与此同时，引起转子不平衡的因素还包括转子初始弯曲、联轴器不平衡等。在煤矿开采区，吸水井抽出的水中常含有大量的煤粉，随着这些煤粉的不断积累，从而造成转轴的质量偏心，因此转子不平衡现象常存在于煤矿开采区的泵房水泵机组中。

转子每转动一圈，就会产生一次震荡反应，这就是引起转子不平衡故障的原理。在水泵机组系统运行过程中，系统接触部位的空隙过大、在外力作用或者温度变化下转子系统出现缝隙、设备施工质量差等这些情况都会导致转子的松动。因此，在水泵机组系统中设备连接处的间隙或者设备连接刚度不足将直接导致转子机械抵抗力低，使其在运行过程中产生大幅振动，从而造成转子松动故障。即使是转子松动产生的十分微小的不平衡都会引起水泵机组系统产生很强的振动[2]。

1.2 转子不对中

转子不对中，尤其是水泵与电机的轴连接部分不对中是造成井下水泵机组故障的主要原因。其中转子不对中主要分为平行不对中、偏角不对中以及平行偏角不对中3种情况。

众所周知，转子在高速运转过程中会产生强大的离心力，在强大的离心力作用下，转子每转动一圈，其径向弹性力就会改变4次方向，即使转子产生2次径向振动，因此其振动频率是旋转频率的2倍。转子会发生弯曲变形，是由于当在转子轴线中存在径向位移时，刚性联轴器联结的转子就会被强制连接，从而产生弯曲变形引发故障。

在水泵机组系统实际运行过程中，各转子轴线间的位移情况是错综复杂的，并不仅仅只存在一种位移情况，往往同时存在着径向位移和偏角位移两种情况。在这种状况下，转子发生径向和轴向振动相当于是由施加到联轴器的轴承上的一个2倍基频的附加径向作用力产生的。与此同时，轴承座标偏高或者其左右位置存在偏差，不仅改变轴颈与轴承的相互位置，导致轴承产生不对中的情况，而且还使轴系的固有频率发生了改变。因此，在一定条件下，载重大的轴承不对中情况会引发高次谐波振动，从而造成设备故障[3]。

表1 泵内异物的振动特征

2 水泵机组电机轴承故障

2.1 油膜振荡

通常大型机组普遍存在油膜轴承的油膜涡动以及油膜振荡故障，煤矿水泵机组也不例外，这是由于大型机组主要是采用滑动轴承来支持转子系统运行的。滑动轴承在偏心旋转时，由于液体具有不可压缩性，会形成一个油楔，油楔的油在推动轴前进的过程中形成涡动，其涡动方向与轴旋转方向相同，涡动的速度与油楔的前进速度相同。滑动轴承的轴颈中心的位置关系由其转速决定，滑动轴承的运行轨迹并不总是沿载荷作用方向移动，同时还受转速快慢和负载大小的影响，呈现为一个半圆弧（平衡半圆）。

水泵转子和定子之间产生的微小形变都会引起其之间的相互摩擦，这是由于转子和定子之间的空隙较小导致的。机械理论表明，油膜涡动将会造成油膜振动故障。因此得出如下结论，动静摩擦产生低频中频和高频各个频带的频谱特征的振动[4]。

2.2 转轴横向裂纹

高周期疲劳使用和设备腐蚀开裂等是造成水泵机组故障的主要原因。机械设备通常都有一定的使用寿命，水泵机组在长期使用过程中容易产生横向裂纹，如若发现不及时，就会造成断轴等严重事故。

转子出现疲劳后会显现以下特征，当转子有裂纹时，其振动不呈线性分布（即频谱中同时存在频率f、2f、3f、5f等频率分量），振动方向为径向、轴向两种，同时其振动的时域波形为叠加波形。

3 其他故障

在矿井下的泵房水仓中各种水质常常掺杂着许多垃圾物，从而造成矿井下恶劣环境条件，因此需要在泵进口处安装金属滤网或者过滤器对异物进行过滤，并且对水仓和泵进行定期清理，改善井下环境。否则，在靠近采区的泵房中，水质中的大量的煤矿垃圾异物以及水垢存在于水泵体内不断堆积，就会造成其排水效率大大降低。泵内异物的振动能量高度集中在基频区，但是泵内异物与正常水泵在振动效果形式上区别不大，表1为泵内异物的振动特征[5]。

在一定的温度和压力的变化下，液体中溶解的气体产生微泡、溃裂，对过流表面产生物理化学作用的整个过程叫做汽蚀。汽蚀影响着水泵的使用效率和生命周期，以矿井使用的水泵为矿用耐磨多级离心泵（河南郑泵科技有限公司提供），49 m为它的必须汽蚀余量，则当水位到泵体中心处的垂直高度大于49 m时，水泵很容易发生汽蚀[6]。因此，水泵机组安装人员在安装设备时必须严格控制水位到泵体中心处的垂直高度。程序判断水位小于49 m时将停泵，即水泵机组的负压值会小于-4.9 kPa[7]。