矿山通风设备振动故障分析

曾 晋

（山西西山煤电建筑工程集团有限公司矿建第二分公司， 山西 太原 030022）

引言

作为重要的矿用设备，通风机在煤矿上的作用，类似于肺脏对人的作用，其能否正常工作，直接关系到煤矿的安全生产[1]。矿用通风设备在运行过程中，最重要的故障为振动故障，围绕其振动故障的预测和诊断，是维护煤矿安全生产的必须环节。

1 振动机理

按照运动形式划分，通风机一般是通过旋转运动实现工作功能的，作为一种旋转机械，由于在现场安装，其是在装载了专门的水泥地板和钢板构成专用的基础上的，因此转子在旋转时，因各类质量不平衡导致的震动，都会由风机本身基础和风管等传导出来[2]。在情况严重时，甚至会影响到整个厂工车间生产设备的正常运行。由于各类通风机结构不同，零部件结构多样，特别是在通风机工作时，振动原因更加不易辨别。结合分析一般机械系统模型的简化方法，基本设备的振动模型可以按照惯性弹性和阻尼元件来对构成设备的零部件进行划分，以此来分析通风设备的振动特性。

2 典型振动故障类型

2.1 基础不平衡，装配不紧固

一般应基础变化引起的和基础紧固件松动引起的震动称之为基础不平衡振动。而风机本身零部件装配过程中，由于零件间过松或过紧引起的异常振动，称之为装配不紧固振动[3]。从产生特征上看，两者的振动现象一般相伴而生，而且其表现出来的非线性随机振动特性与转子的偏心程度和转速比的变化率有直接的变化关系，以临界转速为界限，以上两者振动响应，在临界转速下时较为明显，而工作转速在其之上时的振动按组成的频率特性其振动特征频率以基频、分数谐波、亚谐波为主，常伴频率为2信频、3信频。

2.2 转子不对正

一般旋转机械都会因为其主要的零部件，在生产和装配的过程中产生误差，以及在使用当中，受到摩擦和力易产生的热膨胀和变形等原因使这类设备在工作过程中的转子产生在轴向径向两个方向的位移而引起了转子不对中的情况。一般由图1所示三种不对中的形式产生，对于矿井通风设备而言在其运行过程中，由于转子不对称会导致片联轴器发生偏转而引起传动轴的挠曲变形。也会由于载荷不平衡而引起轴承提前损坏。在实际运行当中，由于转子不平衡而引起矿山通风设备故障大约占六成。

从频谱图上看，这类原因引起的震动频率，主要以主轴旋转频率的两倍为主出现，其次是四倍和六倍高次频率。

图1 转子不对正的形式

2.3 转子不平衡

在矿用通风机这类通过转子旋转工作的设备，在生产和使用环节都会由于转子质量分布不均衡而导致在旋转机械中经常出现的转子不平衡的故障。按照这类故障产生原因的不同阶段划分有在生产阶段由于毛坯制造引起的质量分布不均匀、零件制造误差、部件装配误差等造成的转子不平衡称为原始不平衡，在使用过程中由于输送气流中介质随着时间累积不断沉积、介质与风机叶片随机的磨损、磨蚀等引起的，其突出特征就是渐变，因此被称为渐发性不平衡[4]。此外，在通风设备使用一段时间后，亦或是检修不完善引发的微小零部件坠落引发瞬时振幅显著变化，随即稳定的现象，称为突发性不平衡。

此类振动状态下转子由于各类不平衡因素作用，在转子轴心运动上表现出椭圆特征，且以转子临界转速为界，小于临界转速，随着转子转速的增加，振幅增大，椭圆特征增强，接近临界转速时，极易产生共振现象。之后随着转速持续增加，振幅随着其同临界转速间差值的增加而减小，并趋于稳定。

结合此类振动波形与正弦波的特征，在频域内除小部分存在高次谐波的情形，大多数频率为风机旋转频率，总体上的波形呈现出纵状树形。

2.4 轴承损害

矿用通风设备的实际工况中因密封、松动等因素容易出现粉尘、水分、异物渗入造成润滑、磨蚀等现象，从而引起轴承运动部件磨损、点蚀、表皮剥落等形式的损害[5]。同时，基于此类运动部件的载荷为周期性的，因此，在上述故障明显时会产生周期性的振动。

在使用过程中，滚动轴承容易出现偏心、点蚀等损坏，结合上式对应的振动特征不同，当轴承产生偏心、点蚀时其振动频率为风机转轴旋转频率的整数倍，当点蚀伴随着径向间隙时由于振幅调制特征的出现，其振动频率为风机转轴旋转频率整数倍基础上左右浮动。

2.5 叶片激振

在实际的使用过程中，风机叶片受到气体冲击，主要承受径向力的作用，随着气体紊流的出现叶片会产生激振，出现内部损坏，随着时间累积可能出现裂纹。一些偶然的恶劣工况可能引起变形，运行时间过长甚至会发生叶片断裂的严重后果。其中，在叶片变形严重时，伴随着噪声的产生，还会出现轴向振动[6]。

其振动特征与叶片数目关联，主要振动频率为风机转轴旋转频率X叶片数，由于径向间隙，调制变频会使得振动频率变化。

2.6 齿轮弯曲疲劳

通风设备传动系统中，特别是其传动系统中的齿轮传动，由于该部分结构相对复杂且承受着传动过程中的全部负载，会使得齿轮在生产环节形成的制造误差、装配误差与使用过程中的过载、误操作诱发产生故障，而轮齿承受的是周期性的载荷，随着时间的累积会出现不同程度的齿面磨损、胶合、接触疲劳和轮齿弯曲疲劳等现象，在运转过程中轮齿间啮合不良加之轮齿受载周期性的特征，在恶劣工况下容易出现振动故障。

在对此类振动分析中，发现由于振动诱发因素较多，通常会在振动信号中出现基于幅值和频率调制产生的边频成分，分布在啮合频率周围，其带宽与相应的调制源的频率相同。同时，在齿轮传动部分由

于啮合过程中存在磨损，这一阶段在频谱图上反应

出幅值与振动能量显著提高的态势。

2.7 碰磨故障

在旋转机械中由于相对转动的运动形式广泛存在，其对应着转子外缘与固定部件间的径向摩擦和转子在轴向与固定部件的轴向摩擦。特别是在转子加工和安装过程中产生的偏心会增大其与静止部件间的摩擦，在一些过载的情况下会随着热膨胀、磨损不均衡等出现随机振动现象。同样，由于运动部件较多，反应在频谱图中的振动频率由基频、高次谐波、分数谐波等。

3 风机振动故障分析方法

一般矿山设备运行过程中，造成其使用性能下降的主要故障是振动。通常利用振动故障诊断系统来实现对包含激振设备故障信息的振动信号动态特征的提取、记录，分析、处理，以完成对其中故障特征的筛选，最终辨别设备振动故障类型、源头，以实现减弱和消除故障的目的，保障设备正常运行[7]。振动信号提取、处理和传递如图2所示。

图2 振动故障诊断系统

激振设备：用来对被测系统的整体或局部施加可调节激振力，使其产生预期的振动，以便测出动态参数。传感器：测振传感器，也叫拾振器用以将机械振动的信号转变为其他形式的信号。信号变换、处理、放大设备：包括阻抗变换器、前置放大器（电压放大器、电荷放大器）、微积分电路、放大器、滤波器以及其他运算放大器。分析设备：常用的有频谱分析仪，由于快速傅里叶变换技术的出现，使频谱分析设备处理数据的速度和能力有了很大的发展。读数、显示、记录、绘图设备：包括电压表、示波器、磁带记录仪等。

图3 风机测试系统

如图3所示，结合风机振动信号检测系统过程，其中为了分析难以直接确定振动信号变化的内在规律，一般采用在信号时域、频域内对振动信号特征参量在不同工况下相对于激励产生的变化率情况进行分析来描述同分设备振动状态。由于传统的分析方式并未反映特征信号的全貌，不能确定所探寻的是否能够合理反映通风设备振动特性。特别是随着矿山通风系统自动化程度的提高和在一些工况复杂的情形下产生具有明显非线性特征的振动信号。传统的在时域与频域内的分析无法满足这一状况。由于常见的非平稳信号需要通过振动信号在时域和分布域内共同分析，以提取振动信号有效特征。而依靠具有时域局部化能力的小波和小波包变换等现代信号处理方法具有处理这类非平稳信号的能力。是当下和未来一段时间内在矿山通风设备振动故障诊断中广泛应用的方法。

4 结论

结合矿用通风设备基本的振动机理，对本文涉及的基础不平衡装配不紧固、转子不对正、转子不平衡、轴承故障、叶片故障、齿轮故障、碰磨故障等通风设备典型的故障特征进行了分析，分别指出其中存在的原因。之后以小波变换等现代信号处理方法为依据，针对矿用通风设备常见的故障构建起基于现代信号处理方法的振动故障诊断系统、风机测试系统。