煤矿通风机常见故障分析及监测系统优化方案设计

张 炜

（大同煤矿集团机电装备科工安全仪器有限责任公司， 山西 大同 037000）

1 通风机结构特点及分类

1.1 煤矿通风机的结构特点

煤矿通风机主要由叶轮、机壳、电机、导流片、轴承等部件组成，是压缩并输送气体的主要机械设备。为避免电机与瓦斯接触而发生爆炸，在风机外安装了耐压性密闭罩；同时，风机叶轮采用质量轻、高强度耐腐蚀性的优质合金钢，可通过调节叶片角度，实现对风机状况的调节。另外，风机的机壳、支架等部位均采用刚性好、质量轻的优质碳素钢材料制成。为提高风机技术水平和企业生产效率，目前煤矿行业中应用较为广泛的是具有反转功能的风机，该风机的反风效率相对较高，可直接用于煤矿作业中，无需修建其他专门的反风道设施[1-2]，如图1所示。

1.2 通风机分类（见图1）

图1 煤矿通风机结构分类

2 通风机常见故障分析

2.1 轴承振动引起的故障

轴承振动故障是在工作过程中最为常见的运行故障。滚动轴承作为通风机的关键部件，由于轴承本身的结构特点及其他零部件的加工误差，导致轴在载荷作用下对轴承产生强烈的激励，致使轴承发生振动现象，影响着通风机的使用性能。同时，轴承在滚动过程与其他零件之间发生的相对摩擦和碰撞使轴承表面出现擦伤、摩擦等现象，致使轴承再次产生一定频率的振动现象。当轴承振动超过一定范围，则会出现振动故障。轴承的损坏直接影响着整个通风系统的正常运行[4]。

2.2 油系统问题引起的故障

由于通风机轴颈的带动作用，导致通风机中润滑油发生了高速流动，致使通风机与润滑油之间发生强烈振动现象。油系统在工作过程中出现的主要问题包含油膜振荡和油膜涡动两种。当两者产生的涡动频率接近转轴的临界转动频率时，涡动振幅由于共振作用达到最大值，此振动现象称为油膜振荡。而在通风机转子发生失稳运转时，轴颈出现高速旋转并绕轴的平衡点进行涡动旋转，当涡动频率是转轴角速度频率的一半时，此时称为油膜涡动。油系统故障的发生直接影响着整体通风系统的通风效率[2]。

2.3 电机振动引起的故障

由于电机自身的机械效应和电磁效应存在不平衡现象，导致通风机电机出现了电机振动故障。电机长时间的不平衡旋转，会使销孔出现磨损、胶圈损坏及其他部件磨损，导致通风机设备的重心发生较大幅度的偏移，由于离心力作用致使电机发生了较大程度的振动现象。另外，电机中电磁场的相互作用和能量之间的相互转换，使电机定子机座上产生较大的旋转力矩，也导致了通风机电机出现不同程度的振动现象。电机在振动过程中，其水平方向上的刚度最小，并产生了较为强烈的激振力。在电机振动过程中，Z倍频是不平衡故障常伴频率和区别与基础松动的重要区分点[3]。

2.4 叶轮振动引起的故障

通风机正常工作过程中，通过叶轮的旋转，将外界空气冲入煤矿环境中，当叶轮的叶片黏有大量污物、受伤损坏或带有孔洞叶片上聚集有大量煤灰等情况时，导致叶轮出现不平衡现象而引起了异常振动故障。其振动特征以Z倍频为主的伴随频率经常出现在特征频率周围；激振频率与叶片数量有Z×fr的关系；振动过程中主要以径向振动为主，同时伴有异常声音。

3 煤矿通风机监测系统设计方案

结合前文分析，轴承、电机等设备的振动导致通风机发生了一定的设备故障。为保障煤矿井下生产作业的安全性，需对通风机各项性能进行实时监测，以保证通风机的正常运行。因此，对通风机监测系统进行了方案设计。由于振动现象是通风机运行过程中最为主要现象，因此，在方案设计过程中选取了各设备产生的综合振动信号作为监测系统的监测参数，通过对振动信号的判断，导致对通风机监测的目的。该监测系统方案主要流程包括振动信号的采集、振动信号的分析与处理、监测结果的显示与输出，该监测系统方案的具体结构组成流程如图2所示：

图2 监测系统方案结构组成流程图

该系统方案主要由煤矿通风机设备、振动信号监测系统、振动信号调节系统、振动信号数据采集系统、计算机监测平台及后期指令发出平台等部分组成，其监测原理为：在煤矿通风机上安装测振传感器，建立信号监测系统，通过该传感器对通风机上的电机、轴承等主要部件进行振动信号监测，以软件平台的虚拟仪器系统为中心，计算机为核心，将监测的信号通过信号调节系统进行频谱分析，再通过数据采集系统传输至计算机监测平台进行故障分析和诊断，根据诊断结果发出不同信号的指令，实现对通风机的全程监测。该系统中主要设备的功能如下：

1）煤矿通风机。将通过煤矿通风机作为系统监测对象，实时为系统提供动态特性数据、信号等参数。

2）测振传感器。主要将监测的机械振动信号转化为电信号，以便后面系统分析。

3）信号调节系统。主要是对测振传感器监测的振动信号进行变换，通过数据处理，实现信号的放大，最终转变为模拟信号。

4）数据采集系统。主要是将处理后的模拟信号转换成计算机可识别的数字信号。

5）计算机监测平台。主要对所采集的数字信号通过噪声处理软件进行噪声处理和分析，去除无用信号，提取出有用信号，根据信号特点，实现对各部件振动原因的分析，利用小波神经网络等手段，实现对通风机故障的诊断。

4 结论

通风机监测系统的监测方案在实际使用中，实现了通风机主要振动监测、数据实时传输、数据综合处理、故障分辨及处理等功能，对保障煤矿通风机的正常运转，提高煤矿作业环境的安全性具有重要指导意义。