基于故障树的煤矿排水泵故障分析

薄一龙

(同煤国电同忻煤矿，山西 大同 037001)

0 引言

煤矿井下生产过程中由于自然或人为因素，导致地下径流或地下含水层的水与井巷贯通，造成矿井涌水[1]。煤矿通常会使用排水泵将涌水区域内的水抽排至其他区域或经井下泵房将水抽排至地表，从而确保井巷中正常的生产秩序和人员设备安全。煤矿作业环境恶劣，地质结构复杂，排水泵尤其对煤矿来说十分重要，如何有效避免排水泵产生的各类故障，确保对矿井涌水的控制是非常关键的。

1 煤矿排水泵常见故障类型

1.1 排水泵机组电机转子故障

转子不平衡：水泵电机转子不平衡主要由于转子本身材质缺陷，如材质不均匀、质量偏心、转子弯曲、联轴器不平衡等，以及后期腐蚀、磨损或零件松动等外部因素造成的偏心。同时由于水泵所处环境中含有大量煤尘，这类粉尘会部分吸附在转子上导致转子质量不均。这种转子不平衡故障机理基本一致，并且随转子旋转会伴随震荡响应现象。

转动系统间隙过大或轴联结刚性不足会导致转子松动，继而引发机械阻抗低、运转过程即使不平衡和偏心都会引发较大振动。具体引发转子松动的因素有：水泵基座施工导致水泵安设不水平，力学和温度等外界因素导致转子系统出现较大间隙，支承系统接合面间隙设置过大。

转子不对中:水泵转子不对中是导致水泵故障主要原因之一，以电机与水泵本体进行轴连接部分的不对中现象最为常见，从角度可以分为平行不对中、偏角不对中、以及平行偏角不对中，如图1所示。

a-平行不对中；b-偏角不对中；c-平行偏角不对中图1 转子不对中示意图

刚性联轴器所联结的转子在遇到转子轴线发生径向位移会导致转子发生强制接触，严重时造成转子弯曲变形。转子正常运转过程进行高速转动，轻微的不平衡都会产生较大离心力，并向径向产生振动，转子转向一周后，会产生2次振动，同时径向弹性力发生4次方向改变，即振动频率是旋转频率的2倍[2]。

实际水泵转子轴线间发生位移的方向上存在径向和偏角两个方向，即转子上会发生径向和轴向振动，而联轴器轴承上受到附加径向作用力为2倍基频。轴承不对中体现在其轴承座标高左右侧位置偏差，轴颈与轴承间相互位置以及转轴固有转动频率发生变化，而大负荷下的轴承不对中可能会出现高次谐波振动。

1.2 水泵机组电机轴承故障

油膜振荡：作为大型水泵机组的煤矿用水泵机组通过滑动轴承来承担转子系统，该类转子系统中易出现油膜涡动和油膜振荡故障现象。油膜涡动其原理为主轴偏心旋转所形成的油楔，由于液体存在不可压缩性，油楔导致主轴推动前行，进而形成一个与转动方向一致的涡动，该涡动与油楔速度一致[3]。图2为不同转速下滑动轴承的轴颈中心位置，该滑动轨迹为平衡半圆弧，受到工作转速和负载负荷影响，轴承中心轨道可能出现与载荷作用方向不同的移动。

a-转速为0；b-转速约为0；c-转速大于0图2 滑动轴承工作状态

油膜涡动现象发展到一定程度会进一步形成油膜振动现象，范围内的零部件会产生微弱形变，由于水泵内机构紧凑，转子和定子间间距较小，转子和定子间易发生摩擦。

转轴横向裂纹：金属材料长期承受负荷后会出现疲劳现象，如水泵机组这类机械设备在长期运转后各需承压的零配件会出现横向疲劳裂纹，如转轴、转子等配件金属材质本身强度下降，出现高周期疲劳、蠕动和应力腐蚀开裂等现象，严重时至出现断轴等问题。

1.3 其他故障

煤矿井下涌水和采煤用水最后汇集到泵房水仓，由于井下恶劣的作业环境，水仓中含有大量的垃圾物、煤屑、杂质等长期堆积会堵塞水泵吸水口、管路和水泵内部，最终影响实际排水效率，严重的会损毁水泵。所以要定期对水泵和泵房水仓进行清理，并根据杂物的颗粒大小在吸水口设置金属滤网和过滤器。

水泵汽蚀现象是由空气溶解于液体中产生的，在液体中的空气微粒受水压和温度影响会产生裂解成新的微泡，并与过流面表面发生一系列物理、化学的反应的现象[4-5]。

2 基于故障树的煤矿排水泵故障分析

2.1 故障树的建立

根据前面对煤矿排水泵常见故障类型的分析，建立故障树，如图3所示，表1为煤矿排水泵故障树编号与说明。

图3 煤矿排水泵主要故障的故障树

表1 煤矿排水泵故障树编号与说明

2.2 定性分析

对图3所示煤矿排水泵故障树进行定性分析，求该故障树的最小割集，以此判断相关底事件对顶事件的影响。通过简单的布尔运算可以求得系统最小割集。通过逻辑分析，由于故障树中每个底事件均为逻辑“或”，因此最小割集为

T=A1+A2+A3

=x1+x2+x3+x4+x5+x6

(1)

从式(1)可以看出，煤矿排水泵故障树的最小割集为{x1}，{x2}，{x3}，{x4}，{x5}，{x6}。也就是说，故障树分析中，所有底事件均为顶事件的最小割集，每一个因素的出现都可能导致整个系统的故障，该系统可靠性较低。

2.3 定量计算

根据故障树的定量计算方法，进行顶事件的发生概率计算，算法如式(2)所示。

则：P=1-(1-x1)(1-x2)(1-x3)……(1-x6)

(2)

当已知各因素的故障概率时，可以求得最终整个系统的故障概率，以此判断系统的可靠性。

3 煤矿主排水泵的维护

3.1 运行维护

排水泵受到气蚀和磨损等因素的影响，会降低使用效率和寿命，并且煤矿井下作业环境复杂，如何有效地对煤矿各主、辅排水泵进行日常检查和维护对矿井井下排水工作十分重要。为此应以以下3点作为重点加强煤矿排水泵日常检查和维护。

加强设备定期维护制度：长期使用的水泵应定期对运行状态和设备状态进行检查，对发现因磨损严重而影响使用的平衡盘、叶轮、密封圈等零配件应及时进行更换，确保排水泵设备能够处于良好的工作状态，避免因故障停机或带病运行。为应对排水泵常见的零件磨损、气蚀等隐患，将叶轮、平衡盘等易损部件调整为耐磨、耐气蚀的铜质零件等材料，提高零件及水泵的使用期限。通过在水泵房出水口设置的标准堰口等流量监测手段定期监测水泵工作效率，对出现运行效率低下的水泵进行设备检查和维修。

控制水泵扬程：水泵选型过程中设计水力损失过高，实际使用过程中易出现扬程过高、电机过载、严重气蚀等现象，易损伤排水泵并其使用效率低下。对未投入使用的设备进行更换，对已经投入使用的设备可以通过车削去除部分叶轮等措施调整排水泵扬程。

保证管路畅通：由于井下作业环境较为恶劣，水泵工作中易出现污垢或水垢等杂质堵塞管路，导致水流不畅继而引发龙头堵塞、流量下降、水泵烧损、磨损、气蚀等，可以通过及时清理水仓及吸水井减少管路杂质，同时通过清除水垢等改善管路的有效流通面积和降低管道阻力。

3.2 节能维护

煤矿实际进行水仓排水过程中水位不恒定，为提高水泵使用效率和节约能源的角度，应将主排水泵设置为自启动模式，一方面起到节约能源的作用，另一方面降低设备因吸入过多空气或空转导致设备损耗。可以使用超声波传感器，并根据水位情况自动化控制水泵开启状态。

超声波进行水位测试的原理为，传感器通过波的反射机理向水面发生超声波，超声波在接触水面、仓地后开始向发射方向反射，根据波的发射和接收时长计算出水位的高度。超声波传感器与排水泵启动开关机电辅助器进行信号连接，设置水泵自启动的水位临界点，可根据该点对井下排水进行自动化控制。

4 结语

煤矿井下作业通过矿用水泵机组对井下涌水进行抽排，保证水泵机组设备的稳定性和可靠性，对确保生产秩序中不受地下水的影响至关重要。文中对煤矿水泵机组几种常见故障进行分析，如水泵机组转子不平衡、不对中，以及水泵机组油膜振荡、转轴横向裂纹等轴承故障。同时，对水泵机组运行、节能维护进行讨论，为机电维修人员开展水泵机组维护与修理提供一定参考。