矿井主通风机轴承故障机理分析及诊断方法研究

梁毅勇

(山西大土河能源科技有限公司，山西 吕梁 033000)

煤矿通风机担负着矿井输送新鲜风流和稀释有害气体的双重责任，矿井通风机发生异常，不仅造成煤矿通风系统的无法运行，同时也容易造成瓦斯爆炸等重大灾难。因此，稳定的矿井通风系统是保障矿井井下生命安全和安全绳的必要条件。煤矿通风机作为旋转机械，其大多数故障主要和轴承、齿轮密切相关，滚动轴承是旋转机械转子和固定部分的核心部件，其很小的损伤就能引起旋转机械的重大故障。目前，根据通风机轴承诊断机理的不同，将滚动轴承故障诊断方法分为振动诊断法、电阻诊断法、声学诊断法、温度诊断法和油液法等，其中，温度诊断法和油液诊断法最为常见[1-2]。鉴于此，本文对矿井主通风机轴承故障机理进行了分析，并研究了矿井主通风机轴承故障方法。研究为实现煤矿安全智能化通风系统的建设提供了技术支持。

1 煤矿通风系统概况

通风网络、通风设施、通风动力构成了煤矿通风系统。通风网络主要由煤矿纵横交错的通风巷道组成；通风设施主要由风桥、风窗、风门等控制风流方向的构筑物组成；通风动力主要由主通风机和局部通风机组成。其中，主通风机是煤矿通风系统的动力来源。煤矿通风机主要分为对旋式和轴流式，其中轴流式使用最为广泛，其结构[3-4]如图1所示。

图1 煤矿轴流式通风系统Fig.1 Axial flow ventilation system in coal mine

煤矿轴流式通风机轴承作为整个风机的关键部件，一旦出现问题，其更换工作量将十分巨大。

2 矿井主通风机轴承故障机理分析

2.1 滚动轴承的结构和振动特性

2.1.1 滚动轴承的结构

滚动轴承主要由保持架、滚动体、外圈和内圈组成。滚动轴承的结构和分类[5-6]见表1。

表1 滚动轴承的结构和分类Tab.1 Structure and classification of rolling bearings

在深沟球轴承中，轴承的外圈内壁和内圈外壁会形成深沟状滚道，来控制滚子的运行方向。深沟球轴承物理结构如图2所示。

图2 深沟球轴承物理结构Fig.2 Deep groove ball bearing physical structure

2.1.2 滚动轴承的振动特性

煤矿通风机的滚动轴承的轴承座或机壳与外圈相连，轴和内圈相连，其振动和外力因素和内部变化密切相关。滚动轴承振动特性产生的原因[7-8]如图3所示。滚动轴承振动特性产生的内部因素主要有3类：①轴承缺陷或使用不当引起的振动。主要包括装配偏斜引起的振动和滚动接触面缺陷引起的振动；②加工和制造精度引起的振动。主要包括滚动体规格不统一引起的振动和轴承零件波纹度引起的振动；③轴承结构本身引起的振动。主要包括滚动体通过载荷方向产生的振动、弹性特征引起的振动和套圈的固有振动。滚动轴承的固有频率振动包括滚动体的固有频率振动(弹性特性引起的振动)和内外圈的固有振动。

图3 滚动轴承振动特性产生的原因Fig.3 Reasons for vibration characteristics of rolling bearings

滚动体的固有频率计算公式：

(1)

式中，f1为滚动体的固有频率；ρ为材料密度；E为弹性参数；r为滚动体半径。

内外圈的固有频率计算公式：

(2)

式中，f0为内外圈的固有频率；S为内外圈纵向截面的面积；ρ为材料密度；g为重力加速度；I为内外圈截面绕中心轴的惯性矩；E为弹性参数；d为回转轴线到中心轴的半径；n为滚珠数量。

由式(1)、式(2)可知，轴承的固有频率取决于轴承质量和材质，和外界的振动没有关联。

由于滚动体规格的不统一，轴承的振动频率与滚动体的转轴转动频率、公转频率密切相关。滚动体的波纹度、轴承外圈、轴承内圈引起的振动和各部件的相对转动频率呈正比关系：

f=nzfi±1

(3)

式中，fi为各部件的相对转动频率；z为滚动体的个数；n为各部件的波纹峰数。

2.2 滚动轴承的失效形式和故障类型

2.2.1 滚动轴承的失效形式

滚动轴承的失效形式主要有6种，其失效形式和产生原因有[9-10]：①胶合失效。主要是由速度过高、润滑性差等引起的材质摩擦高温黏合引起的。②压痕失效。主要是由过大的冲击负荷、装配不当、静负荷造成部件局部凹陷引起的。③断裂失效。主要是由材质不合格、转速过高、超负荷运行等引起零件断裂引起的。④腐蚀失效。主要是由微振腐蚀、电腐蚀、化学腐蚀造成的腐蚀斑引起的。⑤疲劳失效。主要是由轴承部件润滑性差、承受的负载过大引起的。⑥磨损失效。主要是由轴承润滑性差、有异物进入，造成摩擦引起的。实际的轴承损伤会随着时间的延长而扩大，也会产生明显的振动信息，早期轴承的故障诊断可以通过声学诊断、油液法等定期检查来诊断，但是不能及时反映滚动轴承的故障状况。

2.2.2 滚动轴承的故障类型

滚动轴承的故障主要发生在滚动体、外圈、内圈3个部件，一般故障类型如图4所示。

图4 滚动轴承的故障类型Fig.4 Fault types of rolling bearings

不同滚动轴承的故障类型损伤产生冲击间隔、强度不同，致使振动信号的频率信息、幅值信息不同。这种频率特征可根据部件的相互运动频率计算，其计算公式见表2。

表2 滚动轴承的故障频率计算公式Tab.2 Calculation formula of failure frequency of rolling bearings

3 通风机轴承故障诊断方法

煤矿通风机的大多数信息和轴承的工作状态相关，通风机轴承故障诊断系统主要包括轴承振动数据的采集、提取和诊断。本文主要采用LabVIEW来实现通风机轴承故障诊断的。其中，LabVIEW主要由前面板和后面板组成，具有开放性、开发效率高、错误处理能力、图形化、开展型和重复利用等特点。

3.1 程序结构设计

通风机轴承故障诊断程序应具有以下功能：①不仅具有故障特征、故障诊断功能模块，还应具有常规的频域和时域的分析功能；②具有轴承振动信息的显示、储存、采集等功能；③能够提供用户预留常规数据配置窗口。

根据所需的功能要求，并结合轴承的诊断流程，得到通风机轴承故障诊断程序结构，如图5所示。

图5 通风机轴承故障诊断程序结构Fig.5 Structure of fault diagnosis program for fan bearing

3.2 功能模块设计

根据通风机轴承故障诊断程序结构，该功能模块主要包括诊断分类模块、特征提取模块、常规分析模块、采集和储存模块。本文仅介绍诊断分类模块与采集和储存模块。诊断分类模块与采集和储存模块的前面板图形界面如图6所示。

图6 诊断分类模块与数据采集模块的前面板图形界面Fig.6 Front panel graphical interface of diagnostic classification module and data acquisition module

3.3 轴承在线故障诊断平台设计

对诊断分类模块、特征提取模块、常规分析模块、采集和储存模块4个模块进行整合，形成一个在线故障诊断的综合功能平台。轴承在线故障诊断平台设计如图7所示。

图7 轴承在线故障诊断平台设计Fig.7 Design of bearing online fault diagnosis platform

4 结论

(1)滚动轴承振动特性产生的内部因素主要有3类：轴承缺陷或使用不当引起的振动、加工和制造精度引起的振动、轴承结构本身引起的振动；轴承的振动频率与滚动体的转轴转动频率、公转频率密切相关，滚动体的波纹度、轴承外圈、轴承内圈引起的振动和各部件的相对转动频率呈正比关系；滚动轴承的失效形式主要有6种：胶合失效、压痕失效、断裂失效、腐蚀失效、疲劳失效、磨损失效，滚动轴承的故障主要发生在滚动体、外圈、内圈3个部件。

(2)通风机轴承故障诊断系统主要包括轴承振动数据的采集、提取和诊断。设计了通风机轴承故障诊断程序结构，其功能模块主要包括诊断分类模块、特征提取模块、常规分析模块、采集和储存模块，基于该4个模块，设计了轴承在线故障诊断平台。