矿用主通风机改造选型的技术分析

张国庆，张子祎

(1.阳煤集团 机电动力部， 山西 阳泉 045000； 2.晋中学院, 山西 晋中 030600)

0 引言

阳煤集团兴峪公司现使用2台FBCDZ-10-No36(2×900 kW)型防爆抽出式对旋轴流主通风机，实际风量15 000 m3，负压3 400 Pa。2015年11月投入运行以来，先后出现电动机导流罩开裂、一级轮毂开裂等安全隐患，并存在一、二级对接法兰变形导致对接困难等问题。为保证矿井通风安全，结合矿井生产计划及实际需风量要求，需对现用的主要通风机进行技术改造，以提高主通风机安全性能。主要通风机改造有两种技术方案，方案一是利用现有乏风取热平台，采用新的防爆抽出式对旋轴流主通风机，施工周期短，不需要增加临时风机。方案二是拆除现有乏风取热平台，更换为长轴抽出式轴流主通风机。

1 选型主要技术问题分析

1.1 矿井通风网络的优化

兴峪公司困难期风量15 000 m3，考虑漏风量约为16 000 m3，矿井阻力3 400 Pa，加上风机进风道等处阻力通风系统总阻力约4 000 Pa。《煤矿井工开采通风技术条件》AQ 1028—2006中5.1.9规定：矿井通风系统风量10 000～20 000 m3时，系统的通风阻力应小于2 940 Pa。GB 50215—2005《煤炭工业矿井设计规范》第7.1.5条规定：矿井通风的设计负(正)压，一般不应超过2 940 Pa[1]。表土层特厚、开采深度深、总进风量大、通风网络长的大深矿井，矿井通风设计的后期负压可适当加大，但后期通风负压不宜超过3 920 Pa。兴峪公司困难期通风阻力超过了AQ 1028—2006、GB 50215—2005的相关规定。兴峪公司应首先进行矿井通风网络优化后,再进行选型改造，以避免改造后主通风机工况点偏离高效运行区并进入不稳定运行区。

1.2 主通风机选型技术分析

防爆抽出式对旋轴流主通风机叶轮轮毂、叶片强度与电动机前轴承受力相互制约。与长轴抽出式轴流主通风机相比，抽出式对旋主通风机轮毂开裂、叶片断裂故障较多。这是因为抽出式对旋主通风机轮毂、叶片强度设计与电动机前轴承受力相互制约。一方面，抽出式对旋主通风机轮毂、叶片越厚重，强度越大，开裂的隐患就越小，但转子重量加大会造成电动机前轴承受力的恶化，进一步降低前轴承的寿命；另一方面，要改善电动机前轴承的受力，叶轮轮毂、叶片就不能太厚重。因此，抽出式对旋主通风机叶轮轮毂、叶片强度受本身结构限制、制约的问题难以得到实质性的解决，因而叶轮轮毂、叶片开裂、折断的隐患很难根绝。长轴抽出式轴流主通风机主轴一端装有叶轮，另一端整体结构的轴承箱通过联轴器和中间轴与外置电动机连接，轴径可以达到400 mm，叶轮强度和轴承受力可以兼顾、优化。显然，长轴抽出式轴流主通风机通过合理的强度设计和轴承箱配置就避免了抽出式对旋主通风机的结构缺陷。

1.3 主通风机轴承受力分析

1.3.1 防爆抽出式对旋轴流主通风机轴承受力分析

抽出式对旋主通风机结构如图1所示,叶轮采用悬臂式支撑，电动机前轴承(叶轮侧)除了承受电动机转子的重量外，还要承受风机叶轮的重量、叶轮在运转过程中产生的轴向推力、运行中气动不平衡引起的的动载荷、刹车时产生的不平衡力。抽出式对旋主通风机采用YBF系列防爆电动机，电动机轴承采用前二后一布置。抽出式对旋主通风机电动机前轴承受力复杂、恶劣，导致寿命短、轴承温度高、轴承响、振动超标等故障多发、高发。表1列出兴峪公司现用抽出式对旋主通风机与拟采用抽出式对旋主通风机电动机的轴承配置与布置情况对比。

1-集流器;2-前主体风筒;3-一级电动机;4-一级中间筒;5-一级叶轮; 6-二级中间筒;7-二级叶轮;8-后主体风筒;9-二级电动机;10-扩散器;11-扩散塔。

表1 两种抽出式对旋主通风机电动机的对比分析

可以看到，兴峪公司拟采用的抽出式对旋主通风机电动机轴承支撑形式仍然采用前二后一布置，没有针对电动机前轴承受力复杂、恶劣的情况进行实质性改进。与长轴抽出式轴流主通风机相比，拟采用抽出式对旋主通风机仍然存在电动机前轴承易损坏、多故障的隐患，影响到主通风机运行的可靠性。

1.3.2 长轴抽出式轴流主通风机轴承受力分析

如图2所示,以单级长轴抽出式轴流主通风机为例，轴流主通风机主轴一端装有叶轮，另一端整体结构的轴承箱通过联轴器和中间轴与外置电动机连接。轴承箱按照负荷和所需要的调节位移设计，轴径可以达到400 mm，轴承箱一端为圆柱滚子轴承，另一端为圆柱滚子轴承和向心推力轴承，轴承箱采用油池加强制循环润滑和冷却，有效地改善了轴承的运行工况，确保了轴承运行寿命。轴承箱内置于机壳内筒中的下半法兰上,轴承箱两个法兰的下半部分与机壳内圆筒的法兰用螺栓固定，机壳上半内筒的法兰紧压轴承箱相应法兰。整体轴承箱及其固定方式保证了轴承箱的刚性以及叶轮和机壳的同心度。

1-闸门；2-流线体；3-叶轮；4-导叶；5-联轴器；6-轴承箱；7-传动轴；8-导流叶片；9-刹车机构；10-电动机；11-排行式消音器；12-扩散器。

1.4 主通风机叶轮强度分析

抽出式对旋主通风机普遍采用铸铝叶片，大功率主通风机逐步采用2A50锻铝整体叶片，兴峪公司现使用抽出式对旋主通风机采用ZL104铸铝叶片。长轴抽出式轴流主通风机普遍采用锻造铝合金叶片，由于采用铝合金锻造工艺，叶片具有较高的可塑性，易于锻造、冲压，可以热处理强化，有良好挤压效应，切削与焊接性能良好，叶片的抗拉强度、屈服强度等力学性能较铸铝叶片有大幅提升，强度和振动均有足够的安全裕度，比铸造材料分别高了3倍和2倍以上，叶片不易疲劳，消除了叶片开裂、折断等问题，使风机的运行可靠性得到保证。抽出式对旋主通风机叶轮轮毂及承载环采用低碳合金钢，长轴抽出式轴流主通风机采用锻造低碳合金钢轮毂及承载环焊接而成，强度刚度优于抽出式对旋主通风机叶轮轮毂结构。

1.5 润滑方式应稳定可靠

抽出式对旋主通风机电动机注油管减少了弯管设计，降低了管路阻力，但其电动机润滑方式为润滑脂润滑，在运转后期注油困难的情况会越来越严重。长轴抽出式轴流主通风机轴承采用油池加强制循环润滑和冷却，润滑效果明显优于抽出式对旋主通风机轴承的脂润滑。与长轴抽出式轴流主通风机润滑油润滑的方式相比，抽出式对旋主通风机注油困难的情况难以杜绝。

1.6 长轴抽出式轴流式主通风机与抽出式对旋主通风机事故对比

兴峪公司主通风机改造首先应该保证主通风机运行的可靠性。通过对阳煤集团2011年以来15起主通风机事故的统计分析，抽出式对旋主通风机风叶破损、折断、电动机断轴、注油困难等事故多发，占全部主通风机事故的73.3%，长轴抽出式轴流主通风机未发生过轮毂、叶片开裂、脱落及轴承损坏事故。考虑到抽出式对旋主通风机自身难以克服的电动机前轴承事故多发、轮毂、叶片易开裂的缺陷和注油困难的隐患，为保证井下生产的连续性，兴峪公司本次2×900 kW主通风机改造应避免选用防爆抽出式对旋主通风机。

1.7 相同功率防爆抽出式对旋主通风机运行情况考察

兴峪公司等有关人员对盂县上社二景煤业有限公司运行的FBCDZNo34/2×900防爆抽出式对旋轴流通风机进行了运行考察。该主风机2011年安装投运，2018年1#主通风机一级叶轮一片叶片打掉一个角；2018年底2#主通风机因振动超标(风量11 000 m3/min，静压2 350 Pa)返厂处理，振幅达到100 μm以上，更换2台电动机共6盘滚动轴承，振动原因为电动机前轴承故障。

2 防爆抽出式对旋主通风机与长轴抽出式轴流主通风机整体性能的对比

现阶段，防爆抽出式对旋主通风机叶轮轮毂加工已采用最大车削直径5 000 mm数显双柱式立式车床，配备了大工作室尺寸的台车式电阻炉，用以对所加工轮毂进行退火处理，消除应力，减小变形、开裂倾向，风机逐步采用锻铝整体叶片，风机电动机注油管路减少了弯管、降低了管路阻力。加工设备和工艺的改进使抽出式对旋主通风机的整体性能得到了较大的提高，并且具有施工周期短的突出优势。长轴抽出式轴流式主通风机存在施工周期长、占地面积大，润滑站等辅助设备多等问题，但在叶轮轮毂、叶片的强度设计和制造工艺方面是成熟的、稳定的，轴承受力得到了根本的改善，消除了防爆抽出式对旋主通风机轮毂开裂、叶片折断、电动机轴承损坏等突出问题，能够保证大功率主通风机的安全稳定运行。

3 结论

综上所述，通过对主通风机结构、轴承受力、润滑方式等多方面的对比，结合阳煤集团各矿井主通风机事故统计分析，以及对相同功率防爆抽出式对旋主通风机运行情况的考察，考虑到抽出式对旋主通风机行业的技术力量和设计能力以及大功率抽出式对旋主通风机出厂检验能力，具体到兴峪公司主通风机的风量、负压和设备功率，可以看出防爆抽出式对旋主通风机存在自身难以克服的电动机前轴承事故多发、轮毂、叶片易开裂的缺陷和注油困难的隐患，在大风量、高负压、大功率的情况下难以保证井下矿井通风的安全。因此，我们可以得出结论: 尽管存在投资大、施工周期长的问题，兴峪公司主通风机改造应避免选用防爆抽出式对旋主通风机，宜选用长轴抽出式轴流主通风机。