礦山通風設備振動故障分析

曾 晉

（山西西山煤電建筑工程集團有限公司礦建第二分公司， 山西 太原 030022）

引言

作為重要的礦用設備，通風機在煤礦上的作用，類似于肺臟對人的作用，其能否正常工作，直接關系到煤礦的安全生產(chǎn)[1]。礦用通風設備在運行過程中，最重要的故障為振動故障，圍繞其振動故障的預測和診斷，是維護煤礦安全生產(chǎn)的必須環(huán)節(jié)。

1 振動機理

按照運動形式劃分，通風機一般是通過旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)工作功能的，作為一種旋轉(zhuǎn)機械，由于在現(xiàn)場安裝，其是在裝載了專門的水泥地板和鋼板構成專用的基礎上的，因此轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時，因各類質(zhì)量不平衡導致的震動，都會由風機本身基礎和風管等傳導出來[2]。在情況嚴重時，甚至會影響到整個廠工車間生產(chǎn)設備的正常運行。由于各類通風機結構不同，零部件結構多樣，特別是在通風機工作時，振動原因更加不易辨別。結合分析一般機械系統(tǒng)模型的簡化方法，基本設備的振動模型可以按照慣性彈性和阻尼元件來對構成設備的零部件進行劃分，以此來分析通風設備的振動特性。

2 典型振動故障類型

2.1 基礎不平衡，裝配不緊固

一般應基礎變化引起的和基礎緊固件松動引起的震動稱之為基礎不平衡振動。而風機本身零部件裝配過程中，由于零件間過松或過緊引起的異常振動，稱之為裝配不緊固振動[3]。從產(chǎn)生特征上看，兩者的振動現(xiàn)象一般相伴而生，而且其表現(xiàn)出來的非線性隨機振動特性與轉(zhuǎn)子的偏心程度和轉(zhuǎn)速比的變化率有直接的變化關系，以臨界轉(zhuǎn)速為界限，以上兩者振動響應，在臨界轉(zhuǎn)速下時較為明顯，而工作轉(zhuǎn)速在其之上時的振動按組成的頻率特性其振動特征頻率以基頻、分數(shù)諧波、亞諧波為主，常伴頻率為2信頻、3信頻。

2.2 轉(zhuǎn)子不對正

一般旋轉(zhuǎn)機械都會因為其主要的零部件，在生產(chǎn)和裝配的過程中產(chǎn)生誤差，以及在使用當中，受到摩擦和力易產(chǎn)生的熱膨脹和變形等原因使這類設備在工作過程中的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生在軸向徑向兩個方向的位移而引起了轉(zhuǎn)子不對中的情況。一般由圖1所示三種不對中的形式產(chǎn)生，對于礦井通風設備而言在其運行過程中，由于轉(zhuǎn)子不對稱會導致片聯(lián)軸器發(fā)生偏轉(zhuǎn)而引起傳動軸的撓曲變形。也會由于載荷不平衡而引起軸承提前損壞。在實際運行當中，由于轉(zhuǎn)子不平衡而引起礦山通風設備故障大約占六成。

從頻譜圖上看，這類原因引起的震動頻率，主要以主軸旋轉(zhuǎn)頻率的兩倍為主出現(xiàn)，其次是四倍和六倍高次頻率。

圖1 轉(zhuǎn)子不對正的形式

2.3 轉(zhuǎn)子不平衡

在礦用通風機這類通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)工作的設備，在生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)都會由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均衡而導致在旋轉(zhuǎn)機械中經(jīng)常出現(xiàn)的轉(zhuǎn)子不平衡的故障。按照這類故障產(chǎn)生原因的不同階段劃分有在生產(chǎn)階段由于毛坯制造引起的質(zhì)量分布不均勻、零件制造誤差、部件裝配誤差等造成的轉(zhuǎn)子不平衡稱為原始不平衡，在使用過程中由于輸送氣流中介質(zhì)隨著時間累積不斷沉積、介質(zhì)與風機葉片隨機的磨損、磨蝕等引起的，其突出特征就是漸變，因此被稱為漸發(fā)性不平衡[4]。此外，在通風設備使用一段時間后，亦或是檢修不完善引發(fā)的微小零部件墜落引發(fā)瞬時振幅顯著變化，隨即穩(wěn)定的現(xiàn)象，稱為突發(fā)性不平衡。

此類振動狀態(tài)下轉(zhuǎn)子由于各類不平衡因素作用，在轉(zhuǎn)子軸心運動上表現(xiàn)出橢圓特征，且以轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速為界，小于臨界轉(zhuǎn)速，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加，振幅增大，橢圓特征增強，接近臨界轉(zhuǎn)速時，極易產(chǎn)生共振現(xiàn)象。之后隨著轉(zhuǎn)速持續(xù)增加，振幅隨著其同臨界轉(zhuǎn)速間差值的增加而減小，并趨于穩(wěn)定。

結合此類振動波形與正弦波的特征，在頻域內(nèi)除小部分存在高次諧波的情形，大多數(shù)頻率為風機旋轉(zhuǎn)頻率，總體上的波形呈現(xiàn)出縱狀樹形。

2.4 軸承損害

礦用通風設備的實際工況中因密封、松動等因素容易出現(xiàn)粉塵、水分、異物滲入造成潤滑、磨蝕等現(xiàn)象，從而引起軸承運動部件磨損、點蝕、表皮剝落等形式的損害[5]。同時，基于此類運動部件的載荷為周期性的，因此，在上述故障明顯時會產(chǎn)生周期性的振動。

在使用過程中，滾動軸承容易出現(xiàn)偏心、點蝕等損壞，結合上式對應的振動特征不同，當軸承產(chǎn)生偏心、點蝕時其振動頻率為風機轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)頻率的整數(shù)倍，當點蝕伴隨著徑向間隙時由于振幅調(diào)制特征的出現(xiàn)，其振動頻率為風機轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)頻率整數(shù)倍基礎上左右浮動。

2.5 葉片激振

在實際的使用過程中，風機葉片受到氣體沖擊，主要承受徑向力的作用，隨著氣體紊流的出現(xiàn)葉片會產(chǎn)生激振，出現(xiàn)內(nèi)部損壞，隨著時間累積可能出現(xiàn)裂紋。一些偶然的惡劣工況可能引起變形，運行時間過長甚至會發(fā)生葉片斷裂的嚴重后果。其中，在葉片變形嚴重時，伴隨著噪聲的產(chǎn)生，還會出現(xiàn)軸向振動[6]。

其振動特征與葉片數(shù)目關聯(lián)，主要振動頻率為風機轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)頻率X葉片數(shù)，由于徑向間隙，調(diào)制變頻會使得振動頻率變化。

2.6 齒輪彎曲疲勞

通風設備傳動系統(tǒng)中，特別是其傳動系統(tǒng)中的齒輪傳動，由于該部分結構相對復雜且承受著傳動過程中的全部負載，會使得齒輪在生產(chǎn)環(huán)節(jié)形成的制造誤差、裝配誤差與使用過程中的過載、誤操作誘發(fā)產(chǎn)生故障，而輪齒承受的是周期性的載荷，隨著時間的累積會出現(xiàn)不同程度的齒面磨損、膠合、接觸疲勞和輪齒彎曲疲勞等現(xiàn)象，在運轉(zhuǎn)過程中輪齒間嚙合不良加之輪齒受載周期性的特征，在惡劣工況下容易出現(xiàn)振動故障。

在對此類振動分析中，發(fā)現(xiàn)由于振動誘發(fā)因素較多，通常會在振動信號中出現(xiàn)基于幅值和頻率調(diào)制產(chǎn)生的邊頻成分，分布在嚙合頻率周圍，其帶寬與相應的調(diào)制源的頻率相同。同時，在齒輪傳動部分由

于嚙合過程中存在磨損，這一階段在頻譜圖上反應

出幅值與振動能量顯著提高的態(tài)勢。

2.7 碰磨故障

在旋轉(zhuǎn)機械中由于相對轉(zhuǎn)動的運動形式廣泛存在，其對應著轉(zhuǎn)子外緣與固定部件間的徑向摩擦和轉(zhuǎn)子在軸向與固定部件的軸向摩擦。特別是在轉(zhuǎn)子加工和安裝過程中產(chǎn)生的偏心會增大其與靜止部件間的摩擦，在一些過載的情況下會隨著熱膨脹、磨損不均衡等出現(xiàn)隨機振動現(xiàn)象。同樣，由于運動部件較多，反應在頻譜圖中的振動頻率由基頻、高次諧波、分數(shù)諧波等。

3 風機振動故障分析方法

一般礦山設備運行過程中，造成其使用性能下降的主要故障是振動。通常利用振動故障診斷系統(tǒng)來實現(xiàn)對包含激振設備故障信息的振動信號動態(tài)特征的提取、記錄，分析、處理，以完成對其中故障特征的篩選，最終辨別設備振動故障類型、源頭，以實現(xiàn)減弱和消除故障的目的，保障設備正常運行[7]。振動信號提取、處理和傳遞如圖2所示。

圖2 振動故障診斷系統(tǒng)

激振設備：用來對被測系統(tǒng)的整體或局部施加可調(diào)節(jié)激振力，使其產(chǎn)生預期的振動，以便測出動態(tài)參數(shù)。傳感器：測振傳感器，也叫拾振器用以將機械振動的信號轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降男盘?。信號變換、處理、放大設備：包括阻抗變換器、前置放大器（電壓放大器、電荷放大器）、微積分電路、放大器、濾波器以及其他運算放大器。分析設備：常用的有頻譜分析儀，由于快速傅里葉變換技術的出現(xiàn)，使頻譜分析設備處理數(shù)據(jù)的速度和能力有了很大的發(fā)展。讀數(shù)、顯示、記錄、繪圖設備：包括電壓表、示波器、磁帶記錄儀等。

圖3 風機測試系統(tǒng)

如圖3所示，結合風機振動信號檢測系統(tǒng)過程，其中為了分析難以直接確定振動信號變化的內(nèi)在規(guī)律，一般采用在信號時域、頻域內(nèi)對振動信號特征參量在不同工況下相對于激勵產(chǎn)生的變化率情況進行分析來描述同分設備振動狀態(tài)。由于傳統(tǒng)的分析方式并未反映特征信號的全貌，不能確定所探尋的是否能夠合理反映通風設備振動特性。特別是隨著礦山通風系統(tǒng)自動化程度的提高和在一些工況復雜的情形下產(chǎn)生具有明顯非線性特征的振動信號。傳統(tǒng)的在時域與頻域內(nèi)的分析無法滿足這一狀況。由于常見的非平穩(wěn)信號需要通過振動信號在時域和分布域內(nèi)共同分析，以提取振動信號有效特征。而依靠具有時域局部化能力的小波和小波包變換等現(xiàn)代信號處理方法具有處理這類非平穩(wěn)信號的能力。是當下和未來一段時間內(nèi)在礦山通風設備振動故障診斷中廣泛應用的方法。

4 結論

結合礦用通風設備基本的振動機理，對本文涉及的基礎不平衡裝配不緊固、轉(zhuǎn)子不對正、轉(zhuǎn)子不平衡、軸承故障、葉片故障、齒輪故障、碰磨故障等通風設備典型的故障特征進行了分析，分別指出其中存在的原因。之后以小波變換等現(xiàn)代信號處理方法為依據(jù)，針對礦用通風設備常見的故障構建起基于現(xiàn)代信號處理方法的振動故障診斷系統(tǒng)、風機測試系統(tǒng)。