煤礦排水泵故障與維護

張 婷

(大同煤礦集團有限責(zé)任公司煤峪口礦)

煤礦井下生產(chǎn)過程中,由于自然或人為因素，導(dǎo)致地下徑流或地下含水層的水與井巷貫通，造成礦井涌水[1]。通常使用排水泵將涌水抽排至其他區(qū)域或經(jīng)井下泵房抽排至地表，確保井巷中正常的生產(chǎn)秩序和人員設(shè)備安全。煤礦作業(yè)環(huán)境惡劣，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，排水泵對煤礦來說十分重要，如何有效及時處理煤礦排水泵各類故障，對控制礦井涌水非常關(guān)鍵。

1 水泵機組電機轉(zhuǎn)子故障

1.1 轉(zhuǎn)子不平衡

水泵轉(zhuǎn)子不平衡主要由于轉(zhuǎn)子本身材質(zhì)缺陷如材質(zhì)不均勻、質(zhì)量偏心、轉(zhuǎn)子彎曲、聯(lián)軸器不平衡等，及后期由腐蝕、磨損或零件松動等外部因素造成的偏心導(dǎo)致。水泵工作環(huán)境中大量煤塵會部分吸附在轉(zhuǎn)子上，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不平衡故障。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，伴隨震蕩響應(yīng)現(xiàn)象。

轉(zhuǎn)動系統(tǒng)間隙過大或軸聯(lián)結(jié)剛性不足會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子松動，造成機械阻抗低，當(dāng)運轉(zhuǎn)過程轉(zhuǎn)子不平衡和偏心時，會引發(fā)較大的振動。引發(fā)轉(zhuǎn)子松動的原因有水泵基座施工導(dǎo)致水泵安設(shè)不水平、力學(xué)和溫度等外界因素導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)出現(xiàn)較大間隙、支承系統(tǒng)接合面間隙設(shè)置過大等。

1.2 轉(zhuǎn)子不對中

水泵轉(zhuǎn)子不對中是導(dǎo)致水泵故障的主要原因之一，以電機與水泵本體進行軸連接部分的不對中現(xiàn)象最為常見，按角度可以分為平行不對中、偏角不對中、以及平行偏角不對中，見圖1。

剛性聯(lián)軸器所聯(lián)結(jié)的轉(zhuǎn)子在遇到轉(zhuǎn)子軸線發(fā)生徑向位移時，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子強制接觸，嚴(yán)重時造成轉(zhuǎn)子彎曲變形。轉(zhuǎn)子正常運轉(zhuǎn)過程中高速轉(zhuǎn)動，輕微的不平衡都會產(chǎn)生較大離心力，并產(chǎn)生徑向振動。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周后，會產(chǎn)生2次振動，同時徑向彈性力發(fā)生4次方向改變，即振動頻率是旋轉(zhuǎn)頻率的2倍[2]。

圖1 轉(zhuǎn)子不對中示意

實際使用過程，水泵轉(zhuǎn)子軸線間發(fā)生的位移存在徑向和偏角兩個方向，即轉(zhuǎn)子上會發(fā)生徑向和軸向振動，聯(lián)軸器軸承上受到2倍基頻的附加徑向作用力。軸承不對中體現(xiàn)在軸承座左右側(cè)標(biāo)高偏差，軸頸與軸承間相互位置及轉(zhuǎn)軸固有轉(zhuǎn)動頻率發(fā)生變化，而大負(fù)荷下的軸承不對中可能會出現(xiàn)高次諧波振動。

2 水泵機組電機軸承故障

2.1 油膜振蕩

作為大型水泵機組的煤礦排水泵，其機組通過滑動軸承來支承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，該類轉(zhuǎn)子系統(tǒng)易出現(xiàn)油膜渦動和油膜振蕩故障。油膜渦動原理是主軸偏心旋轉(zhuǎn)所形成的油楔，由于液體存在不可壓縮性，油楔推動主軸前行，進而形成一個與轉(zhuǎn)動方向一致的渦動，該渦動與油楔速度一致[3]。圖2為不同轉(zhuǎn)速下滑動軸承的軸頸中心位置，該滑動軌跡為平衡半圓弧，受工作轉(zhuǎn)速和負(fù)載負(fù)荷影響，軸承中心軌道可能出現(xiàn)與載荷作用方向不同的移動。

圖2 滑動軸承工作狀態(tài)

油膜渦動現(xiàn)象發(fā)展到一定程度會進一步形成油膜振動現(xiàn)象，振動范圍內(nèi)的零部件會產(chǎn)生微弱形變。由于水泵內(nèi)機構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)子和定子間間距較小，容易發(fā)生摩擦。

2.2 轉(zhuǎn)軸橫向裂紋

金屬材料長期承受負(fù)荷后會出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，如水泵機組長期運轉(zhuǎn)后各承壓零配件會出現(xiàn)橫向疲勞裂紋，轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子等金屬配件強度下降，出現(xiàn)周期疲勞、蠕動和應(yīng)力腐蝕開裂等現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)斷軸。

2.3 其他故障

煤礦井下涌水和采煤用水最后匯集到泵房水倉，由于井下作業(yè)環(huán)境惡劣，水倉中含有大量垃圾物、煤屑，雜質(zhì)長期堆積會堵塞水泵吸水口、管路和水泵內(nèi)部，最終影響實際排水效率，嚴(yán)重時會損毀水泵。因此要定期清理水泵和泵房水倉，并根據(jù)雜質(zhì)顆粒大小在吸水口設(shè)置金屬濾網(wǎng)和過濾器。水泵汽蝕現(xiàn)象是由空氣溶解于液體中產(chǎn)生的，在液體中的空氣微泡受水壓和溫度影響會裂解產(chǎn)生新的微泡，并與過流面表面發(fā)生一系列物理、化學(xué)反應(yīng)[4]。

3 煤礦主排水泵維護

3.1 運行維護

排水泵受到氣蝕和磨損等因素影響，使用效率和壽命降低，且煤礦井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，如何有效進行煤礦各主、輔排水泵的日常檢查和維護對礦井井下排水工作十分重要。歸納起來，應(yīng)從以下3方面重點加強煤礦排水泵日常檢查和維護：

(1)建立設(shè)備定期維護制度。長期使用的水泵應(yīng)定期對運行狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)進行檢查，對發(fā)現(xiàn)因磨損嚴(yán)重而影響使用的平衡盤、葉輪、密封圈等零配件及時進行更換，確保排水泵設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)，避免故障停機或帶“病”運行。為解決排水泵常見的零件磨損、氣蝕等隱患，將葉輪、平衡盤等易損部件調(diào)整為耐磨、耐氣蝕的銅質(zhì)零件等，延長零件及水泵使用壽命。通過在水泵房出水口設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)堰口等流量監(jiān)測手段，定期監(jiān)測水泵工作效率，對運行效率低下的水泵進行檢查和維修。

(2)控制水泵揚程。水泵選型過程中水力損失過高，實際使用過程中易出現(xiàn)揚程過高、電機過載、嚴(yán)重氣蝕等現(xiàn)象，易損傷排水泵，使用效率低下。優(yōu)化未投入使用的設(shè)備，對已經(jīng)投入使用的設(shè)備通過去除部分葉輪等措施調(diào)整排水泵揚程。

(3)保證管路暢通。由于井下作業(yè)環(huán)境較為惡劣，水泵工作中易產(chǎn)生污垢或水垢等雜質(zhì)堵塞管路，導(dǎo)致水流不暢，繼而引發(fā)龍頭堵塞、流量降低和水泵燒損、磨損、氣蝕等，可通過及時清理水倉和吸水井減少管路雜質(zhì)，同時通過清除水垢等改善管路有效流通面積，降低管道阻力。

3.2 節(jié)能維護

煤礦井下排水泵水倉排水過程中水位不恒定，為提高水泵使用效率和節(jié)約能源，將主排水泵設(shè)置為自動啟動模式，一方面起到節(jié)約能源的作用，另一方面降低因吸入過多空氣或空轉(zhuǎn)導(dǎo)致設(shè)備磨耗。

目前多通過使用超聲波傳感器根據(jù)水位情況自動控制水泵開啟狀態(tài)，原理是超聲波傳感器通過波的反射機理向水面發(fā)生超聲波，超聲波接觸水面、倉地后開始向發(fā)射方向反射，根據(jù)波的發(fā)射和接收時長計算出水位高度。超聲波傳感器與排水泵啟動開關(guān)機電輔助器進行信號連接，設(shè)置水泵自動啟動的水位臨界點，根據(jù)該點對井下排水進行自動化控制。

4 結(jié) 論

煤礦井下作業(yè)通過排水泵機組對抽排井下涌水，保證水泵機組設(shè)備工作穩(wěn)定性和可靠性對確保生產(chǎn)秩序不受到地下水影響至關(guān)重要。分析煤礦水泵機組幾種常見故障如水泵機組轉(zhuǎn)子不平衡、不對中、水泵機組油膜振蕩、轉(zhuǎn)軸橫向裂紋等軸承故障，并從水泵機組運行和節(jié)能兩方面進行維護制度討論，可供機電維修人員開展水泵機組維護與修理參考。