礦井通風機故障排查系統設計

趙秀芝，徐群和，林 燁

(浙江工貿職業技術職業學院，浙江 溫州 325000)

煤礦井下開采在獲取煤炭資源的同時會釋放大量甲烷等有害氣體，礦井通風機是揮發、稀釋井下有害氣體的重要設備，風機的有效運行是維持井下工作人員的重要保障。然而，風機設備在長時間、滿負荷工作的情況下，其電機、機殼、轉子、葉輪都有可能受到不同程度的腐蝕，通過人工手段來排查風機故障雖然具有較高的準確性，但難以保證實時性[1-3]。因此，越來越多的煤礦生產單位開始將計算機、傳感器以及各種信息技術應用于礦井通風機設備的故障工作。為了進一步提升故障排查系統對于礦井通風機故障的敏感性，楊鮮等[4]通過多傳感器系統來實時診斷礦井通風機故障，通過支持向量機來歸納故障類型，有效解決了風機功率信號無法充分診斷機械傳動鏈中機械故障的問題。安留記等[5]在分析礦井通風機齒輪裂紋故障時，在輸入軸和輸出軸編碼器的編程中引入了集成經驗模態分解理論，在傳動誤差中提取噪聲數據中的故障特征，進而對齒輪裂紋故障實施精確識別。此次研究基于加速度傳感器、數據采集卡、聲音與振動輸入模塊等硬件設備建立了一套礦井主要通風機設備的故障排查系統，系統布設快捷，可以為礦井通風機的穩定運行提供新的可行性策略。

1 煤礦主要通風機故障機理分析

1.1 轉子不對中

該故障可分為軸承不對中和軸系不對中2種，其中軸承不對中指軸承內軸徑發生偏斜，具體表現為轉子間的平行不對中；軸系不對中指軸承內轉子之間不在同一直線上，具體表現為平行不對中。當煤礦主要通風機軸承內同時存在以上兩項問題時則表現為綜合不對中現象[6-9]。轉子不對中故障的具體表現形式如圖1所示。

圖1 轉子不對中的表現形式Fig.1 Manifestation of rotor misalignment

轉子不對中故障特征歸納結果如下：振動隨油溫變化明顯；振動不隨流量變化；振動方向為徑向和軸向；常伴頻率為1倍頻和高倍頻；特征頻率為2倍頻。

1.2 轉子不平衡

該故障可分為轉子部件缺損與轉子質量偏心2種，轉子不平衡容易使轉子因內應力而發生彎曲，加劇軸承磨損并引起轉子疲勞，縮短軸承使用壽命。轉子部件缺損是指風機在長期使用情況下因沖蝕、磨損所產生的疲勞與結垢現象，若未經及時處理可能會導致局部構件脫落或損壞問題[10-12]。轉子不平衡的力學模型如圖2所示。

圖2 轉子不平衡力學模型Fig.2 Rotor imbalance mechanics model

設軸承撓度為a，偏心距為e，偏心質量集中在點G，偏心的質量為m，設轉子質量為M，則離心力矢量為F=Meω2。那么在轉子存在偏心質量的情況下，軸心O′的運動微分方程可表示為：

(1)

在轉子存在振動異常的情況下，相位差ψ與振幅|A|可通過如下公式表示：

(2)

(3)

式(2)與式(3)中，在轉動角速度與固有頻率的比值ω/ωn發生變化的過程中，相位差ψ與振幅|A|也會隨之發生改變[13-15]。

轉子不平衡故障特征歸納結果如下：振動不隨油溫、流量變化；振動方向為徑向；常伴頻率為2倍頻和3倍頻；特征頻率為1倍頻。

分析可知，轉子不平衡故障下，諧波能量主要體現在基頻部分，且振動的時域波形近似為正弦波。在ω<ωn的情況下，ω的增加會引起振幅的增加；在ω>ωn的情況下，振幅趨近一較小的定值；在ω與ωn大小接近的情況下，振幅有最大尖峰，且會產生共振，在旋轉速度較低的情況下，振幅也會顯著增加，當轉子部件受損時，振幅也會明顯增大。

2 診斷系統整體分析流程

煤礦主要通風機故障診斷系統主要由傳感器、數據采集卡、聲音與振動輸入模塊所組成，系統整體運行流程如圖3所示。

診斷系統中的傳感器元件包括溫度傳感器與振動傳感器，傳感器將所采集到的模擬量信號上傳至數據采集卡，由數據采集卡將模擬量信號轉換為數據信號并由計算機進行數據分析，最終得到圖像化的數據分析結果。與此同時，將分析結果上傳至子數據庫，并對數據信息進行記錄并劃分故障等級，必要情況下發出故障報警[16-18]。

圖3 煤礦主要通風機故障診斷系統工作流程Fig.3 Work process of fault diagnosis system for main fans in coal mine

3 煤礦主要通風機故障診斷系統設計

3.1 通風機設備選型

礦井采用Y112M-4型礦用主要通風機，模擬實驗整體狀況如圖4所示。

圖4 通風機模擬實驗臺現場連接Fig.4 Field connection of fan simulation test bench

通風機驅動電機參數：電機型號Y112M-4；額定電流8.8 A；額定電壓380 V；功率4 kW；額定頻率50 Hz；額定轉速1 440 r/min。

實驗通風機實物圖及數據采集卡連接如圖5所示。

圖5 實驗通風機實物圖及數據采集卡連接Fig.5 Physical map of the experimental fan and the connection of the data acquisition card

在實驗操作過程中，首先需要于風機后方的攔網引出傳感器的數據線，與至數據采集卡的振動信號采集模塊相連接，計算機通過網絡與數據采集卡連接，進而實現對通風機的監測。

3.2 傳感器選型

研究采用YD-186型壓電式振動傳感器。分別在變速箱和軸承位置安裝2臺壓電式振動傳感器，由于電機軸伸端處的軸承上的振動信號可以反映設備振動狀況，在電機軸伸端的軸承座上同樣設1臺壓電式振動傳感器[19]。

YD-186型壓電式振動傳感器主要參數：靈敏度100 mV/g；頻率響應0.5～6 000 Hz；測量范圍(峰值)±50g；工作電流為+2～+10 mA；供電電源為±18～±28 VDC。

3.3 數據采集卡選型

采用cDAQ-9189數據采集卡采集來自傳感器的實驗數據，文件元件本質上是一款以TSN以太網為通信基礎的CompactDAQ機箱，可控制外部主機與C系列的I/O模塊之間的定時或同步數據傳輸，共設置有8個槽位，具有同步時序、體積小巧等方面的優勢，適用于針對礦井通風機設備的故障排查工作[20-21]。

3.4 實驗數據分析

在完成風機模擬實驗臺的組裝工作后，打開計算機、傳感器與數據采集卡等各種系統設備，啟動風機。經過一段時間的運行后，系統認定風機工作正常，分析結果如圖6所示。

圖6 通風機正常運行狀態下的故障排查系統檢測結果Fig.6 Test results of the troubleshooting system under the normal operation of the fan

根據圖6可知，在通風機啟動的瞬間，由于受到強烈的電流脈沖作用，通風機振幅激增，但隨后轉為平緩，說明通風機處于正常運行狀態。

為了分析礦井通風機設備故障排查系統的有效性，人為對通風機制造碰摩故障，破壞結果如圖7所示。在葉尖的葉片邊緣位置用鐵絲制造碰摩故障，在存在局部碰摩故障的情況下，靜止件與轉子發生接觸時會瞬間增加轉子剛度，在受到反彈應力的情況下轉子剛度又會瞬間下降。這種轉子剛度的變化會直接體現在軸承振幅上，轉子剛度的每一次劇烈變化都會引起振幅的激變，而這種變化又會隨著轉子的轉動呈現出周期性特點。在模擬制造通風機碰摩故障的情況下，故障排查系統所給出的檢測結果如圖8所示。

圖7 模擬制造碰摩故障Fig.7 Simulate manufacturing rubbing faults

圖8 通風機碰摩故障狀態下的故障排查系統檢測結果Fig.8 Test results of the troubleshooting system under the condition of wind turbine rubbing fault

4 實際應用

研究針對位于山西省東北部的焦家寒煤礦通風機進行現場檢測，該礦井所使用的通風機外部形貌如圖9所示。

圖9 焦家寒煤礦通風機設備外部形貌Fig.9 External appearance of fan equipment in Jiaojiahan Coal Mine

焦家寒煤礦選用FBCD型煤礦用抽出式通風機，通過礦井通風機設備故障排查系統進行檢測，所得檢測結果如圖10所示。根據圖10所示的故障排查結果可知，該通風機在啟動瞬間出現1次振幅驟升之后，其振幅并未保持平衡，多次上升至0.001 5g的警戒值以上，說明該通風機存在故障。

圖10 焦家寒煤礦通風機故障排查結果Fig.10 Troubleshoot results of fans in Jiaojiahan Coal Mine

為了證明檢測結果的準確性，現場工作人員將風機內芯設備轉移至附近機房進行檢查，發現該設備存在一定程度的偏心故障。具體情況如圖11所示。

圖11 通風機故障位置近照Fig.11 Recent photos of the fault location of the ventilator equipment

5 結語

本文詳細介紹了礦井通風機故障排查系統的設計思路，針對礦井通風機普遍存在的一般故障設計了故障排查系統的硬件組建方案，提出了風機設備故障排查的基本流程。經實驗研究發現，研究所設計的礦井通風機故障排查系統能夠及時、準確地識別風機運行狀態，直觀展示風機故障排查結果，為井下施工安全提供更加有效的保障。

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