巷道局部通風機運行過程中垂直振動分析

張廣太

(潞安化工集團 左權(quán)五里堠煤業(yè)有限公司，山西 左權(quán) 032600)

巷道局部通風機的運行狀態(tài)對巷道的安全掘進有著顯著影響[1]。但由于局部通風機在巷道中的工作環(huán)境較為惡劣，常導致其工作的穩(wěn)定性出現(xiàn)問題[2]。其中，一類穩(wěn)定性失常是以明顯可見的破壞形式呈現(xiàn)，導致風機無法運行，例如，因風機葉輪設計失當或處于運行困難期引起風機電機的長時間過載，造成電機繞組燒壞[3]；因風機軸承強度不夠或潤滑油脂不合格造成軸承疲勞性斷裂[4]；因葉輪參數(shù)和工作狀況不匹配，致使風機運行出現(xiàn)不穩(wěn)定區(qū)間，進而形成非均勻氣流，非均勻氣流能給葉輪帶來沖擊性損傷[5]。另一類穩(wěn)定性失常是以振動狀態(tài)呈現(xiàn)[6]，其中以風機運行過程中的垂直振動較為常見。產(chǎn)生垂直振動的原因為：一是，葉輪在組裝過程中由于配合間隙不合適，減弱固定支架的牢固性，當風機工作時其外殼體發(fā)生豎向抖動，并伴有明顯聲響[7]；二是，電機轉(zhuǎn)子裝配不牢固或軸承損傷而產(chǎn)生振動[8]；三是，風機支撐板因與葉輪裝配時被反復加熱致使其強度減弱，在高速旋轉(zhuǎn)葉輪的離心力作用下，強度弱化后的支撐板極易出現(xiàn)垂直方向的振動[9-10]。然而，由于局部風機工作場所存在較大噪音，井下作業(yè)人員對風機產(chǎn)生超量垂直振動的狀態(tài)不易覺察，使得這類振動帶有明顯的隱蔽性，極易發(fā)展成為風機故障的隱患。目前有關(guān)這方面的研究多集中在工程經(jīng)驗的總結(jié)上，理論分析偏少。因此，有必要從局部風機產(chǎn)生垂直振動的機理入手，分析振動的特征規(guī)律，掌握振動的影響因素。為此，本文通過動力學理論的分析方法得到局部風機垂直振動速度，并結(jié)合算例，以期從理論上為風機的設計、選型以及穩(wěn)定性預測評估提供依據(jù)。

1 局部風機運行垂直振動模型

將局部通風機等效為單圓盤轉(zhuǎn)子模型，如圖1(a)所示。當忽略轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量時，可化簡為圖1(b)所示的懸臂梁系統(tǒng)。懸臂梁為風機電機軸，其長度、彈性模量及慣性矩分別為l、E和I，風機葉輪的質(zhì)量為m。

圖1 局部通風機運行垂直振動力學模型圖

建立直角坐標系，按照材料力學理論，當集中力p=mg在懸臂梁末端作用時，梁產(chǎn)生的撓度為：

(1)

則系統(tǒng)剛度：

(2)

模型系統(tǒng)可進一步簡化為“m-k”系統(tǒng)，則系統(tǒng)垂直自由振動的微分方程為：

(3)

解公式(3)得：

(4)

則系統(tǒng)垂直振動速度為：

(5)

其中，振動頻率：

通過公式(5)可以正向求解局部風機不同工作狀態(tài)下的最大垂直振速和振動頻率。下面結(jié)合一個算例說明。算例：1臺FBD№7.1/2×37 kW局部通風機，葉輪質(zhì)量m=70 kg，電機軸彈性模量E、慣性矩I(軸直徑d=42 mm)及長度l分別為260 GPa、1.46×105mm和110 mm，將以上參數(shù)代入公式(5)計算得到風機垂直振速的最大值為8.8 mm/s，則振速的平均值為4.4 mm/s，符合實際風機振動有效值規(guī)定≤4.6 mm/s的要求。另外，得到振動的頻率為1.13 kHz。因此，只要確定風機垂直振速表達式里5個參數(shù)中的任意4個，即可對剩余1個要考察的參數(shù)進行預估。

2 垂直振動影響因素分析

從上節(jié)分析可知，局部通風機運行時產(chǎn)生的垂直振動速度與頻率由風機轉(zhuǎn)軸長度、剛度以及葉輪質(zhì)量共同影響決定。這些參數(shù)對振速的影響規(guī)律見圖2～圖5。其中，慣性矩的影響實質(zhì)為電機軸直徑的影響。

圖2表示葉輪質(zhì)量變化時系統(tǒng)垂直振速的變化規(guī)律?？梢钥闯?，葉輪質(zhì)量從50 kg增大至70 kg后，最大振速增加了18.3%、振動頻率減小了15.7%，表明葉輪質(zhì)量每增加1 kg，最大振速增加0.068 mm/s、振動頻率減小0.011 kHz。

圖2 不同葉輪質(zhì)量下的系統(tǒng)振速

圖3是風機電機軸長度變化時系統(tǒng)垂直振速的變化規(guī)律。當軸長度由110 mm增長至120 mm后，最大振速增加了13.9%、振動頻率減小了12.4%，顯示電動機軸長度每增長1 mm，風機最大振速增加0.123 mm/s、振動頻率減小0.014 kHz。

圖3 不同電機軸長下的系統(tǒng)振速

圖4為風機垂直振速隨電機軸直徑的變化規(guī)律?？梢姡姍C軸直徑從42 mm增大到48 mm時，最大振速減小了23.5%、振動頻率增大了30.9 %，意味著軸直徑每增加1 mm，系統(tǒng)最大振速減小0.347 mm/s、振動頻率增大0.058 kHz。

圖4 不同電機軸直徑下的系統(tǒng)振速

圖5顯示局部通風機垂直振速隨電機軸彈性模量的變化規(guī)律。

圖5 不同電機軸彈摸下的系統(tǒng)振速

可以看出，當轉(zhuǎn)軸的彈性模量由260 GPa增大至280 GPa時，相應地，風機最大垂直振速減小3.7%、振動頻率增大3.5 %，說明電機軸彈性模量每增加1 GPa，風機最大振速減小0.017 mm/s、振動頻率增大0.002 kHz。

可見，局部風機運行時產(chǎn)生的最大垂直振速與葉輪質(zhì)量和電機軸長度呈正相關(guān)、與電機軸直徑及其彈性模量呈負相關(guān)；而風機的垂直振動頻率則與葉輪質(zhì)量和電機軸長度呈負相關(guān)、與電機軸直徑及其彈性模量呈正相關(guān)。表明從降低振動速度的角度看，可以采取的措施有：減小葉輪質(zhì)量和電機軸長度、增加電機軸直徑及彈性模量；從降低振動頻率的角度看，則要采取與前者相反的措施。這就要求在降振速和降頻率時需綜合考慮，找到兩者的平衡點，這有待后續(xù)進一步研究。此外，各參數(shù)對最大振速和振動頻率影響程度的排序為：電機軸直徑>電機軸長度>葉輪質(zhì)量>電機軸彈性模量。其中，電機軸直徑的影響程度顯著高于其他參數(shù)，說明局部通風機減振的重點應聚焦在電機軸的直徑上?，F(xiàn)實中也發(fā)現(xiàn)電機轉(zhuǎn)軸的異常往往是誘發(fā)風機振動超標的主因，例如在離心力作用下轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)不規(guī)則扭曲，這顯然是轉(zhuǎn)軸剛度不足所致，即與軸直徑不符合要求有關(guān)。

3 應 用

五里堠礦某掘進巷道需要風量為150～200 m3/min，巷內(nèi)可用電壓380 V，要求局部通風機的轉(zhuǎn)速達到2 900 r/min，全風壓2 000 Pa，最高靜壓效率85%，比A聲級25 dB。為此提出三個方案的備選風機型號，并利用本文提出的公式(5)計算風機可產(chǎn)生的最大振速和振動頻率，比選方案見表1。

表1 局部通風機比選方案

以最大振速為主要比選指標，兼顧考慮振動頻率，決定選擇方案2的風機型號。同時為進一步加固風機的穩(wěn)定性，保證電機轉(zhuǎn)軸的強度剛度在運行中不致快速弱化，結(jié)合煤礦實際，在風機支撐板對稱位置加了4條8 mm厚的筋板，兩頭分別連接到軸套和輪轂圈上，并打磨光滑，從新做平衡。試驗后垂直振動值在有效范圍內(nèi)，試機合格。

4 結(jié) 語

針對掘進巷道局部通風機運行時垂直振動超標的現(xiàn)實，基于動力學分析方法，建立“葉輪-電機軸”系統(tǒng)的運動力學模型，從機理上獲得風機系統(tǒng)垂直振動速度的解析表達式，定量地描述了風機運行過程中垂直振動規(guī)律，并分析了影響振速與頻率的因素，得到最顯著的影響參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，對研究成果進行了簡單應用。當然，理論分析所涉及的局部通風機降振措施還有待后續(xù)進一步研究，考慮結(jié)合具體巷道的風流力學環(huán)境、通風技術(shù)工藝及風機物理力學參數(shù)，綜合確定降振速與降頻率的比例關(guān)系并耦合至本文解析式，同時做好風機振動參數(shù)的現(xiàn)場監(jiān)測，修正本文理論參數(shù)，以為巷道安全掘進提供服務。