基于仿真分析的通風(fēng)機故障診斷試驗分析*

梁 晉

(山西焦煤西山煤電集團公司 馬蘭礦機電部，山西 太原 030205)

0 引 言

礦井通風(fēng)機是井下煤炭生產(chǎn)的核心通風(fēng)設(shè)備，是保證井下空間空氣環(huán)境良好，新鮮風(fēng)量充足，有害氣體與粉塵濃度降低的重要安全生產(chǎn)設(shè)備。礦用通風(fēng)機的故障對煤炭企業(yè)生產(chǎn)安全造成很大損失。礦用通風(fēng)機的故障具有形式多樣、機理復(fù)雜、故障征兆與故障發(fā)生之間存在非線性關(guān)系等特點，通風(fēng)機故障信號提取較為困難。針對這一現(xiàn)象，筆者提出運用建模仿真分析的方法進(jìn)行故障特征信號獲取，利用故障特征信號進(jìn)行通風(fēng)機故障診斷，以解決故障信息獲取不準(zhǔn)確問題，實現(xiàn)通風(fēng)機故障診斷系統(tǒng)判斷更為及時準(zhǔn)確的目標(biāo)。

1 軸流式通風(fēng)機結(jié)構(gòu)分析

現(xiàn)階段，煤礦企業(yè)使用的主流通風(fēng)機為軸流式通風(fēng)機，軸流式通風(fēng)機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。礦用通風(fēng)機主要由葉輪、集流器、頭罩、電動機、電動機外包筒、后導(dǎo)葉以及擴壓器芯筒。其中，電動機、葉輪、集流器以及擴壓器芯筒為主要部件。電動機是設(shè)備的主要動力來源，為葉輪做旋轉(zhuǎn)運動提供能量；葉輪可使葉片旋轉(zhuǎn)從而沖擊空氣，使空氣獲得風(fēng)壓與速度，使空氣得以流通；擴壓器芯筒可使軸向氣流動能轉(zhuǎn)換為靜壓動能；集流器可減小空氣阻力損失，減少能量消耗。

礦用通風(fēng)機故障主要體現(xiàn)在通風(fēng)機運行時發(fā)生強烈的振動，其振動原因通常有六種，分別為轉(zhuǎn)子失衡、連接件之間發(fā)生松動、軸系中心不對稱、葉片發(fā)生損壞等故障、動靜摩擦失衡以及軸承發(fā)生斷裂等。其中，轉(zhuǎn)子失衡、軸系中心不對稱、連接件之間發(fā)生松動以及葉片發(fā)生損壞為最常見的故障原因。文中主要對葉片發(fā)生損壞故障進(jìn)行仿真研究，以期對通風(fēng)機故障診斷系統(tǒng)故障信息提取提供相關(guān)依據(jù)。

圖1 軸流式通風(fēng)機結(jié)構(gòu)圖

2 葉片損壞故障仿真分析

2.1 CFD模擬過程分析

對于葉片故障的仿真分析文中采用CFD的方法，CFD相比于物理模擬費用更低、周期更短、實驗更加方便。CFD的基本原理是：將原本的時間與空間坐標(biāo)中的例如溫度場、速度場、壓力場以及濕度場等的連續(xù)物理量場運用有限離散點值的集合進(jìn)行代替，運用一定的原則與方式建立離散點變量關(guān)系的代數(shù)方程組，通過方程組的求解得到場變量的近似值。CFD的工作流程示意圖如圖2所示。

圖2 CFD工作流程示意圖

2.2 葉片故障建模

以葉片損壞故障為主要研究對象。葉片損壞故障中最為常見的故障為葉片連接松動以及葉片損壞。運用SolidWorks軟件對普通葉片、損壞葉片、連接松動葉片以及葉片連接松動且損壞四種情況進(jìn)行建模分析。

通風(fēng)機葉輪的基本參數(shù)設(shè)置為：葉輪外徑設(shè)置為2 830 mm，輪轂直徑設(shè)置為1 600 mm，級數(shù)設(shè)置為2，一級動葉片數(shù)設(shè)置為19，二級動葉片數(shù)設(shè)置為19，中導(dǎo)葉片數(shù)設(shè)置為8，后導(dǎo)葉片數(shù)設(shè)置為14，通風(fēng)機外殼與動葉葉尖的間隙設(shè)置為5 mm。將通風(fēng)機各部位參數(shù)設(shè)置完成后，文中主要對通風(fēng)機葉片周圍流場模擬。通風(fēng)機的旋轉(zhuǎn)方式為機械旋轉(zhuǎn)，葉片周圍流場具有對稱與周期的特性，故只需對一對葉片分析即可得出所有葉片特性。葉片損壞故障可通過模擬普通葉片被切割處理后即可，葉片連接松動故障則可通過模擬改變?nèi)~片安裝角度，選取改變后的某一時間進(jìn)行模擬即可，葉片連接松動與損壞并存的情況則對上述兩種情況進(jìn)行合并模擬即可。通風(fēng)機葉片進(jìn)行流體動力學(xué)計算模型的建立，由于通風(fēng)機旋轉(zhuǎn)為機械旋轉(zhuǎn)，故只需對一部分內(nèi)部流體區(qū)域進(jìn)行計算分析，邊界條件為周期性邊界即可。四種情況的幾何模型示意圖如圖3所示。

圖3 通風(fēng)機葉輪幾何模型示意圖

2.3 計算結(jié)果分析

將普通葉片、損壞葉片、連接松動葉片以及連接松動且損壞的葉片幾何模型導(dǎo)入FLUENT軟件，并對邊界條件、求解器以及網(wǎng)格劃分進(jìn)行分別設(shè)置，對最終結(jié)果進(jìn)行對比分析。FLUENT軟件顯示方式和結(jié)果輸出方式多樣，可進(jìn)行葉片損壞故障的多方面分析。由于湍流流動是通風(fēng)機葉輪研究中最為常見的流動現(xiàn)象，通風(fēng)機葉輪流體流動大多處于湍流狀態(tài)。文中主要選擇通風(fēng)機葉輪的內(nèi)部流場湍流情況進(jìn)行分析，從而使通風(fēng)機葉輪故障診斷與流體力學(xué)聯(lián)系更加科學(xué)緊密。

運用FLUENT軟件對通風(fēng)機內(nèi)部流場湍流情況的k-ε模型中的ε值與k值進(jìn)行模擬分析，ε值與k值模擬變化曲線圖如圖4所示。其中，圖4(a)～(d)分別為葉片正常情況下、葉片損壞情況下、連接松動葉片情況下以及葉片連接松動且損壞情況下的ε值與k值變化曲線。

其中，x軸為時間步長，s；y軸為變量值；深色曲線為k值的變化曲線，J；淺色曲線為ε值變化曲線，J·s-1。

通過對葉片的不同狀態(tài)下的ε值與k值變化進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，不同狀態(tài)下的葉片ε值與k值變化曲線擁有各自的規(guī)律，特別是湍流耗散率ε值變化曲線規(guī)律最為特殊，湍流耗散率ε值變化曲線的內(nèi)部湍流場差異十分大，辨識度較高。圖4(a)中，湍流耗散率ε值的變化曲線呈線性減低規(guī)律，隨著時間的變化逐漸穩(wěn)定收斂于7×10-3；圖4(b)中，斷裂葉片的ε值較為平穩(wěn)呈降低趨勢，沒有發(fā)生收斂現(xiàn)象；圖4(c)連接松動葉片的湍流耗散率ε值變化曲線波動較為強烈，隨著時間的推移，湍流耗散率ε變化逐漸變緩且收斂于5.0×10-3；圖4(d)中連接松動且損壞的葉片湍流耗散率ε值變化曲線呈平穩(wěn)降低的趨勢，其數(shù)值變化穩(wěn)定且逐漸收斂于1.0×10-1。由圖可知，湍動能k值的變化也存在一定的規(guī)律性。圖4(a)普通葉片、圖4(b)損壞葉片以圖4(d)連接松動且損壞葉片情況湍動能k值變化曲線形狀較為相似，但圖4(b)損壞葉片的情況比圖4(a)普通葉片情況湍動能k值變化曲線的變化幅度更大，圖4(d)連接松動且損壞葉片情況k值變化較為平緩且其數(shù)值逐漸收斂于6.0×10-4；圖4(c)連接松動葉片情況與另外三種的湍動能k值變化區(qū)別較大，可通過肉眼直接區(qū)分開來。

圖4 ε值與k值模擬變化曲線圖

3 仿真實驗

通過上述分析可得在不同故障狀態(tài)時通風(fēng)機葉片的湍流參數(shù)變化曲線，依據(jù)不同的湍流變化曲線規(guī)律可診斷與識別不同的通風(fēng)機葉片故障。運用ADAMS軟件對通風(fēng)機系統(tǒng)進(jìn)行模型建立，依據(jù)實際通風(fēng)機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、約束、作用力以及運動激勵對模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，頻率設(shè)置為50 Hz，功率為1 000 kW，轉(zhuǎn)速設(shè)定為600 r/min。模型建立完成后對葉片連接松動故障進(jìn)行模擬，得出的故障仿真圖如圖5所示。該仿真圖符合葉片連接松動故障仿真圖特性，系統(tǒng)運行正常。按上述仿真試驗方法對200種不同葉片故障進(jìn)行仿真實驗后發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)機故障診斷系統(tǒng)準(zhǔn)確率為100%，故障類型與原因判定準(zhǔn)確，符合通風(fēng)機故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計要求。

圖5 葉片連接松動故障仿真圖

4 結(jié) 論

礦用通風(fēng)機一直是煤炭生產(chǎn)企業(yè)重要的安全生產(chǎn)設(shè)備，現(xiàn)階段，礦用通風(fēng)機發(fā)生故障的類型較多、且設(shè)備故障機理大多復(fù)雜、故障征兆與故障發(fā)生之間聯(lián)系困難，很難建立線性關(guān)系，故障診斷系統(tǒng)故障特征信號獲取困難。針對這一現(xiàn)象，提出了運用仿真分析的方法進(jìn)行通風(fēng)機故障診斷研究，通過分析研究得出了以下結(jié)論：

(1)CFD建模仿真技術(shù)通過對葉片故障進(jìn)行仿真分析可得出葉片在不同故障狀態(tài)時的特征信號且區(qū)分較為明顯，可實現(xiàn)礦用通風(fēng)機故障診斷系統(tǒng)故障特征信號的獲取。

(2)將上述特征信號獲取方法應(yīng)用于通風(fēng)機故障診斷系統(tǒng)并進(jìn)行系統(tǒng)檢測實驗后發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)機故障診斷系統(tǒng)準(zhǔn)確率為100%，符合通風(fēng)機故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計要求。