煤礦主通風機故障排查系統(tǒng)的設計

李 晨

（山西潞安化工集團漳村煤礦，山西 長治 046032）

引言

煤礦井下通風機是稀釋、排出煤礦井下有毒氣體的重要設備，保證其正常運行有助于保障井下工作人員的安全，由于工作人員下井開采煤炭的過程中會釋放大量的有害氣體，如甲烷，這些有毒氣體需要通過風機排出。但是，風機在長時間工作、高效率排氣的情況下會產生一些損耗，特別是當電機、轉子和葉輪等重要結構受到腐蝕后，風機的工作效率會大大降低，因此及時排查煤礦風機故障至關重要。傳統(tǒng)排查風機故障的方法是人工排查，雖然這種方法的準確性能得到保證，但是缺乏時效性，不能做到故障隨出隨排查。隨著計算機技術的發(fā)展，已有煤礦開采生產單位開始將計算機技術和傳感器技術應用于煤礦井通風機設備的故障排查工作中。但是采用計算機故障排查系統(tǒng)也會存在一些問題，比如對于礦井通風機故障敏感性較差，為了提升敏感性，趙計生等人[1]設計了多傳感器系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時排查礦井通風機故障。并且采用支持向量機報出故障類型，從而解決了礦井通風機中出現(xiàn)機械傳動鏈中機械故障無法充分排查的問題。李超和李軍鴻[2]將集成經(jīng)驗模態(tài)分解理論應用于輸入軸和輸出軸編碼器的編碼過程中，通過對噪聲數(shù)據(jù)的變化來判斷故障特征，從而實現(xiàn)了對礦井通風機齒輪出現(xiàn)縫隙裂痕的精確識別。本文將加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、噪聲數(shù)據(jù)和振動數(shù)據(jù)輸入模塊等設備聯(lián)合，設計了一套煤礦井主通風機故障排查系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作方便，運行高效，有利于提高煤礦井通風機運行效率，保證礦井通風機的正常、持續(xù)、高效運行。

1 煤礦主要通風機故障機理分析

1.1 轉子不對中

在煤礦井主要通風機故障中，轉子不對中故障是最常見的一種，包括軸承不對中和軸系不對中。軸承內軸發(fā)生了明顯的偏斜，轉子雖然彼此平行但是表現(xiàn)為不對中，這是軸承不對中現(xiàn)象；軸承內的轉子沒有呈一條直線排列，表現(xiàn)為平行不對中，這是軸系不對中現(xiàn)象。如果煤礦主通風機的軸承既發(fā)生了內軸的偏斜，又出現(xiàn)了轉子不在同一條直線上的現(xiàn)象，這是綜合不對中現(xiàn)象。軸承、軸系和綜合不對中現(xiàn)象的表現(xiàn)形式如圖1 所示。

圖1 轉子不對中的表現(xiàn)形式

實際應用中主要通過風機的振動來判斷煤礦主通風機是否出現(xiàn)了轉子不對中的故障，如檢測振動是否會隨著油的溫度變化而改變，檢測振動的方向（徑向和軸向），檢測振動的常伴頻率（1 倍頻和高倍頻）和特征頻率（2 倍頻）等。

1.2 轉子不平衡

轉子不平衡也是風機常出現(xiàn)的一種故障[3]。該故障會使轉子受到內應力的作用而產生彎曲現(xiàn)象，主要分為轉子出現(xiàn)零部件的缺失、損壞和轉子出現(xiàn)質量偏心。當轉子發(fā)生彎曲，軸承會受到劇烈的磨損，轉子也會產生疲勞，在應用中大大縮短了軸承的使用壽命。轉子零部件的缺失和損壞主要是因為主通風機長期使用，經(jīng)過大量的沖蝕和磨損，會產生轉子疲勞和結垢現(xiàn)象，如果產生了這些現(xiàn)象而不及時處理就會導致轉子的零部件脫落、局部零部件缺失或者零部件產生損壞。

如果轉子發(fā)生了振動異常，那么振幅和相位差可以表示為：

式中：ω 為轉動角速度；ωn為固有頻率，A 為振幅；n為臨界轉速；ψ 為相位差。在轉子發(fā)生振動異常的情況時，振幅和相位差也會發(fā)生變化。

實際應用中同樣通過風機的振動來判斷煤礦主通風機是否出現(xiàn)了轉子不平衡的故障，如檢測振動是否在油的溫度和流量發(fā)生變化時而不發(fā)生改變，檢測振動的方向（徑向），檢測振動的常伴頻率（2 倍頻和3倍頻）和特征頻率（1 倍頻）等。

綜上，如果通風機出現(xiàn)了轉子不平衡的故障，諧波能量的變化主要出現(xiàn)在基頻部分，振動波形呈現(xiàn)類似于正弦波。當轉動角速度ω 小于固有頻率ωn時，振幅會隨著轉動角度的增加而增加；當轉動角速度ω 大于固有頻率ωn時，振幅會穩(wěn)定在一個較小值的附近；當轉動角速度ω 等于固有頻率ωn時，振幅會在峰值出現(xiàn)一個尖峰，并且伴有共振現(xiàn)象的產生，在旋轉速度較小和轉子零部件受到損壞的時候，振幅也會出現(xiàn)顯著增加的現(xiàn)象。

2 診斷系統(tǒng)整體流程分析

本文將加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、噪聲數(shù)據(jù)和振動數(shù)據(jù)輸入模塊等設備聯(lián)合，設計煤礦主要通風機故障診斷系統(tǒng)，流程圖如圖2 所示。

圖2 煤礦主要通風機故障診斷系統(tǒng)工作流程

該系統(tǒng)采用的傳感器主要包括溫度和振動傳感器，傳感器采集到的溫度信號和振動信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡轉換為數(shù)據(jù)信號后傳輸至計算機，計算機通過數(shù)據(jù)分析可將分析結果以圖像的形式展現(xiàn)出來。在數(shù)據(jù)結果圖像化的同時，結果會傳輸并儲存到子數(shù)據(jù)庫中，然后根據(jù)數(shù)據(jù)信息劃分故障等級，如果等級高則需要發(fā)出故障報。

3 煤礦主要通風機故障診斷系統(tǒng)設計

3.1 通風機設備選型

本研究礦井主要通風機采用Y112M-4 型電機，該型號電機的額定電流、額定電壓、額定功率、額定頻率和額定轉速分別為8.8 A、380 V、4 kW、50 Hz 和1 440 r/min，通風機模擬實驗臺現(xiàn)場連接整體如圖3 所示。

圖3 通風機模擬實驗臺現(xiàn)場連接圖

實驗通風機由傳感器、數(shù)據(jù)采集卡與計算機相連，數(shù)據(jù)采集卡通過傳感器的數(shù)據(jù)線獲取振動信號，將模擬信號轉化成數(shù)據(jù)信號傳輸至計算機，實現(xiàn)了對通風機的實時監(jiān)測，該方式可快速排查風機故障并報障。

3.2 傳感器選型

本研究礦井主要通風機連接的傳感器類型為YD-186 型壓電式振動傳感器，該型號壓電式振動傳感器的靈敏度、頻率響應、測量范圍（峰值）、工作電流和供電電源分別為100 mV/g、0.5～6 000 Hz、+10 mA和118～128 VDC。選取3 臺YD-186 型壓電式振動傳感器，1 臺連接變速箱，1 臺連接風機軸承，另外1臺連接電機軸伸端的軸承座，因為該處軸承上也存在振動信號，獲取該處軸承的振動信號也可以反映出電機的振動變化情況。

3.3 數(shù)據(jù)采集卡選型

數(shù)據(jù)采集卡選擇cDAQ-9189 型數(shù)據(jù)采集卡，主要作用是獲取并處理傳感器傳來的模擬數(shù)據(jù)，主要元件CompactDAQ 機箱，機箱運行是基于TSN 以太網(wǎng)為通信基礎的，能實現(xiàn)對外部連接的計算機與C 系列的I/O 模塊所進行的同步或預定時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂?。該型號的?shù)據(jù)采集卡有8 個槽位，在同步傳輸數(shù)據(jù)方面具有較大的優(yōu)勢，且該數(shù)據(jù)采集卡體積小巧，在礦井通風機故障排查工作中使用更加便攜。

3.4 實驗數(shù)據(jù)分析

在通風機模擬實驗臺組裝完成后，依次啟動計算機、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、最后啟動通風機。在該通風機運行過程中，數(shù)據(jù)不斷輸送至計算機，系統(tǒng)分析后判斷通風機沒有出現(xiàn)故障。

為進一步驗證設計煤礦主通風機故障排查系統(tǒng)的可行性和有效性，人為制造一些通風機的碰摩故障，比如在風機葉尖的葉片上纏繞一些鐵絲或者用鐵絲劃損葉片邊緣，在存在碰摩故障的情況下啟動風機，轉子的剛度會隨著鐵絲與轉子發(fā)生接觸而增加，隨后會瞬間下降，從而影響軸承的振幅。在通風機運行過程中，轉子的剛度會反復發(fā)生變化，呈現(xiàn)出周期性。

4 應用效果分析

以潞安化工集團某礦為例，現(xiàn)場對該礦的通風機進行檢測。該礦的通風機是FBCD 型，類型為抽出式。采用本文所提出的礦井通風機故障排查系統(tǒng)對該抽出式通風機進行故障排查。通過排查發(fā)現(xiàn)，該通風機在啟動后，振幅只出現(xiàn)了一次驟升，然后持續(xù)產生波動，表明該礦的通風機在運行中出現(xiàn)了故障。

為了進一步驗證故障排查系統(tǒng)的準確性，將現(xiàn)場檢測改為室內針對性檢測，由現(xiàn)場人員將風機的內芯搬至機房，重新排查，發(fā)現(xiàn)內心的確存在偏心故障。

5 結語

本文通過聯(lián)合加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、噪聲數(shù)據(jù)和振動數(shù)據(jù)輸入模塊等設備，設計了一套煤礦井主通風機故障排查系統(tǒng)，并且對該系統(tǒng)進行了詳細的介紹。為煤礦井通風機常見的一些故障的排查提供了參考流程，并且在實例應用中證實了設計的煤礦井通風機故障排查系統(tǒng)的可行性，能夠及時準確地排查出煤礦井通風機的故障，并將排查結果展示在計算機屏幕上，更加直觀。該設計能夠為礦井井下工作人員的安全提供保障。