煤矿主通风机故障排查系统的设计
时间：2023-03-02 22:35:03 来源：千叶帆 本文已影响人
李 晨
（山西潞安化工集团漳村煤矿，山西 长治 046032）
煤矿井下通风机是稀释、排出煤矿井下有毒气体的重要设备，保证其正常运行有助于保障井下工作人员的安全，由于工作人员下井开采煤炭的过程中会释放大量的有害气体，如甲烷，这些有毒气体需要通过风机排出。但是，风机在长时间工作、高效率排气的情况下会产生一些损耗，特别是当电机、转子和叶轮等重要结构受到腐蚀后，风机的工作效率会大大降低，因此及时排查煤矿风机故障至关重要。传统排查风机故障的方法是人工排查，虽然这种方法的准确性能得到保证，但是缺乏时效性，不能做到故障随出随排查。随着计算机技术的发展，已有煤矿开采生产单位开始将计算机技术和传感器技术应用于煤矿井通风机设备的故障排查工作中。但是采用计算机故障排查系统也会存在一些问题，比如对于矿井通风机故障敏感性较差，为了提升敏感性，赵计生等人[1]设计了多传感器系统，实现了实时排查矿井通风机故障。并且采用支持向量机报出故障类型，从而解决了矿井通风机中出现机械传动链中机械故障无法充分排查的问题。李超和李军鸿[2]将集成经验模态分解理论应用于输入轴和输出轴编码器的编码过程中，通过对噪声数据的变化来判断故障特征，从而实现了对矿井通风机齿轮出现缝隙裂痕的精确识别。本文将加速度传感器、数据采集卡、噪声数据和振动数据输入模块等设备联合，设计了一套煤矿井主通风机故障排查系统，该系统操作方便，运行高效，有利于提高煤矿井通风机运行效率，保证矿井通风机的正常、持续、高效运行。
1.1 转子不对中
在煤矿井主要通风机故障中，转子不对中故障是最常见的一种，包括轴承不对中和轴系不对中。轴承内轴发生了明显的偏斜，转子虽然彼此平行但是表现为不对中，这是轴承不对中现象；
轴承内的转子没有呈一条直线排列，表现为平行不对中，这是轴系不对中现象。如果煤矿主通风机的轴承既发生了内轴的偏斜，又出现了转子不在同一条直线上的现象，这是综合不对中现象。轴承、轴系和综合不对中现象的表现形式如图1 所示。
图1 转子不对中的表现形式
实际应用中主要通过风机的振动来判断煤矿主通风机是否出现了转子不对中的故障，如检测振动是否会随着油的温度变化而改变，检测振动的方向（径向和轴向），检测振动的常伴频率（1 倍频和高倍频）和特征频率（2 倍频）等。
1.2 转子不平衡
转子不平衡也是风机常出现的一种故障[3]。该故障会使转子受到内应力的作用而产生弯曲现象，主要分为转子出现零部件的缺失、损坏和转子出现质量偏心。当转子发生弯曲，轴承会受到剧烈的磨损，转子也会产生疲劳，在应用中大大缩短了轴承的使用寿命。转子零部件的缺失和损坏主要是因为主通风机长期使用，经过大量的冲蚀和磨损，会产生转子疲劳和结垢现象，如果产生了这些现象而不及时处理就会导致转子的零部件脱落、局部零部件缺失或者零部件产生损坏。
如果转子发生了振动异常，那么振幅和相位差可以表示为：
式中：ω 为转动角速度；
ωn为固有频率，A 为振幅；
n为临界转速；
ψ 为相位差。在转子发生振动异常的情况时，振幅和相位差也会发生变化。
实际应用中同样通过风机的振动来判断煤矿主通风机是否出现了转子不平衡的故障，如检测振动是否在油的温度和流量发生变化时而不发生改变，检测振动的方向（径向），检测振动的常伴频率（2 倍频和3倍频）和特征频率（1 倍频）等。
综上，如果通风机出现了转子不平衡的故障，谐波能量的变化主要出现在基频部分，振动波形呈现类似于正弦波。当转动角速度ω 小于固有频率ωn时，振幅会随着转动角度的增加而增加；
当转动角速度ω 大于固有频率ωn时，振幅会稳定在一个较小值的附近；
当转动角速度ω 等于固有频率ωn时，振幅会在峰值出现一个尖峰，并且伴有共振现象的产生，在旋转速度较小和转子零部件受到损坏的时候，振幅也会出现显著增加的现象。
本文将加速度传感器、数据采集卡、噪声数据和振动数据输入模块等设备联合，设计煤矿主要通风机故障诊断系统，流程图如图2 所示。
图2 煤矿主要通风机故障诊断系统工作流程
该系统采用的传感器主要包括温度和振动传感器，传感器采集到的温度信号和振动信号经过数据采集卡转换为数据信号后传输至计算机，计算机通过数据分析可将分析结果以图像的形式展现出来。在数据结果图像化的同时，结果会传输并储存到子数据库中，然后根据数据信息划分故障等级，如果等级高则需要发出故障报。
3.1 通风机设备选型
本研究矿井主要通风机采用Y112M-4 型电机，该型号电机的额定电流、额定电压、额定功率、额定频率和额定转速分别为8.8 A、380 V、4 kW、50 Hz 和1 440 r/min，通风机模拟实验台现场连接整体如图3 所示。
图3 通风机模拟实验台现场连接图
实验通风机由传感器、数据采集卡与计算机相连，数据采集卡通过传感器的数据线获取振动信号，将模拟信号转化成数据信号传输至计算机，实现了对通风机的实时监测，该方式可快速排查风机故障并报障。
3.2 传感器选型
本研究矿井主要通风机连接的传感器类型为YD-186 型压电式振动传感器，该型号压电式振动传感器的灵敏度、频率响应、测量范围（峰值）、工作电流和供电电源分别为100 mV/g、0.5～6 000 Hz、+10 mA和118～128 VDC。选取3 台YD-186 型压电式振动传感器，1 台连接变速箱，1 台连接风机轴承，另外1台连接电机轴伸端的轴承座，因为该处轴承上也存在振动信号，获取该处轴承的振动信号也可以反映出电机的振动变化情况。
3.3 数据采集卡选型
数据采集卡选择cDAQ-9189 型数据采集卡，主要作用是获取并处理传感器传来的模拟数据，主要元件CompactDAQ 机箱，机箱运行是基于TSN 以太网为通信基础的，能实现对外部连接的计算机与C 系列的I/O 模块所进行的同步或预定时间数据传输的控制。该型号的数据采集卡有8 个槽位，在同步传输数据方面具有较大的优势，且该数据采集卡体积小巧，在矿井通风机故障排查工作中使用更加便携。
3.4 实验数据分析
在通风机模拟实验台组装完成后，依次启动计算机、传感器、数据采集卡、最后启动通风机。在该通风机运行过程中，数据不断输送至计算机，系统分析后判断通风机没有出现故障。
为进一步验证设计煤矿主通风机故障排查系统的可行性和有效性，人为制造一些通风机的碰摩故障，比如在风机叶尖的叶片上缠绕一些铁丝或者用铁丝划损叶片边缘，在存在碰摩故障的情况下启动风机，转子的刚度会随着铁丝与转子发生接触而增加，随后会瞬间下降，从而影响轴承的振幅。在通风机运行过程中，转子的刚度会反复发生变化，呈现出周期性。
以潞安化工集团某矿为例，现场对该矿的通风机进行检测。该矿的通风机是FBCD 型，类型为抽出式。采用本文所提出的矿井通风机故障排查系统对该抽出式通风机进行故障排查。通过排查发现，该通风机在启动后，振幅只出现了一次骤升，然后持续产生波动，表明该矿的通风机在运行中出现了故障。
为了进一步验证故障排查系统的准确性，将现场检测改为室内针对性检测，由现场人员将风机的内芯搬至机房，重新排查，发现内心的确存在偏心故障。
本文通过联合加速度传感器、数据采集卡、噪声数据和振动数据输入模块等设备，设计了一套煤矿井主通风机故障排查系统，并且对该系统进行了详细的介绍。为煤矿井通风机常见的一些故障的排查提供了参考流程，并且在实例应用中证实了设计的煤矿井通风机故障排查系统的可行性，能够及时准确地排查出煤矿井通风机的故障，并将排查结果展示在计算机屏幕上，更加直观。该设计能够为矿井井下工作人员的安全提供保障。
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