張文敏

（山西寧武大運(yùn)華盛南溝煤業(yè)公司，山西 寧武 036700）

引言

通風(fēng)設(shè)備是煤礦生產(chǎn)的核心設(shè)備。因此，它們應(yīng)該得到適當(dāng)?shù)木S護(hù)和監(jiān)測。最常用的評估方法是使用振動測量。有許多不同的方法進(jìn)行該種監(jiān)測，但是主要取決于維護(hù)方法。保證振動現(xiàn)象得到較好的識別，即具有故障識別、問題識別等優(yōu)點(diǎn)。然而可以觀察到很多突發(fā)情況，導(dǎo)致長期和昂貴的維修停工甚至災(zāi)難性的事故，這主要是由于缺乏狀態(tài)監(jiān)測方法，尤其是在大功率礦用風(fēng)機(jī)領(lǐng)域。由于大慣性效應(yīng)(大旋轉(zhuǎn)質(zhì)量) 以及穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)條件下的復(fù)雜流動現(xiàn)象[1-2]。主要表現(xiàn)為振動過大，難以識別和消除。本文給出了礦用大型風(fēng)機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)的此類事故的實(shí)例，并給出了識別和排除此類事故的數(shù)值方法和實(shí)驗(yàn)方法。

1 風(fēng)機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)的振動現(xiàn)象

旋轉(zhuǎn)機(jī)械都會發(fā)生振動，可能是由于驅(qū)動單元中質(zhì)量旋轉(zhuǎn)不平衡、齒輪嚙合、電機(jī)或機(jī)械慣性參數(shù)引起的[3]。在機(jī)器正常運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)情況下，會發(fā)生振動，但是如果機(jī)器的技術(shù)狀況令人滿意(設(shè)計(jì)合理、制造和安裝質(zhì)量良好、平衡參數(shù)在可接受范圍內(nèi))，則不構(gòu)成重大的運(yùn)行問題。另一種振動發(fā)生在機(jī)器啟動和關(guān)閉的過程中。在這種情況下，可能會發(fā)生諧振。機(jī)器越大，可能會出現(xiàn)的問題越大。圖1 為2.5 MW 徑向風(fēng)機(jī)啟動實(shí)例，測量了主軸軸承座的軸向振動。圖上標(biāo)出了啟動的所有階段。

圖1 主軸箱體2.5 MW 徑向風(fēng)機(jī)軸向振動的啟動情況

振動存在的另一個(gè)原因是通過風(fēng)扇的介質(zhì)流動。這種情況有復(fù)雜的多重現(xiàn)象。首先是風(fēng)機(jī)在風(fēng)機(jī)曲線穩(wěn)定側(cè)的運(yùn)行。根據(jù)理論和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，風(fēng)機(jī)應(yīng)在風(fēng)機(jī)特性曲線右側(cè)運(yùn)行。

風(fēng)機(jī)運(yùn)行中必須保證通風(fēng)系統(tǒng)流量參數(shù)與風(fēng)機(jī)特性相匹配。通風(fēng)系統(tǒng)的重大變化必須考慮風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)轉(zhuǎn)速的變化。通常轉(zhuǎn)速的改變是更有效的，但昂貴的變頻器或多速發(fā)動機(jī)在這種情況下是必需的。如果不采取任何措施，風(fēng)機(jī)在其特征曲線的左側(cè)運(yùn)行就有風(fēng)險(xiǎn)，這可能會導(dǎo)致過度振動。

在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計(jì)階段，重要的作用是確定其模態(tài)特性，如正態(tài)模態(tài)頻率和形狀，并保證其不處于風(fēng)機(jī)的特征頻率范圍內(nèi)。如果不滿足，則該物體容易發(fā)生共振，可能導(dǎo)致故障甚至災(zāi)難。振動的一般影響是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的裂紋。這種情況的例子如圖2 所示。

圖2 由振動引起的風(fēng)扇故障的例子——轉(zhuǎn)子的裂紋

除振動對風(fēng)機(jī)整體性的影響外，保證風(fēng)機(jī)的高效運(yùn)行也很重要。高效率意味著更低的能耗，更少的污染，從而降低整體運(yùn)行成本。風(fēng)機(jī)應(yīng)設(shè)計(jì)成在最佳特性點(diǎn)運(yùn)行，在這種情況下不應(yīng)出現(xiàn)任何與振動異常有關(guān)的問題。但是，在復(fù)雜的通風(fēng)系統(tǒng)中或在流量參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，這一要求無法滿足。在這種情況下，風(fēng)機(jī)操作人員希望確保運(yùn)行在可接受的振動和可優(yōu)先考慮的效率范圍內(nèi)。在這種情況下，最優(yōu)的解決方案是建立有效的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將通風(fēng)機(jī)特性曲線調(diào)整到流動狀態(tài)，在低振動的情況下獲得高效率。

對于大功率礦用通風(fēng)風(fēng)機(jī)，共振振動或一般的過度振動現(xiàn)象尤為危險(xiǎn)。測試機(jī)器是否在此不利的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)是至關(guān)重要的。

2 評估條件

風(fēng)機(jī)運(yùn)行中的測量方法與維護(hù)方法密切相關(guān)。

常用的方法有以下幾種:糾正維修-操作直到故障發(fā)生；預(yù)防性維護(hù)-基于狀態(tài)的操作；預(yù)測維護(hù)-防止和糾正故障的操作。

前兩種策略是最受歡迎的?？紤]到這些機(jī)器對生產(chǎn)過程至關(guān)重要，第一種策略顯然不夠有效。它經(jīng)常導(dǎo)致計(jì)劃外停機(jī)，從而大大降低了生產(chǎn)效率。預(yù)防性維修可分為定期檢修和按情況檢修兩大類。第二種方法是礦用風(fēng)機(jī)運(yùn)行中比較流行的方法，它要求對被測結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。如果發(fā)現(xiàn)損壞的癥狀，立即對情況進(jìn)行分析，并決定采取糾正措施。該方法有助于及早發(fā)現(xiàn)故障，但其效率嚴(yán)格取決于狀態(tài)評估的質(zhì)量。這涉及風(fēng)機(jī)退化過程的評價(jià)方法、實(shí)施的監(jiān)測技術(shù)、計(jì)算方法和指標(biāo)。早期發(fā)現(xiàn)故障有助于降低故障修復(fù)成本，減少機(jī)器停機(jī)時(shí)間。

預(yù)測維修為機(jī)器運(yùn)行提供了一個(gè)重要的升級，但仍不如預(yù)防性維修流行。預(yù)防和預(yù)測方法的根本區(qū)別在于后者可以預(yù)測故障的發(fā)生?；谶@些信息，用戶可以提前采取預(yù)防措施，以推遲或完全消除預(yù)期的故障。然而，預(yù)測維護(hù)策略需要應(yīng)用最先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測方法。因此，這種方法仍然不常用。

本文所研究的另一種風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測方法是測量風(fēng)機(jī)進(jìn)口和出口的流量，并將流量與振動和故障識別聯(lián)系起來。流動和振動的某些方向是有關(guān)系的。還可以利用風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子殼體的振動來識別流動問題（例如左手邊運(yùn)行特性曲線）。研究表明，振動信號和流量信號的數(shù)據(jù)可以并行應(yīng)用于煤礦風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測。

3 案例研究

在標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控系統(tǒng)的故障檢測中，有時(shí)需要進(jìn)行更詳細(xì)的分析，找出問題的根源，做出最優(yōu)的行動決策。這種分析可以基于另一種更高級的測試結(jié)果，使用更高級的方法。本章以礦用通風(fēng)風(fēng)機(jī)故障識別為例，介紹了各種試驗(yàn)技術(shù)的實(shí)例。第一種情況是大功率3 MW 軸向風(fēng)機(jī)振動。該風(fēng)機(jī)運(yùn)行在排氣系統(tǒng)中。它是一種核心設(shè)備，一旦發(fā)生故障，可能會導(dǎo)致整個(gè)井下作業(yè)的緊急停車。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中，在報(bào)警閾值范圍內(nèi)存在周期性振動現(xiàn)象。在主軸軸承座振動測量的基礎(chǔ)上，建立了標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)。當(dāng)振動量超過10 mm/s，這種振動可能會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)故障。為了找出振動過大的根本原因，采用了幾種測量技術(shù)和數(shù)值方法。下面將簡要介紹它們以及獲得的結(jié)果。

利用三維激光對風(fēng)機(jī)進(jìn)出口通道進(jìn)行了掃描測量。其主要目的是為進(jìn)一步分析確定振型、頻率和振動量。圖3 展示了測試結(jié)果的示例。在風(fēng)機(jī)啟動和正常運(yùn)行過程中進(jìn)行了試驗(yàn)。在所有已知的振動模式中，最主要的頻率是風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動頻率，即fr=12.5 Hz。風(fēng)機(jī)進(jìn)/出口風(fēng)管進(jìn)行了模態(tài)仿真，并對風(fēng)管模型進(jìn)行了驗(yàn)證（通過實(shí)驗(yàn)測試），以便在發(fā)現(xiàn)共振問題后進(jìn)行修正。利用主軸和葉片的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析（EMA）對類似的旋轉(zhuǎn)單元（軸和轉(zhuǎn)子）進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，還發(fā)現(xiàn)軸的彎曲模態(tài)頻率f1（f1=14.43Hz=1.16fr）與轉(zhuǎn)動頻率fr重疊可能存在共振問題。

圖3 風(fēng)機(jī)出口管道三維振動掃描結(jié)果（VRMS,1=5.2 mm/s）

在啟動和正常運(yùn)行過程中，對風(fēng)機(jī)進(jìn)出口進(jìn)行了額外的壓力試驗(yàn)，以研究振動的根本原因是流動還是機(jī)械振動現(xiàn)象。結(jié)果表明，風(fēng)機(jī)振動的根本原因與風(fēng)機(jī)軸系和風(fēng)管設(shè)計(jì)不當(dāng)有關(guān)。軸的固有模態(tài)頻率與軸的轉(zhuǎn)動頻率重疊，產(chǎn)生共振和拍頻效應(yīng)。

4 結(jié)論

工業(yè)風(fēng)機(jī)的連續(xù)或周期狀態(tài)監(jiān)測是利用許多實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法技術(shù)進(jìn)行的。這些方法和技術(shù)用于分析所獲得的信息，從而確定機(jī)器在運(yùn)行中的狀態(tài)。在這種情況下，監(jiān)測和隨后的故障評估過程的可靠性與所采用的方法和測試范圍密切相關(guān)。鑒于大功率礦用風(fēng)機(jī)作為煤礦的核心設(shè)備的重要性，開發(fā)現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測方法和創(chuàng)新方法具有重要意義。