趙秀芝，徐群和，林 燁

(浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，浙江 溫州 325000)

煤礦井下開采在獲取煤炭資源的同時(shí)會(huì)釋放大量甲烷等有害氣體，礦井通風(fēng)機(jī)是揮發(fā)、稀釋井下有害氣體的重要設(shè)備，風(fēng)機(jī)的有效運(yùn)行是維持井下工作人員的重要保障。然而，風(fēng)機(jī)設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間、滿負(fù)荷工作的情況下，其電機(jī)、機(jī)殼、轉(zhuǎn)子、葉輪都有可能受到不同程度的腐蝕，通過人工手段來排查風(fēng)機(jī)故障雖然具有較高的準(zhǔn)確性，但難以保證實(shí)時(shí)性[1-3]。因此，越來越多的煤礦生產(chǎn)單位開始將計(jì)算機(jī)、傳感器以及各種信息技術(shù)應(yīng)用于礦井通風(fēng)機(jī)設(shè)備的故障工作。為了進(jìn)一步提升故障排查系統(tǒng)對(duì)于礦井通風(fēng)機(jī)故障的敏感性，楊鮮等[4]通過多傳感器系統(tǒng)來實(shí)時(shí)診斷礦井通風(fēng)機(jī)故障，通過支持向量機(jī)來歸納故障類型，有效解決了風(fēng)機(jī)功率信號(hào)無法充分診斷機(jī)械傳動(dòng)鏈中機(jī)械故障的問題。安留記等[5]在分析礦井通風(fēng)機(jī)齒輪裂紋故障時(shí)，在輸入軸和輸出軸編碼器的編程中引入了集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解理論，在傳動(dòng)誤差中提取噪聲數(shù)據(jù)中的故障特征，進(jìn)而對(duì)齒輪裂紋故障實(shí)施精確識(shí)別。此次研究基于加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、聲音與振動(dòng)輸入模塊等硬件設(shè)備建立了一套礦井主要通風(fēng)機(jī)設(shè)備的故障排查系統(tǒng)，系統(tǒng)布設(shè)快捷，可以為礦井通風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供新的可行性策略。

1 煤礦主要通風(fēng)機(jī)故障機(jī)理分析

1.1 轉(zhuǎn)子不對(duì)中

該故障可分為軸承不對(duì)中和軸系不對(duì)中2種，其中軸承不對(duì)中指軸承內(nèi)軸徑發(fā)生偏斜，具體表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子間的平行不對(duì)中；軸系不對(duì)中指軸承內(nèi)轉(zhuǎn)子之間不在同一直線上，具體表現(xiàn)為平行不對(duì)中。當(dāng)煤礦主要通風(fēng)機(jī)軸承內(nèi)同時(shí)存在以上兩項(xiàng)問題時(shí)則表現(xiàn)為綜合不對(duì)中現(xiàn)象[6-9]。轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障的具體表現(xiàn)形式如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子不對(duì)中的表現(xiàn)形式Fig.1 Manifestation of rotor misalignment

轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障特征歸納結(jié)果如下：振動(dòng)隨油溫變化明顯；振動(dòng)不隨流量變化；振動(dòng)方向?yàn)閺较蚝洼S向；常伴頻率為1倍頻和高倍頻；特征頻率為2倍頻。

1.2 轉(zhuǎn)子不平衡

該故障可分為轉(zhuǎn)子部件缺損與轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心2種，轉(zhuǎn)子不平衡容易使轉(zhuǎn)子因內(nèi)應(yīng)力而發(fā)生彎曲，加劇軸承磨損并引起轉(zhuǎn)子疲勞，縮短軸承使用壽命。轉(zhuǎn)子部件缺損是指風(fēng)機(jī)在長(zhǎng)期使用情況下因沖蝕、磨損所產(chǎn)生的疲勞與結(jié)垢現(xiàn)象，若未經(jīng)及時(shí)處理可能會(huì)導(dǎo)致局部構(gòu)件脫落或損壞問題[10-12]。轉(zhuǎn)子不平衡的力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子不平衡力學(xué)模型Fig.2 Rotor imbalance mechanics model

設(shè)軸承撓度為a，偏心距為e，偏心質(zhì)量集中在點(diǎn)G，偏心的質(zhì)量為m，設(shè)轉(zhuǎn)子質(zhì)量為M，則離心力矢量為F=Meω2。那么在轉(zhuǎn)子存在偏心質(zhì)量的情況下，軸心O′的運(yùn)動(dòng)微分方程可表示為：

(1)

在轉(zhuǎn)子存在振動(dòng)異常的情況下，相位差ψ與振幅|A|可通過如下公式表示：

(2)

(3)

式(2)與式(3)中，在轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與固有頻率的比值ω/ωn發(fā)生變化的過程中，相位差ψ與振幅|A|也會(huì)隨之發(fā)生改變[13-15]。

轉(zhuǎn)子不平衡故障特征歸納結(jié)果如下：振動(dòng)不隨油溫、流量變化；振動(dòng)方向?yàn)閺较?；常伴頻率為2倍頻和3倍頻；特征頻率為1倍頻。

分析可知，轉(zhuǎn)子不平衡故障下，諧波能量主要體現(xiàn)在基頻部分，且振動(dòng)的時(shí)域波形近似為正弦波。在ω<ωn的情況下，ω的增加會(huì)引起振幅的增加；在ω>ωn的情況下，振幅趨近一較小的定值；在ω與ωn大小接近的情況下，振幅有最大尖峰，且會(huì)產(chǎn)生共振，在旋轉(zhuǎn)速度較低的情況下，振幅也會(huì)顯著增加，當(dāng)轉(zhuǎn)子部件受損時(shí)，振幅也會(huì)明顯增大。

2 診斷系統(tǒng)整體分析流程

煤礦主要通風(fēng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、聲音與振動(dòng)輸入模塊所組成，系統(tǒng)整體運(yùn)行流程如圖3所示。

診斷系統(tǒng)中的傳感器元件包括溫度傳感器與振動(dòng)傳感器，傳感器將所采集到的模擬量信號(hào)上傳至數(shù)據(jù)采集卡，由數(shù)據(jù)采集卡將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號(hào)并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最終得到圖像化的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。與此同時(shí)，將分析結(jié)果上傳至子數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行記錄并劃分故障等級(jí)，必要情況下發(fā)出故障報(bào)警[16-18]。

圖3 煤礦主要通風(fēng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)工作流程Fig.3 Work process of fault diagnosis system for main fans in coal mine

3 煤礦主要通風(fēng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 通風(fēng)機(jī)設(shè)備選型

礦井采用Y112M-4型礦用主要通風(fēng)機(jī)，模擬實(shí)驗(yàn)整體狀況如圖4所示。

圖4 通風(fēng)機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)連接Fig.4 Field connection of fan simulation test bench

通風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)：電機(jī)型號(hào)Y112M-4；額定電流8.8 A；額定電壓380 V；功率4 kW；額定頻率50 Hz；額定轉(zhuǎn)速1 440 r/min。

實(shí)驗(yàn)通風(fēng)機(jī)實(shí)物圖及數(shù)據(jù)采集卡連接如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)通風(fēng)機(jī)實(shí)物圖及數(shù)據(jù)采集卡連接Fig.5 Physical map of the experimental fan and the connection of the data acquisition card

在實(shí)驗(yàn)操作過程中，首先需要于風(fēng)機(jī)后方的攔網(wǎng)引出傳感器的數(shù)據(jù)線，與至數(shù)據(jù)采集卡的振動(dòng)信號(hào)采集模塊相連接，計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)采集卡連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)的監(jiān)測(cè)。

3.2 傳感器選型

研究采用YD-186型壓電式振動(dòng)傳感器。分別在變速箱和軸承位置安裝2臺(tái)壓電式振動(dòng)傳感器，由于電機(jī)軸伸端處的軸承上的振動(dòng)信號(hào)可以反映設(shè)備振動(dòng)狀況，在電機(jī)軸伸端的軸承座上同樣設(shè)1臺(tái)壓電式振動(dòng)傳感器[19]。

YD-186型壓電式振動(dòng)傳感器主要參數(shù)：靈敏度100 mV/g；頻率響應(yīng)0.5～6 000 Hz；測(cè)量范圍(峰值)±50g；工作電流為+2～+10 mA；供電電源為±18～±28 VDC。

3.3 數(shù)據(jù)采集卡選型

采用cDAQ-9189數(shù)據(jù)采集卡采集來自傳感器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，文件元件本質(zhì)上是一款以TSN以太網(wǎng)為通信基礎(chǔ)的CompactDAQ機(jī)箱，可控制外部主機(jī)與C系列的I/O模塊之間的定時(shí)或同步數(shù)據(jù)傳輸，共設(shè)置有8個(gè)槽位，具有同步時(shí)序、體積小巧等方面的優(yōu)勢(shì)，適用于針對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)設(shè)備的故障排查工作[20-21]。

3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在完成風(fēng)機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的組裝工作后，打開計(jì)算機(jī)、傳感器與數(shù)據(jù)采集卡等各種系統(tǒng)設(shè)備，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，系統(tǒng)認(rèn)定風(fēng)機(jī)工作正常，分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 通風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下的故障排查系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果Fig.6 Test results of the troubleshooting system under the normal operation of the fan

根據(jù)圖6可知，在通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)的瞬間，由于受到強(qiáng)烈的電流脈沖作用，通風(fēng)機(jī)振幅激增，但隨后轉(zhuǎn)為平緩，說明通風(fēng)機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

為了分析礦井通風(fēng)機(jī)設(shè)備故障排查系統(tǒng)的有效性，人為對(duì)通風(fēng)機(jī)制造碰摩故障，破壞結(jié)果如圖7所示。在葉尖的葉片邊緣位置用鐵絲制造碰摩故障，在存在局部碰摩故障的情況下，靜止件與轉(zhuǎn)子發(fā)生接觸時(shí)會(huì)瞬間增加轉(zhuǎn)子剛度，在受到反彈應(yīng)力的情況下轉(zhuǎn)子剛度又會(huì)瞬間下降。這種轉(zhuǎn)子剛度的變化會(huì)直接體現(xiàn)在軸承振幅上，轉(zhuǎn)子剛度的每一次劇烈變化都會(huì)引起振幅的激變，而這種變化又會(huì)隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)呈現(xiàn)出周期性特點(diǎn)。在模擬制造通風(fēng)機(jī)碰摩故障的情況下，故障排查系統(tǒng)所給出的檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖7 模擬制造碰摩故障Fig.7 Simulate manufacturing rubbing faults

圖8 通風(fēng)機(jī)碰摩故障狀態(tài)下的故障排查系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果Fig.8 Test results of the troubleshooting system under the condition of wind turbine rubbing fault

4 實(shí)際應(yīng)用

研究針對(duì)位于山西省東北部的焦家寒煤礦通風(fēng)機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，該礦井所使用的通風(fēng)機(jī)外部形貌如圖9所示。

圖9 焦家寒煤礦通風(fēng)機(jī)設(shè)備外部形貌Fig.9 External appearance of fan equipment in Jiaojiahan Coal Mine

焦家寒煤礦選用FBCD型煤礦用抽出式通風(fēng)機(jī)，通過礦井通風(fēng)機(jī)設(shè)備故障排查系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，所得檢測(cè)結(jié)果如圖10所示。根據(jù)圖10所示的故障排查結(jié)果可知，該通風(fēng)機(jī)在啟動(dòng)瞬間出現(xiàn)1次振幅驟升之后，其振幅并未保持平衡，多次上升至0.001 5g的警戒值以上，說明該通風(fēng)機(jī)存在故障。

圖10 焦家寒煤礦通風(fēng)機(jī)故障排查結(jié)果Fig.10 Troubleshoot results of fans in Jiaojiahan Coal Mine

為了證明檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場(chǎng)工作人員將風(fēng)機(jī)內(nèi)芯設(shè)備轉(zhuǎn)移至附近機(jī)房進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)該設(shè)備存在一定程度的偏心故障。具體情況如圖11所示。

圖11 通風(fēng)機(jī)故障位置近照Fig.11 Recent photos of the fault location of the ventilator equipment

5 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了礦井通風(fēng)機(jī)故障排查系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，針對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)普遍存在的一般故障設(shè)計(jì)了故障排查系統(tǒng)的硬件組建方案，提出了風(fēng)機(jī)設(shè)備故障排查的基本流程。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，研究所設(shè)計(jì)的礦井通風(fēng)機(jī)故障排查系統(tǒng)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地識(shí)別風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，直觀展示風(fēng)機(jī)故障排查結(jié)果，為井下施工安全提供更加有效的保障。

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