肖凱文

（潞安環(huán)保能源股份有限公司五陽煤礦，山西長(zhǎng)治 046205）

0 引言

在流體振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)和電磁振動(dòng)的相互作用下形成水泵機(jī)組的機(jī)械振動(dòng)，鑒于煤礦井下惡劣的環(huán)境條件，通過數(shù)學(xué)建模對(duì)其進(jìn)行研究具有相當(dāng)大的難度。在水泵機(jī)組中，不同機(jī)械發(fā)生的機(jī)械故障不一定相同，各種機(jī)械故障呈現(xiàn)的故障狀態(tài)也多種多樣，同時(shí)各種故障發(fā)生的頻率也不一樣。常見的水泵機(jī)組故障包括動(dòng)力不足、軸承發(fā)熱、中途停水或不出水、泵體振動(dòng)異常等等。同時(shí)異步電機(jī)定子繞組匝間短路、轉(zhuǎn)子斷條這些故障現(xiàn)象也比較普遍。水泵的主要功能要靠轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子是水泵機(jī)組的重要組成部件，通常情況下轉(zhuǎn)子的故障以振動(dòng)信號(hào)的形式呈現(xiàn)。本文作者結(jié)合旋轉(zhuǎn)機(jī)械的特征，以煤礦井下水泵機(jī)組的結(jié)構(gòu)和特征為基礎(chǔ)，研究機(jī)械故障的振動(dòng)形式并進(jìn)行故障排除[1]。

1 水泵機(jī)組電機(jī)轉(zhuǎn)子故障

1.1 轉(zhuǎn)子不平衡

轉(zhuǎn)子零部件松動(dòng)、材質(zhì)不均勻、被腐蝕等均會(huì)引起轉(zhuǎn)子部件質(zhì)量偏心，從而引發(fā)井下水泵機(jī)組轉(zhuǎn)子不平衡故障。與此同時(shí)，引起轉(zhuǎn)子不平衡的因素還包括轉(zhuǎn)子初始彎曲、聯(lián)軸器不平衡等。在煤礦開采區(qū)，吸水井抽出的水中常含有大量的煤粉，隨著這些煤粉的不斷積累，從而造成轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量偏心，因此轉(zhuǎn)子不平衡現(xiàn)象常存在于煤礦開采區(qū)的泵房水泵機(jī)組中。

轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，就會(huì)產(chǎn)生一次震蕩反應(yīng)，這就是引起轉(zhuǎn)子不平衡故障的原理。在水泵機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)接觸部位的空隙過大、在外力作用或者溫度變化下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)出現(xiàn)縫隙、設(shè)備施工質(zhì)量差等這些情況都會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的松動(dòng)。因此，在水泵機(jī)組系統(tǒng)中設(shè)備連接處的間隙或者設(shè)備連接剛度不足將直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)子機(jī)械抵抗力低，使其在運(yùn)行過程中產(chǎn)生大幅振動(dòng)，從而造成轉(zhuǎn)子松動(dòng)故障。即使是轉(zhuǎn)子松動(dòng)產(chǎn)生的十分微小的不平衡都會(huì)引起水泵機(jī)組系統(tǒng)產(chǎn)生很強(qiáng)的振動(dòng)[2]。

1.2 轉(zhuǎn)子不對(duì)中

轉(zhuǎn)子不對(duì)中，尤其是水泵與電機(jī)的軸連接部分不對(duì)中是造成井下水泵機(jī)組故障的主要原因。其中轉(zhuǎn)子不對(duì)中主要分為平行不對(duì)中、偏角不對(duì)中以及平行偏角不對(duì)中3種情況。

眾所周知，轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力，在強(qiáng)大的離心力作用下，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，其徑向彈性力就會(huì)改變4次方向，即使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生2次徑向振動(dòng)，因此其振動(dòng)頻率是旋轉(zhuǎn)頻率的2倍。轉(zhuǎn)子會(huì)發(fā)生彎曲變形，是由于當(dāng)在轉(zhuǎn)子軸線中存在徑向位移時(shí)，剛性聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)的轉(zhuǎn)子就會(huì)被強(qiáng)制連接，從而產(chǎn)生彎曲變形引發(fā)故障。

在水泵機(jī)組系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，各轉(zhuǎn)子軸線間的位移情況是錯(cuò)綜復(fù)雜的，并不僅僅只存在一種位移情況，往往同時(shí)存在著徑向位移和偏角位移兩種情況。在這種狀況下，轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向和軸向振動(dòng)相當(dāng)于是由施加到聯(lián)軸器的軸承上的一個(gè)2倍基頻的附加徑向作用力產(chǎn)生的。與此同時(shí)，軸承座標(biāo)偏高或者其左右位置存在偏差，不僅改變軸頸與軸承的相互位置，導(dǎo)致軸承產(chǎn)生不對(duì)中的情況，而且還使軸系的固有頻率發(fā)生了改變。因此，在一定條件下，載重大的軸承不對(duì)中情況會(huì)引發(fā)高次諧波振動(dòng)，從而造成設(shè)備故障[3]。

表1 泵內(nèi)異物的振動(dòng)特征

2 水泵機(jī)組電機(jī)軸承故障

2.1 油膜振蕩

通常大型機(jī)組普遍存在油膜軸承的油膜渦動(dòng)以及油膜振蕩故障，煤礦水泵機(jī)組也不例外，這是由于大型機(jī)組主要是采用滑動(dòng)軸承來支持轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行的?；瑒?dòng)軸承在偏心旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于液體具有不可壓縮性，會(huì)形成一個(gè)油楔，油楔的油在推動(dòng)軸前進(jìn)的過程中形成渦動(dòng)，其渦動(dòng)方向與軸旋轉(zhuǎn)方向相同，渦動(dòng)的速度與油楔的前進(jìn)速度相同。滑動(dòng)軸承的軸頸中心的位置關(guān)系由其轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，滑動(dòng)軸承的運(yùn)行軌跡并不總是沿載荷作用方向移動(dòng)，同時(shí)還受轉(zhuǎn)速快慢和負(fù)載大小的影響，呈現(xiàn)為一個(gè)半圓?。ㄆ胶獍雸A）。

水泵轉(zhuǎn)子和定子之間產(chǎn)生的微小形變都會(huì)引起其之間的相互摩擦，這是由于轉(zhuǎn)子和定子之間的空隙較小導(dǎo)致的。機(jī)械理論表明，油膜渦動(dòng)將會(huì)造成油膜振動(dòng)故障。因此得出如下結(jié)論，動(dòng)靜摩擦產(chǎn)生低頻中頻和高頻各個(gè)頻帶的頻譜特征的振動(dòng)[4]。

2.2 轉(zhuǎn)軸橫向裂紋

高周期疲勞使用和設(shè)備腐蝕開裂等是造成水泵機(jī)組故障的主要原因。機(jī)械設(shè)備通常都有一定的使用壽命，水泵機(jī)組在長(zhǎng)期使用過程中容易產(chǎn)生橫向裂紋，如若發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，就會(huì)造成斷軸等嚴(yán)重事故。

轉(zhuǎn)子出現(xiàn)疲勞后會(huì)顯現(xiàn)以下特征，當(dāng)轉(zhuǎn)子有裂紋時(shí)，其振動(dòng)不呈線性分布（即頻譜中同時(shí)存在頻率f、2f、3f、5f等頻率分量），振動(dòng)方向?yàn)閺较颉⑤S向兩種，同時(shí)其振動(dòng)的時(shí)域波形為疊加波形。

3 其他故障

在礦井下的泵房水倉中各種水質(zhì)常常摻雜著許多垃圾物，從而造成礦井下惡劣環(huán)境條件，因此需要在泵進(jìn)口處安裝金屬濾網(wǎng)或者過濾器對(duì)異物進(jìn)行過濾，并且對(duì)水倉和泵進(jìn)行定期清理，改善井下環(huán)境。否則，在靠近采區(qū)的泵房中，水質(zhì)中的大量的煤礦垃圾異物以及水垢存在于水泵體內(nèi)不斷堆積，就會(huì)造成其排水效率大大降低。泵內(nèi)異物的振動(dòng)能量高度集中在基頻區(qū)，但是泵內(nèi)異物與正常水泵在振動(dòng)效果形式上區(qū)別不大，表1為泵內(nèi)異物的振動(dòng)特征[5]。

在一定的溫度和壓力的變化下，液體中溶解的氣體產(chǎn)生微泡、潰裂，對(duì)過流表面產(chǎn)生物理化學(xué)作用的整個(gè)過程叫做汽蝕。汽蝕影響著水泵的使用效率和生命周期，以礦井使用的水泵為礦用耐磨多級(jí)離心泵（河南鄭泵科技有限公司提供），49 m為它的必須汽蝕余量，則當(dāng)水位到泵體中心處的垂直高度大于49 m時(shí)，水泵很容易發(fā)生汽蝕[6]。因此，水泵機(jī)組安裝人員在安裝設(shè)備時(shí)必須嚴(yán)格控制水位到泵體中心處的垂直高度。程序判斷水位小于49 m時(shí)將停泵，即水泵機(jī)組的負(fù)壓值會(huì)小于-4.9 kPa[7]。

4 結(jié)語

作為煤礦井下重要的排水設(shè)備，煤礦水泵機(jī)組保障煤礦生產(chǎn)不受地下水影響。主要以水泵機(jī)組電機(jī)轉(zhuǎn)子故障和電機(jī)軸承故障為主對(duì)礦井水泵機(jī)組常見故障進(jìn)行分析，為保障水泵機(jī)組高效穩(wěn)定的正常運(yùn)行，機(jī)電維修人員可以以此為參考依據(jù)準(zhǔn)確判斷水泵機(jī)組故障問題，從而進(jìn)行有效排除[8]。