曾 晉

（山西西山煤電建筑工程集團(tuán)有限公司礦建第二分公司， 山西 太原 030022）

引言

作為重要的礦用設(shè)備，通風(fēng)機(jī)在煤礦上的作用，類似于肺臟對人的作用，其能否正常工作，直接關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)[1]。礦用通風(fēng)設(shè)備在運(yùn)行過程中，最重要的故障為振動(dòng)故障，圍繞其振動(dòng)故障的預(yù)測和診斷，是維護(hù)煤礦安全生產(chǎn)的必須環(huán)節(jié)。

1 振動(dòng)機(jī)理

按照運(yùn)動(dòng)形式劃分，通風(fēng)機(jī)一般是通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工作功能的，作為一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，由于在現(xiàn)場安裝，其是在裝載了專門的水泥地板和鋼板構(gòu)成專用的基礎(chǔ)上的，因此轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)，因各類質(zhì)量不平衡導(dǎo)致的震動(dòng)，都會(huì)由風(fēng)機(jī)本身基礎(chǔ)和風(fēng)管等傳導(dǎo)出來[2]。在情況嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)绊懙秸麄€(gè)廠工車間生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行。由于各類通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)不同，零部件結(jié)構(gòu)多樣，特別是在通風(fēng)機(jī)工作時(shí)，振動(dòng)原因更加不易辨別。結(jié)合分析一般機(jī)械系統(tǒng)模型的簡化方法，基本設(shè)備的振動(dòng)模型可以按照慣性彈性和阻尼元件來對構(gòu)成設(shè)備的零部件進(jìn)行劃分，以此來分析通風(fēng)設(shè)備的振動(dòng)特性。

2 典型振動(dòng)故障類型

2.1 基礎(chǔ)不平衡，裝配不緊固

一般應(yīng)基礎(chǔ)變化引起的和基礎(chǔ)緊固件松動(dòng)引起的震動(dòng)稱之為基礎(chǔ)不平衡振動(dòng)。而風(fēng)機(jī)本身零部件裝配過程中，由于零件間過松或過緊引起的異常振動(dòng)，稱之為裝配不緊固振動(dòng)[3]。從產(chǎn)生特征上看，兩者的振動(dòng)現(xiàn)象一般相伴而生，而且其表現(xiàn)出來的非線性隨機(jī)振動(dòng)特性與轉(zhuǎn)子的偏心程度和轉(zhuǎn)速比的變化率有直接的變化關(guān)系，以臨界轉(zhuǎn)速為界限，以上兩者振動(dòng)響應(yīng)，在臨界轉(zhuǎn)速下時(shí)較為明顯，而工作轉(zhuǎn)速在其之上時(shí)的振動(dòng)按組成的頻率特性其振動(dòng)特征頻率以基頻、分?jǐn)?shù)諧波、亞諧波為主，常伴頻率為2信頻、3信頻。

2.2 轉(zhuǎn)子不對正

一般旋轉(zhuǎn)機(jī)械都會(huì)因?yàn)槠渲饕牧悴考谏a(chǎn)和裝配的過程中產(chǎn)生誤差，以及在使用當(dāng)中，受到摩擦和力易產(chǎn)生的熱膨脹和變形等原因使這類設(shè)備在工作過程中的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生在軸向徑向兩個(gè)方向的位移而引起了轉(zhuǎn)子不對中的情況。一般由圖1所示三種不對中的形式產(chǎn)生，對于礦井通風(fēng)設(shè)備而言在其運(yùn)行過程中，由于轉(zhuǎn)子不對稱會(huì)導(dǎo)致片聯(lián)軸器發(fā)生偏轉(zhuǎn)而引起傳動(dòng)軸的撓曲變形。也會(huì)由于載荷不平衡而引起軸承提前損壞。在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，由于轉(zhuǎn)子不平衡而引起礦山通風(fēng)設(shè)備故障大約占六成。

從頻譜圖上看，這類原因引起的震動(dòng)頻率，主要以主軸旋轉(zhuǎn)頻率的兩倍為主出現(xiàn)，其次是四倍和六倍高次頻率。

圖1 轉(zhuǎn)子不對正的形式

2.3 轉(zhuǎn)子不平衡

在礦用通風(fēng)機(jī)這類通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)工作的設(shè)備，在生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)都會(huì)由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均衡而導(dǎo)致在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中經(jīng)常出現(xiàn)的轉(zhuǎn)子不平衡的故障。按照這類故障產(chǎn)生原因的不同階段劃分有在生產(chǎn)階段由于毛坯制造引起的質(zhì)量分布不均勻、零件制造誤差、部件裝配誤差等造成的轉(zhuǎn)子不平衡稱為原始不平衡，在使用過程中由于輸送氣流中介質(zhì)隨著時(shí)間累積不斷沉積、介質(zhì)與風(fēng)機(jī)葉片隨機(jī)的磨損、磨蝕等引起的，其突出特征就是漸變，因此被稱為漸發(fā)性不平衡[4]。此外，在通風(fēng)設(shè)備使用一段時(shí)間后，亦或是檢修不完善引發(fā)的微小零部件墜落引發(fā)瞬時(shí)振幅顯著變化，隨即穩(wěn)定的現(xiàn)象，稱為突發(fā)性不平衡。

此類振動(dòng)狀態(tài)下轉(zhuǎn)子由于各類不平衡因素作用，在轉(zhuǎn)子軸心運(yùn)動(dòng)上表現(xiàn)出橢圓特征，且以轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速為界，小于臨界轉(zhuǎn)速，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加，振幅增大，橢圓特征增強(qiáng)，接近臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，極易產(chǎn)生共振現(xiàn)象。之后隨著轉(zhuǎn)速持續(xù)增加，振幅隨著其同臨界轉(zhuǎn)速間差值的增加而減小，并趨于穩(wěn)定。

結(jié)合此類振動(dòng)波形與正弦波的特征，在頻域內(nèi)除小部分存在高次諧波的情形，大多數(shù)頻率為風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率，總體上的波形呈現(xiàn)出縱狀樹形。

2.4 軸承損害

礦用通風(fēng)設(shè)備的實(shí)際工況中因密封、松動(dòng)等因素容易出現(xiàn)粉塵、水分、異物滲入造成潤滑、磨蝕等現(xiàn)象，從而引起軸承運(yùn)動(dòng)部件磨損、點(diǎn)蝕、表皮剝落等形式的損害[5]。同時(shí)，基于此類運(yùn)動(dòng)部件的載荷為周期性的，因此，在上述故障明顯時(shí)會(huì)產(chǎn)生周期性的振動(dòng)。

在使用過程中，滾動(dòng)軸承容易出現(xiàn)偏心、點(diǎn)蝕等損壞，結(jié)合上式對應(yīng)的振動(dòng)特征不同，當(dāng)軸承產(chǎn)生偏心、點(diǎn)蝕時(shí)其振動(dòng)頻率為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)頻率的整數(shù)倍，當(dāng)點(diǎn)蝕伴隨著徑向間隙時(shí)由于振幅調(diào)制特征的出現(xiàn)，其振動(dòng)頻率為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)頻率整數(shù)倍基礎(chǔ)上左右浮動(dòng)。

2.5 葉片激振

在實(shí)際的使用過程中，風(fēng)機(jī)葉片受到氣體沖擊，主要承受徑向力的作用，隨著氣體紊流的出現(xiàn)葉片會(huì)產(chǎn)生激振，出現(xiàn)內(nèi)部損壞，隨著時(shí)間累積可能出現(xiàn)裂紋。一些偶然的惡劣工況可能引起變形，運(yùn)行時(shí)間過長甚至?xí)l(fā)生葉片斷裂的嚴(yán)重后果。其中，在葉片變形嚴(yán)重時(shí)，伴隨著噪聲的產(chǎn)生，還會(huì)出現(xiàn)軸向振動(dòng)[6]。

其振動(dòng)特征與葉片數(shù)目關(guān)聯(lián)，主要振動(dòng)頻率為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)頻率X葉片數(shù)，由于徑向間隙，調(diào)制變頻會(huì)使得振動(dòng)頻率變化。

2.6 齒輪彎曲疲勞

通風(fēng)設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)中，特別是其傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪傳動(dòng)，由于該部分結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜且承受著傳動(dòng)過程中的全部負(fù)載，會(huì)使得齒輪在生產(chǎn)環(huán)節(jié)形成的制造誤差、裝配誤差與使用過程中的過載、誤操作誘發(fā)產(chǎn)生故障，而輪齒承受的是周期性的載荷，隨著時(shí)間的累積會(huì)出現(xiàn)不同程度的齒面磨損、膠合、接觸疲勞和輪齒彎曲疲勞等現(xiàn)象，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中輪齒間嚙合不良加之輪齒受載周期性的特征，在惡劣工況下容易出現(xiàn)振動(dòng)故障。

在對此類振動(dòng)分析中，發(fā)現(xiàn)由于振動(dòng)誘發(fā)因素較多，通常會(huì)在振動(dòng)信號(hào)中出現(xiàn)基于幅值和頻率調(diào)制產(chǎn)生的邊頻成分，分布在嚙合頻率周圍，其帶寬與相應(yīng)的調(diào)制源的頻率相同。同時(shí)，在齒輪傳動(dòng)部分由

于嚙合過程中存在磨損，這一階段在頻譜圖上反應(yīng)

出幅值與振動(dòng)能量顯著提高的態(tài)勢。

2.7 碰磨故障

在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中由于相對轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式廣泛存在，其對應(yīng)著轉(zhuǎn)子外緣與固定部件間的徑向摩擦和轉(zhuǎn)子在軸向與固定部件的軸向摩擦。特別是在轉(zhuǎn)子加工和安裝過程中產(chǎn)生的偏心會(huì)增大其與靜止部件間的摩擦，在一些過載的情況下會(huì)隨著熱膨脹、磨損不均衡等出現(xiàn)隨機(jī)振動(dòng)現(xiàn)象。同樣，由于運(yùn)動(dòng)部件較多，反應(yīng)在頻譜圖中的振動(dòng)頻率由基頻、高次諧波、分?jǐn)?shù)諧波等。

3 風(fēng)機(jī)振動(dòng)故障分析方法

一般礦山設(shè)備運(yùn)行過程中，造成其使用性能下降的主要故障是振動(dòng)。通常利用振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對包含激振設(shè)備故障信息的振動(dòng)信號(hào)動(dòng)態(tài)特征的提取、記錄，分析、處理，以完成對其中故障特征的篩選，最終辨別設(shè)備振動(dòng)故障類型、源頭，以實(shí)現(xiàn)減弱和消除故障的目的，保障設(shè)備正常運(yùn)行[7]。振動(dòng)信號(hào)提取、處理和傳遞如圖2所示。

圖2 振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)

激振設(shè)備：用來對被測系統(tǒng)的整體或局部施加可調(diào)節(jié)激振力，使其產(chǎn)生預(yù)期的振動(dòng)，以便測出動(dòng)態(tài)參數(shù)。傳感器：測振傳感器，也叫拾振器用以將機(jī)械振動(dòng)的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降男盘?hào)。信號(hào)變換、處理、放大設(shè)備：包括阻抗變換器、前置放大器（電壓放大器、電荷放大器）、微積分電路、放大器、濾波器以及其他運(yùn)算放大器。分析設(shè)備：常用的有頻譜分析儀，由于快速傅里葉變換技術(shù)的出現(xiàn)，使頻譜分析設(shè)備處理數(shù)據(jù)的速度和能力有了很大的發(fā)展。讀數(shù)、顯示、記錄、繪圖設(shè)備：包括電壓表、示波器、磁帶記錄儀等。

圖3 風(fēng)機(jī)測試系統(tǒng)

如圖3所示，結(jié)合風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)檢測系統(tǒng)過程，其中為了分析難以直接確定振動(dòng)信號(hào)變化的內(nèi)在規(guī)律，一般采用在信號(hào)時(shí)域、頻域內(nèi)對振動(dòng)信號(hào)特征參量在不同工況下相對于激勵(lì)產(chǎn)生的變化率情況進(jìn)行分析來描述同分設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)。由于傳統(tǒng)的分析方式并未反映特征信號(hào)的全貌，不能確定所探尋的是否能夠合理反映通風(fēng)設(shè)備振動(dòng)特性。特別是隨著礦山通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)化程度的提高和在一些工況復(fù)雜的情形下產(chǎn)生具有明顯非線性特征的振動(dòng)信號(hào)。傳統(tǒng)的在時(shí)域與頻域內(nèi)的分析無法滿足這一狀況。由于常見的非平穩(wěn)信號(hào)需要通過振動(dòng)信號(hào)在時(shí)域和分布域內(nèi)共同分析，以提取振動(dòng)信號(hào)有效特征。而依靠具有時(shí)域局部化能力的小波和小波包變換等現(xiàn)代信號(hào)處理方法具有處理這類非平穩(wěn)信號(hào)的能力。是當(dāng)下和未來一段時(shí)間內(nèi)在礦山通風(fēng)設(shè)備振動(dòng)故障診斷中廣泛應(yīng)用的方法。

4 結(jié)論

結(jié)合礦用通風(fēng)設(shè)備基本的振動(dòng)機(jī)理，對本文涉及的基礎(chǔ)不平衡裝配不緊固、轉(zhuǎn)子不對正、轉(zhuǎn)子不平衡、軸承故障、葉片故障、齒輪故障、碰磨故障等通風(fēng)設(shè)備典型的故障特征進(jìn)行了分析，分別指出其中存在的原因。之后以小波變換等現(xiàn)代信號(hào)處理方法為依據(jù)，針對礦用通風(fēng)設(shè)備常見的故障構(gòu)建起基于現(xiàn)代信號(hào)處理方法的振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)測試系統(tǒng)。