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[摘 要]煤矿主扇风机是一种比较典型的大型旋转机械，高速运转和不间断工作的特点使它相对更容易出现故障。旋转机械的故障类型多样，而且引发故障的因素繁杂。当故障隐患出现时，机械设备会出现如振动，温度，压力等信号征兆的变化，其中获取和分析振动信号是诊断机械故障的一种可靠方法。
[关键词]主扇风机 振动监测 故障 分析
中图分类号：TN919.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）46-0284-02
目前我国矿井主扇风机多采用轴流式风机，以轴流式对旋风机为例，其系统大致结构如图1所示：
煤矿主扇风机是由三相异步电动机通过联轴器连接，传递运动和转矩的。就其系统的整体故障而言，有系统电气故障，风机机械故障以及电动机机械故障。本文根据现场实际情况以及项目要求主要分析和诊断主扇风机概率相对多发的机械故障。
风机机械故障主要集中在轴承部分以及旋转部分。其中旋转部分的核心部件就是转子，研究表明风机故障的60%与转子系统产生的不对中故障有关，而旋转部分的故障约有30%是由轴承引起的。风机轴承部分的故障根据其组成结构，主要可以分为内圈模块故障、外圈模块故障、滚动体模块故障等；风机旋转部分故障主要表现为转子不对中，不平衡，喘振，部件松动等方面故障。风机振动故障诊断的有效性，与这几种故障的机理分析密切相关。
一、主扇风机轴承故障的机理分析
目前矿井轴流式主扇风机采用的多为滚动轴承，而且本文为项目背景的蒋庄煤矿采用的就是滚动轴承，因此本文仅分析滚动轴承的故障特征。滚动轴承具有摩擦系数小，运转精度高的优势，但是由于承受冲击的能力差，当滚动体上载荷分布不均匀的时候，非常容易造成损坏。
（1）滚动轴承的故障成因主要有以下几种形式：
1）疲劳剥落
滚动轴承的滚动体处在内圈和外圈之间，工作时两两之间都在进行相对运动。运动的同时，还要承担一定的载荷，随着载荷上升下降不断波动，表面金属有时会呈现片状剥落，并且逐步扩大形成剥落坑，最后会发展到大片剥落的严重状况。在轴承旋转的过程中，疲劳剥落将会引发冲击载荷，使振动变的剧烈，造成轴承损坏。
2）磨损失效
滚动轴承在工作时间内，一直处于高速旋转的状态，轴承的内外圈与包含滚动体的支撑架之间不可避免的不断发生摩擦，当有硬质颗粒类的异物侵入或者润滑不良时，磨损更为加剧。随着磨损程度不断加深，轴承游隙将随之增大，在引发振动和噪声的同时也将造成轴承运转精度的大幅下滑下降。
3）锈蚀失效
轴承锈蚀的原因一般包括化学和物理两大因素。化学锈蚀一般是由水滴或酸碱性较大的液体渗入轴承间隙引发。物理锈蚀由电击引发，当转子电流击穿油膜产生电火花放电时，在轴承表面产生的大电流会产生电流凹坑，造成电腐蚀。轴承被腐蚀的部分相比周边表较脆弱，更容易引发脱落和磨损，减少轴承的生命周期
4）裂纹和断裂
轴承在工作状态中，如果遇到旋转速度过快、所载负荷过大、润滑不良等情况，将会引发高强度的热应力，造成轴承的内圈和外圈产生裂纹甚至导致断裂状况发生。
（2）滚动轴承的故障基本频率：
滚动轴承的基本结构如图3-3所示：
图中，d代表着滚动体的平均直径；D表示轴承节径，是内外圈之间所有滚动体的中心所在圆的直径；a称作接触角，是轴承内外圈垂直线和滚动体受力方向的夹角；滚动体的个数通常用Z表示。当轴承外圈静止不动，内圈旋转时，轴承各个组成部分的振动信号故障特征信息为：
当故障发生后，在没有径向间隙的情况下，振动信号的频谱中将会出现相应故障的倍频，其中滚动体故障多以偶次倍频出现。如果滚动轴承有径向间隙，内圈和滚动体部分故障信号将会出现振幅调制的情况，内圈故障情况下，通常以轴旋转频率或者保持架旋转频率进行振幅调制，此时故障频率为或（n=1，2，3···）。滚动体在故障情况下，通常以保持架的旋转频率进行调制，故障频率为（n=1，2，3···）。
二、主扇風机旋转部分故障的机理分析
根据工程经验，矿井主扇风机旋转体部分发生概率比较高的故障类型主要包括转子不平衡、转子不对中、风机喘振和部件松动。其对应的故障信息特征分别如下：
1.转子不平衡
转子不平衡在旋转机械故障中比较常见，对于矿井主扇风机来说，转子不平衡故障的发生主要有两个原因。第一个原因是由于转子部件缺损或质量偏心引发转子不平衡故障；第二个原因是有时为了调节风量，需要调整风机叶轮的角度，在调整过程中导致转子不平衡。对于第一种诱因的详细分析如下：
（1）转子质量偏心；一般是由于机械构造设计不够合理、材质不均匀、制造或安装过程中出现偏差等原因造成的转子不平衡故障；
（2）转子部件缺损；一般指风机经过长时间工作，其转子零部件老化出现的结垢、零件脱落、腐蚀缺损等现象，导致的风机转子后期不平衡故障。
转子不平衡故障的振动特征总结如下表3-1所示。
2.转子不对中
转子不对中包括轴承不对中和轴系不对中两种状况。轴颈在轴承中发生倾斜称作为轴承不对中。如果主动转子和从动转子之间的连接不在一条中心线上时，就会引发轴系不对中故障。关于轴系不对中，依据转子轴线和倾角的位移状况可以分为角度不对中、平行不对中及平行偏角综合不对中这3种类型，分别如图3-4所示。
（1）平行不对中：如上图中（a）所示，主动转子和从动转子之间虽然对齐但是存在上下位移偏差。一旦扇风机高速运行，从动转子将会产生很高旋转离心力，导致扇风机转子剧烈振动，其每转一周会振动两次，因此，振动频率为转子工频的两倍。
（2）角度不对中：主动转子和从动转子之间有一方发生了倾斜偏角，如中间（b）图所示。偏角在两个转子之间引发了一个弯矩，由于转子每旋转一次，弯矩作用方向交变一次，其引发的振动特征类似于平行不对中。 （3）综合不对中：如图3-4（c）所示，从动转子与主动转子之间存在上下方向径向位移而且还存在一定的偏角，当风机运转起来，将会激励转子发生径向和轴向振动，这种故障很容易导致轴承损坏。平行偏角不对中的振动频率也是转子转动频率2倍。
综上所述，转子不对中故障在频域上2倍频率明显较高，同时伴有高次谐波。而且，振动强度会随着转子转速的升高变得更加剧烈。
转子不对中故障的振动特征如表3-2所示。
3.喘振
在煤矿的实际生产中，随着采煤的深入，巷道不断扩展，新旧巷道随之更迭，巷道中的空气阻力会不断发生变化，如果主扇风机和压风机之间的配合出现较大的偏差，再加上粉尘等恶劣空气环境的影响，主扇风机很容易发生喘振。作为流体机械运行最恶劣，最危险的状况之一，喘振对风机危害极大，如果处理的不夠及时，甚至会发生折断通风机叶片的灾难性事故。由于影响通风机喘振的因素较多，用理论分析的方法求喘振点很困难，通过振动现象可以进行有效分析。当扇风机在接近喘振点工作运行时，随着气流量的波动，整个主扇风机系统将产生强烈的振动，很容易损坏风机上安装的传感器、仪表等附属设备。
扇风机喘振的振动特征如表3-3所示。
4.部件松动
造成风机部件松动故障的原因多样，最主要的有螺栓固定强度不足、轴承支承系统接合面间隙过大、缺乏防松措施造成部件松动故障。其次风机轴承系统因外在因素产生磨损引发断裂以及基础施工质量不佳等也会引发部件松动的发生。部件松动振动信号的故障特征如表3-4所示。
三、结语
主扇风机的机械振动特性进行了总体分析，然后结合机械振动的特点，引出了风机作为旋转机械的故障类别。分别对风机的轴承故障和旋转部分故障两大块进行详细的阐述，分析了故障的特征频率等故障机理。
参考文献
[1] 龚晓燕，黄雷，薛河.基于Web矿井局部通风设备故障诊断专家系统的建立[J].煤矿机械，2008，29（5）：217-219.
[2] 龚晓燕，陶新利，薛河.矿井局部通风设备故障诊断信息系统的建立与开发[J].矿山机械，2006，34（8）：43-45.
[3] 胡亚非.矿井主通风机风量在线监测新方法[J].煤矿机电，1995（4）： 40-42.
作者简介：梁毅勇，1981年4月15， 男。籍贯：山西省阳泉市。2005年07月 石家庄陆军指挥学院本科毕业。专业：军事高技术应用与管理。2015年07月 取得中国矿业大学 硕士研究生学位。专业：控制工程，技术职称：机电工程师。从事工作：煤矿机电技术管理。研究方向：矿山机电.
[关键词]主扇风机 振动监测 故障 分析
中图分类号：TN919.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）46-0284-02
目前我国矿井主扇风机多采用轴流式风机，以轴流式对旋风机为例，其系统大致结构如图1所示：
煤矿主扇风机是由三相异步电动机通过联轴器连接，传递运动和转矩的。就其系统的整体故障而言，有系统电气故障，风机机械故障以及电动机机械故障。本文根据现场实际情况以及项目要求主要分析和诊断主扇风机概率相对多发的机械故障。
风机机械故障主要集中在轴承部分以及旋转部分。其中旋转部分的核心部件就是转子，研究表明风机故障的60%与转子系统产生的不对中故障有关，而旋转部分的故障约有30%是由轴承引起的。风机轴承部分的故障根据其组成结构，主要可以分为内圈模块故障、外圈模块故障、滚动体模块故障等；风机旋转部分故障主要表现为转子不对中，不平衡，喘振，部件松动等方面故障。风机振动故障诊断的有效性，与这几种故障的机理分析密切相关。
一、主扇风机轴承故障的机理分析
目前矿井轴流式主扇风机采用的多为滚动轴承，而且本文为项目背景的蒋庄煤矿采用的就是滚动轴承，因此本文仅分析滚动轴承的故障特征。滚动轴承具有摩擦系数小，运转精度高的优势，但是由于承受冲击的能力差，当滚动体上载荷分布不均匀的时候，非常容易造成损坏。
（1）滚动轴承的故障成因主要有以下几种形式：
1）疲劳剥落
滚动轴承的滚动体处在内圈和外圈之间，工作时两两之间都在进行相对运动。运动的同时，还要承担一定的载荷，随着载荷上升下降不断波动，表面金属有时会呈现片状剥落，并且逐步扩大形成剥落坑，最后会发展到大片剥落的严重状况。在轴承旋转的过程中，疲劳剥落将会引发冲击载荷，使振动变的剧烈，造成轴承损坏。
2）磨损失效
滚动轴承在工作时间内，一直处于高速旋转的状态，轴承的内外圈与包含滚动体的支撑架之间不可避免的不断发生摩擦，当有硬质颗粒类的异物侵入或者润滑不良时，磨损更为加剧。随着磨损程度不断加深，轴承游隙将随之增大，在引发振动和噪声的同时也将造成轴承运转精度的大幅下滑下降。
3）锈蚀失效
轴承锈蚀的原因一般包括化学和物理两大因素。化学锈蚀一般是由水滴或酸碱性较大的液体渗入轴承间隙引发。物理锈蚀由电击引发，当转子电流击穿油膜产生电火花放电时，在轴承表面产生的大电流会产生电流凹坑，造成电腐蚀。轴承被腐蚀的部分相比周边表较脆弱，更容易引发脱落和磨损，减少轴承的生命周期
4）裂纹和断裂
轴承在工作状态中，如果遇到旋转速度过快、所载负荷过大、润滑不良等情况，将会引发高强度的热应力，造成轴承的内圈和外圈产生裂纹甚至导致断裂状况发生。
（2）滚动轴承的故障基本频率：
滚动轴承的基本结构如图3-3所示：
图中，d代表着滚动体的平均直径；D表示轴承节径，是内外圈之间所有滚动体的中心所在圆的直径；a称作接触角，是轴承内外圈垂直线和滚动体受力方向的夹角；滚动体的个数通常用Z表示。当轴承外圈静止不动，内圈旋转时，轴承各个组成部分的振动信号故障特征信息为：
当故障发生后，在没有径向间隙的情况下，振动信号的频谱中将会出现相应故障的倍频，其中滚动体故障多以偶次倍频出现。如果滚动轴承有径向间隙，内圈和滚动体部分故障信号将会出现振幅调制的情况，内圈故障情况下，通常以轴旋转频率或者保持架旋转频率进行振幅调制，此时故障频率为或（n=1，2，3···）。滚动体在故障情况下，通常以保持架的旋转频率进行调制，故障频率为（n=1，2，3···）。
二、主扇風机旋转部分故障的机理分析
根据工程经验，矿井主扇风机旋转体部分发生概率比较高的故障类型主要包括转子不平衡、转子不对中、风机喘振和部件松动。其对应的故障信息特征分别如下：
1.转子不平衡
转子不平衡在旋转机械故障中比较常见，对于矿井主扇风机来说，转子不平衡故障的发生主要有两个原因。第一个原因是由于转子部件缺损或质量偏心引发转子不平衡故障；第二个原因是有时为了调节风量，需要调整风机叶轮的角度，在调整过程中导致转子不平衡。对于第一种诱因的详细分析如下：
（1）转子质量偏心；一般是由于机械构造设计不够合理、材质不均匀、制造或安装过程中出现偏差等原因造成的转子不平衡故障；
（2）转子部件缺损；一般指风机经过长时间工作，其转子零部件老化出现的结垢、零件脱落、腐蚀缺损等现象，导致的风机转子后期不平衡故障。
转子不平衡故障的振动特征总结如下表3-1所示。
2.转子不对中
转子不对中包括轴承不对中和轴系不对中两种状况。轴颈在轴承中发生倾斜称作为轴承不对中。如果主动转子和从动转子之间的连接不在一条中心线上时，就会引发轴系不对中故障。关于轴系不对中，依据转子轴线和倾角的位移状况可以分为角度不对中、平行不对中及平行偏角综合不对中这3种类型，分别如图3-4所示。
（1）平行不对中：如上图中（a）所示，主动转子和从动转子之间虽然对齐但是存在上下位移偏差。一旦扇风机高速运行，从动转子将会产生很高旋转离心力，导致扇风机转子剧烈振动，其每转一周会振动两次，因此，振动频率为转子工频的两倍。
（2）角度不对中：主动转子和从动转子之间有一方发生了倾斜偏角，如中间（b）图所示。偏角在两个转子之间引发了一个弯矩，由于转子每旋转一次，弯矩作用方向交变一次，其引发的振动特征类似于平行不对中。 （3）综合不对中：如图3-4（c）所示，从动转子与主动转子之间存在上下方向径向位移而且还存在一定的偏角，当风机运转起来，将会激励转子发生径向和轴向振动，这种故障很容易导致轴承损坏。平行偏角不对中的振动频率也是转子转动频率2倍。
综上所述，转子不对中故障在频域上2倍频率明显较高，同时伴有高次谐波。而且，振动强度会随着转子转速的升高变得更加剧烈。
转子不对中故障的振动特征如表3-2所示。
3.喘振
在煤矿的实际生产中，随着采煤的深入，巷道不断扩展，新旧巷道随之更迭，巷道中的空气阻力会不断发生变化，如果主扇风机和压风机之间的配合出现较大的偏差，再加上粉尘等恶劣空气环境的影响，主扇风机很容易发生喘振。作为流体机械运行最恶劣，最危险的状况之一，喘振对风机危害极大，如果处理的不夠及时，甚至会发生折断通风机叶片的灾难性事故。由于影响通风机喘振的因素较多，用理论分析的方法求喘振点很困难，通过振动现象可以进行有效分析。当扇风机在接近喘振点工作运行时，随着气流量的波动，整个主扇风机系统将产生强烈的振动，很容易损坏风机上安装的传感器、仪表等附属设备。
扇风机喘振的振动特征如表3-3所示。
4.部件松动
造成风机部件松动故障的原因多样，最主要的有螺栓固定强度不足、轴承支承系统接合面间隙过大、缺乏防松措施造成部件松动故障。其次风机轴承系统因外在因素产生磨损引发断裂以及基础施工质量不佳等也会引发部件松动的发生。部件松动振动信号的故障特征如表3-4所示。
三、结语
主扇风机的机械振动特性进行了总体分析，然后结合机械振动的特点，引出了风机作为旋转机械的故障类别。分别对风机的轴承故障和旋转部分故障两大块进行详细的阐述，分析了故障的特征频率等故障机理。
参考文献
[1] 龚晓燕，黄雷，薛河.基于Web矿井局部通风设备故障诊断专家系统的建立[J].煤矿机械，2008，29（5）：217-219.
[2] 龚晓燕，陶新利，薛河.矿井局部通风设备故障诊断信息系统的建立与开发[J].矿山机械，2006，34（8）：43-45.
[3] 胡亚非.矿井主通风机风量在线监测新方法[J].煤矿机电，1995（4）： 40-42.
作者简介：梁毅勇，1981年4月15， 男。籍贯：山西省阳泉市。2005年07月 石家庄陆军指挥学院本科毕业。专业：军事高技术应用与管理。2015年07月 取得中国矿业大学 硕士研究生学位。专业：控制工程，技术职称：机电工程师。从事工作：煤矿机电技术管理。研究方向：矿山机电.