矿井通风机常见故障分析及智能监控技术.pdf

收稿日期２０１９􀆽 ０８􀆽 ２８ 作者简介任 刚１９８８ － ꎬ男ꎬ山西长治人ꎬ工程师ꎬ从事煤矿安全监控技术及管理工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０１９. １２. ０１３ 矿井通风机常见故障分析及智能监控技术 任 刚 长治市煤炭安全信息调度中心ꎬ山西 长治 ０４６０００ 摘 要为了确保矿井安全、稳定通风ꎬ分析了矿井通风机常见故障ꎬ提出并开发了智能监控系统ꎮ 智能监 控系统能够实时监测轴承温度、扇叶运转、转子平衡性和电机绕组温度范围ꎬ并及时自动做出响应ꎬ为风机 检修提供指导ꎮ 智能监控系统具有良好的适应性和便捷性ꎬ大量节约检修成本和时间ꎮ 关键词通风机ꎻ转子ꎻ电机绕组ꎻＰＬＣ 控制器 中图分类号ＴＤ２６５ 文献标识码Ｂ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０１９１２􀆽 ００３４􀆽 ０３ 矿井通风机作为煤矿井下通风的重要机械设 备ꎬ担负着向井下输送新鲜风流、排出粉尘、瓦斯等 重要任务ꎬ为矿井作业人员提供安全保障ꎬ若通风机 出现故障ꎬ将会给煤矿造成不可估量的损失[１]ꎮ 整 个矿井通风系统复杂多样ꎬ巷道变化或者机械设备 老化均会引起通风异常ꎬ严重者会给矿井带来安全 隐患[２]ꎮ 为确保矿井安全、稳定通风ꎬ保障人员生 命安全ꎬ降低通风机故障ꎬ本文从通风机常见故障着 手ꎬ分析了风机故障原因ꎬ并提出了智能监控技术ꎬ 为矿井通风机及时检修提供理论指导ꎬ提高矿井通 风安全ꎮ １ 通风机常见故障分析 因井下在不间断生产、检修ꎬ需要每天 ２４ ｈ 不 停地为井下供风ꎬ通风机一直处于工作状态ꎬ长时间 的运行必然造成风机出现故障ꎬ严重影响整个通风 系统ꎮ 为此ꎬ本文针对风机常见的轴承、扇叶、转子 故障等[３]进行分析ꎬ为故障智能监控提供参数基 础ꎮ １ 轴承故障ꎮ 矿井通风机出现的硬件故障ꎬ 基本上绝大多数都是由轴承引起ꎬ不同的轴承引起 不同的故障ꎮ 据统计ꎬ一般风机会出现以下几个类 型的轴承故障若润滑油添加不及时或者出现异常 时ꎬ轴承在运行过程中会因摩擦升温ꎬ但是其变化是 先升高后降低ꎬ温度跳跃明显ꎻ若转轴不平衡或者转 子不对中时ꎬ运行的轴承发生振动ꎬ触发温度急剧升 高ꎻ除了因温度变化造成的轴承故障ꎬ另外就是轴承 的滚珠、转子或者轴承外圈因质量而被磨损ꎮ ２ 扇叶故障ꎮ 煤矿井下条件十分恶劣ꎬ环境 复杂多变ꎬ风流中不仅夹杂瓦斯、粉尘ꎬ还含有带腐 蚀性的气体ꎬ经常造成通风机扇叶出现故障ꎬ根据统 计记录发现ꎬ风机扇叶故障类型主要为腐蚀和断裂ꎮ 引发风机扇叶断裂主要是因为气流中含有较硬的颗 粒如煤矸石细小颗粒ꎬ在高速旋转状态下细小颗 粒就会对扇叶造成损伤ꎮ 引发风机扇叶腐蚀损坏的 是气流中含有二氧化硫、水蒸气等ꎬ在风叶高速旋转 下ꎬ温度较高ꎬ水蒸气和二氧化硫发生化学反应形成 硫酸ꎬ严重腐蚀风机扇叶ꎮ 另外转子载荷分布不均 匀ꎬ致使轴承磨损严重ꎬ也会造成扇叶产生故障ꎮ ３ 转子故障ꎮ 风机电机转子产生故障主要 有两类ꎬ分别为转子不对中和转子不平衡故障ꎮ 风 机电机转子故障影响较大ꎬ不仅会引起电机被烧坏ꎬ 严重的会使联轴器断裂ꎮ 通风机电机转子不平衡的 原因是质量中心线与几何中心线不在一条线上ꎮ 每 个转子出现异常主要是因为不平衡ꎬ因此监控是主 要监测转子的平衡性ꎮ ４ 电机绕组故障ꎮ 矿井通风机的动力是电 机ꎬ电机运行好坏主要看电机绕组ꎬ而电机绕组温度 又是确保其运行的指标参数ꎬ一般电机绕组正常的 运行温度在 ７０ １００℃ꎬ若电机绕组温度低于或者 超过表明电机有异常ꎮ 电机内部狭小的空间里安装 了绕组ꎬ绕组的温度变化代表了电机运行状况ꎬ从电 机开始启动到正常运转ꎬ电机绕组由较低温度上升 至正常范围ꎬ若在运行过程中ꎬ温度不在此范围内ꎬ 表明电机绕组发生故障ꎬ影响电机工作ꎮ 矿井通风机故障严重制约着井下通风效果ꎬ为 确保井下安全供风ꎬ需要对风机的各个参数进行实 时智能化监测ꎬ才能及时发现问题ꎬ自动启动报警功 能ꎬ并作出反应ꎬ立即维修风机故障ꎬ给矿井通风系 统奠定坚实的安全基础ꎮ ２ 智能监控系统 针对矿井通风机常见故障ꎬ开发了集地面与井 ４３ 实实用用技技术术 总第 ２４４ 期 下于一体的智能化监控系统ꎬ见图 １ 所示ꎮ 井下传 感器对通风系统各个执行元件进行数据采集ꎬ并与 地面通风机运行状况进行对比ꎬ然后统一汇总至计 算机端进行分析处理ꎬ用于判断、报警、控制及反馈ꎬ 整个监控系统为矿井通风系统运行奠定基础[４ －５]ꎮ 智能化监控系统主要由地面控制中心、风机监测分 站、井下执行元件等构成ꎬ在智能化监控软件控制下 运行ꎬ防止风机出现异常ꎮ 图 １ 智能化监控系统 智能化监控系统可以远程实时监控通风机各个 部件运行参数ꎬ也可以监控风机运行状况ꎬ一旦发生 故障报警功能立即响应[６]ꎮ 智能化监控系统硬件 设施是由智能化传感器和执行结构、解调器等组成ꎬ 具有智能自动化的分析处理功能ꎬ再配以智能化开 发软件ꎬ可以在线监控风机轴承、扇叶、转子、电机绕 组的各种运行参数、状态ꎬ并进行开关量和视频、图 像采集ꎬ在软件界面上能够及时体现风机的性能参 数ꎮ 该系统良好地起到了保护风机故障ꎬ完成了远 程控制和智能化管理的模式ꎮ 矿井通风机智能化监 控系统采用的远距离多数据传输ꎬ现有矿井中的通 讯设施均能配套使用ꎬ满足矿井的兼容、便捷性ꎬ甚 至能够实现无人员看护现场的目的ꎮ 智能化监控系统需要实时了解通风机的运行状 态ꎬ就少不了各类传感器的辅助作用ꎮ 风机上布置 的各类传感器见图 ２ 所示ꎬ各类传感器能够把监测 到的风压、风量、风速、轴温、转子温度、电机绕组温 度、轴承温度、电流、电压、大气湿度等等参数通过通 讯设备传输至 ＰＬＣ 控制端ꎬ在 ＰＬＣ 控制端处理后转 变为模拟量输入到监控系统的软件中存储、分析、判 断、记录ꎬＣＰＵ 进行高速运算ꎬ在智能终端的响应 下ꎬ针对风机故障立即报警ꎬ并显示风机故障类型、 原因、位置等信息ꎬ为检修风机提供有效信息ꎮ ３ 故障智能响应 通风机智能监控系统的软件登陆界面如图 ３ 所 示ꎮ 软件将会对风机故障的诊断与正常情况进行对 比ꎬ通过不断改变变量ꎬ查找与正常情况下的差距ꎮ 设置了轴承故障、转子故障、电机绕组故障、扇叶故 障 ４ 个类型的指示灯ꎬ用指示灯来预测通风机的状 况ꎬ若为绿灯则表明风机运行稳定ꎬ红灯表示轴承故 障ꎬ黄灯表示扇叶故障ꎬ蓝灯表示转子出现异常ꎬ橙 色表明电机绕组温度不在正常范围内ꎮ 这时系统就 会自动发出报警ꎬ并显示故障位置及原因ꎬ给值班人 员带来直观的提示ꎬ从而为应对风机故障提供了便 捷性ꎮ 图 ２ 传感器在风机上的布置 图 ３ 智能监控风机登录系统 为了验证智能化监控系统的效果ꎬ在某矿进行 了工业性试验ꎮ 在试验过程中ꎬ主要对风机轴承温 度、扇叶好坏、转子平衡性和电机绕组温度等参数进 行了远程监控ꎬ通过传感器采集温度ꎬＰＬＣ 控制器对 温度进行分析ꎬＣＰＵ 进行高速运算ꎬ智能软件进行 融合、归档ꎬ并结合其他零部件温度数据采集情况综 合分析ꎬ发现电机绕组温度呈现出异常状态ꎬ温度出 现跳跃式骤然升高的情况ꎬ在 ＰＬＣ 自动化控制器的 分析判断下ꎬ得出了该风机电机在运行当中存在故 障ꎬ智能软件立即发出报警ꎬ并在界面显示电机发生 故障字样ꎮ 停机进行检修ꎬ维修人员发现电机轴、减 速器轴和其他零部件有局部烧坏的情况ꎬ表明在智 能化监控下ꎬ有效节约了人工检修时间ꎮ 矿井通风 机智能化监控技术为矿井安全通风提供了技术保 障ꎬ提高了矿井的通风系统的安全性和可靠性ꎬ节约 了通风机维修成本ꎬ显著改善了通风机的检修效率ꎮ ４ 结 语 通过分析矿井通风机常见的故障ꎬ开发了通风 机智能化监控系统ꎬ可以实时监测通风机各类故障ꎬ 为矿井通风机的安全、稳定运行提供了保障ꎮ ５３ ２０１９ 年 １２ 月 任 刚矿井通风机常见故障分析及智能监控技术 第 ２８ 卷第 １２ 期 参考文献 [１] 龚晓燕ꎬ孙晓辉. 基于遗传算法的矿井局部通风故障 诊断神经网络模型[Ｊ]. 煤矿安全ꎬ２００８２３５ －３８. [２] 龚晓燕ꎬ薛 河ꎬ陶新利ꎬ等. 矿井局部通风故障诊断 系统开发研究[Ｊ]. 煤炭工程ꎬ２００８２１２８ －１３０. [３] 陈 尉. 矿山数字化下的风机状态监测及故障诊断 [Ｄ]. 邯郸河北工程大学ꎬ２０１３. [４] 何 远. 矿井通风监测监控系统自动智能化设计[Ｊ]. 煤炭科技ꎬ２０１７３１９９ －２０１. [５] 洪 源ꎬ朱海涛ꎬ马小平. 矿井通风机监控系统的设计 与实现[Ｊ]. 工矿自动化ꎬ２００６３６７ －６９. [６] 刘 安. 煤矿通风机监控系统自动化设计研究[Ｊ]. 机 械管理开发ꎬ２０１５ꎬ３０４１５ －１６. [责任编辑王伟瑾] 􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠 􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨􀤨 􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠􀤠 上接第 ２６ 页 图 ６ 注水前后煤壁片帮情况对比 由图 ６ 可见ꎬ未采用动压注水前ꎬ由于工作面煤 壁前方塑性区内煤体受采动影响ꎬ故其抗剪切强度 较低ꎬ破碎较大ꎬ易引起煤壁片帮、端头垮落等现象ꎬ 据统计ꎬ２１０３ 工作面煤壁片帮平均深度 １. ０ ｍꎬ片帮 范围占工作面总长度的 ７０％ 左右ꎻ采用煤壁动压注 水后ꎬ片帮深度降低至平均 ０. ４ ｍꎬ较之前降低了 ６０％ꎬ片帮范围降低至了工作面全长的 ２０％ 左右ꎬ 较之前降低了 ５０％ꎮ 由此得知ꎬ采用动压注水技术 可有效改善工作面煤壁片帮ꎬ从而为工作面快速、安 全推进提供了重要保障ꎮ 同时ꎬ对工作面开机率及产量统计得知ꎬ未采用 煤壁注水前ꎬ由于工作面煤壁及顶板控制较困难ꎬ片 帮程度较大ꎬ采煤机正常开机率只有 ２９％ 左右ꎬ产 量不佳ꎻ经动压注水后ꎬ采煤机开机率达到了 ７０％ 以上ꎬ较之前增加了 ４０％ 以上ꎬ工作面推进速度大 幅提高ꎬ从而有效保证了回采效率及产量ꎮ 参考文献 [１] 金志远ꎬ张益东ꎬ高林生ꎬ等. 大采高工作面煤壁防片帮 措施[Ｊ]. 煤矿安全ꎬ２０１３４２１４ －２１６. [２] 韩红强ꎬ王振江ꎬ郭兵兵. 三软不稳定煤层工作面煤壁 片帮机理及防治技术[Ｊ]. 煤炭科学技术ꎬ２０１６４３４ －３８. [３] 方永亮. 松软煤层煤壁浅孔注水防片帮技术研究与应 用[Ｊ]. 煤炭与化工ꎬ２０１４１２３９ －４１. [４] 路聚堂ꎬ高爱民ꎬ崔子强ꎬ等. 注水对工作面前方煤体特 性影响的数值分析[Ｊ]. 煤矿安全ꎬ２０１１４２１ －２４. [５] 朱传奇ꎬ谢广祥ꎬ王 磊ꎬ等. 含水率及孔隙率对松软煤 体强度特征影响的试验研究[Ｊ]. 采矿与安全工程学 报ꎬ２０１７ꎬ３４３６０１ －６０７. [责任编辑王伟瑾] ６３ ２０１９ 年 １２ 月 任 刚矿井通风机常见故障分析及智能监控技术 第 ２８ 卷第 １２ 期