基于大数据的矿山排水设备故障诊断与维护策略研究

在矿山采矿的实际工作中各种突发情况都有可能发生，而矿井积水的问题则很令人头疼，积水对矿山采矿工作带来的不便可想而知。采矿人员在矿井下工作的危险系数极高，积水随时会淹没整个矿井，所以为了减少积水带来的不必要风险，及时排除井下积水是当务之急。利用排水设备可以快速解决积水给采矿工作带来的困扰，由于排水设备需要不间断的工作才能保证井下积水不再增加，及时维护好排水设备不让其出现故障成了采矿时的一项重要工作。

一、矿山排水设备常见故障类型

1、排水设备机组电机转子故障。转子不平衡: 水设备电机转子不平衡主要由于转子本身材质缺陷，如材质不均匀、质量偏心、转子弯曲、联轴器不平衡等，以及后期腐蚀、磨损或零件松动等外部因素造成的偏心。同时由于水设备所处环境中含有大量煤尘，这类粉尘会部分吸附在转子上导致转子质量不均。这种转子不平衡故障机理基本一致，并且随转子旋转会伴随震荡响应现象。转动系统间隙过大或轴联结刚性不足会导致转子松动，继而引发机械阻抗低、运转过程即使不平衡和偏心都会引发较大振动。具体引发转子松动的因素有: 水设备基座施工导致水设备安设不水平，力学和温度等外界因素导致转子系统出现较大间隙，支承系统接合面间隙设置过大。实际水设备转子轴线间发生位移的方向上存在径向和偏角两个方向，即转子上会发生径向和轴向振动，而联轴器轴承上受到附加径向作用力为2 倍基频。轴承不对中体现在其轴承座标高左右侧位置偏差，轴颈与轴承间相互位置以及转轴固有转动频率发生变化，而大负荷下的轴承不对中可能会出现高次谐波振动。

2、排水设备机组电机轴承故障。油膜振荡: 作为大型水设备机组的矿山用水设备机组通过滑动轴承来承担转子系统，该类转子系统中易出现油膜涡动和油膜振荡故障现象。油膜涡动其原理为主轴偏心旋转所形成的油楔，由于液体存在不可压缩性，油楔导致主轴推动前行，进而形成一个与转动方向一致的涡动，该涡动与油楔速度一，不同转速下滑动轴承的轴颈中心位置，该滑动轨迹为平衡半圆弧，受到工作转速和负载负荷影响，轴承中心轨道可能出现与载荷作用方向不同的移动。油膜涡动现象发展到一定程度会进一步形成油膜振动现象，范围内的零部件会产生微弱形变，由于水设备内机构紧凑，转子和定子间间距较小，转子和定子间易发生摩擦。转轴横向裂纹: 金属材料长期承受负荷后会出现疲劳现象，如水设备机组这类机械设备在长期运转后各需承压的零配件会出现横向疲劳裂纹，如转轴、转子等配件金属材质本身强度下降，出现高周期疲劳、蠕动和应力腐蚀开裂等现象，严重时至出现断轴等问题。

二、矿山排水设备出现的故障

1、转子存在的问题。要说到排水设备在抽水过程中遇到的难题，不得不提到排水设备所处的工作环境，对于任何机器来说，常年处于充满煤渣的矿井之中，难免机器内会沾染上一些煤渣，长年累月下去机器内部就会积攒大量的煤渣。对于排水设备的各组件来说，每一个部位沾染煤渣所产生的故障是大不相同的，就拿排水设备的电机机组中的转子元件来讲，转子的工作机理顾名思义，转子通过均衡的运转来完成其本身在电机内的工作，当过多的煤灰或煤渣涌入电机机组时，处在电机中的转子自然也会沾染上这些东西。一旦过多的煤渣依附在转子上，就会使转子失去原有的动态平衡，进而影响电机机组的正常运转。经常表现的现象为转子出现剧烈的震荡声音，这种声音主要是转子失衡所致，导致转子不平衡的原因不单单只是依附煤渣造成的，转子本身的质量问题及在后期的工作中因为某些原因造成转子的轴心偏移，或者是由于周遭环境使得转子遭受到腐蚀重心失衡，都可能造成上述现象的发生。其次，转子在长期的工作中逐渐松动会使得机械的整体阻抗呈现下滑的趋势，并且在机组正常运转时还会因为上述的原因引发较大的振动。

2、电机存在的问题。排水设备之所以能进行不停地运转，其主要原因还是电机的功劳。正常来说，电子元件相比机械元件更容易出现故障，排水设备的电机部分当然也不例外，其中最常见的现象就是油膜出现震荡。说起油膜在机组中的作用可谓极其重要，熟悉电机的人都知道电机的工作机理就是依靠滑动轴承来支撑转子系统进行工作。而转子系统就很容易产生油膜震荡的现象，主要还是来源于油膜的工作机制，由于液体的不可压缩性，使得转子系统可以利用液压产生的动力推动主轴前进，以此形成一个与转子转动方向相同的涡动。但是滑动轴承所表现出来的工作轨迹并非只有一种，其中影响最深的两个因素便是转子在工作时的转速和电机负载所受的影响，最终轴承的运动轨迹会与负载时的运动方向不一致。随着机器长久的工作，电机自然也会运转下去，只不过这种与负载方向不相同的运动轨迹会使电机表现出震动的现象，这种震动虽然不是很剧烈，若是放任不管，时间长了就会使机组内的部件发生些许的变形，变形后的元件因为所处的转子系统空间狭小，不免在运转的过程当中产生不必要的部件磨损。

三、矿山排水设备维护

1、运行维护。排水设备受到气蚀和磨损等因素影响，使用效率和寿命降低，且矿山井下作业环境复杂，如何有效进行矿山各主、辅排水设备的日常检查和维护对矿井井下排水工作十分重要。归纳起来，应从以下方面重点加强矿山排水设备日常检查和维护:( 1) 建立设备定期维护制度。长期使用的水设备应定期对运行状态和设备状态进行检查，对发现因磨损严重而影响使用的平衡盘、叶轮、密封圈等零配件及时进行更换，确保排水设备设备处于良好的工作状态，避免故障停机或带“病”运行。为解决排水设备常见的零件磨损、气蚀等隐患，将叶轮、平衡盘等易损部件调整为耐磨、耐气蚀的铜质零件等，延长零件及水设备使用寿命。通过在水设备房出水口设置标准堰口等流量监测手段，定期监测水设备工作效率，对运行效率低下的水设备进行检查和维修。(2) 控制水设备扬程。水设备选型过程中水力损失过高，实际使用过程中易出现扬程过高、电机过载、严重气蚀等现象，易损伤排水设备，使用效率低下。优化未投入使用的设备，对已经投入使用的设备通过去除部分叶轮等措施调整排水设备扬程。(3) 保证管路畅通。由于井下作业环境较为恶劣，水设备工作中易产生污垢或水垢等杂质堵塞管路，导致水流不畅，继而引发龙头堵塞、流量降低和水设备烧损、磨损、气蚀等，可通过及时清理水仓和吸水井减少管路杂质，同时通过清除水垢等改善管路有效流通面积，降低管道阻力。

2、节能维护。矿山井下排水设备水仓排水过程中水位不恒定，为提高水设备使用效率和节约能源，将主排水设备设置为自动启动模式，一方面起到节约能源的作用，另一方面降低因吸入过多空气或空转导致设备磨耗。目前多通过使用超声波传感器根据水位情况自动控制水设备开启状态，原理是超声波传感器通过波的反射机理向水面发生超声波，超声波接触水面、仓地后开始向发射方向反射，根据波的发射和接收时长计算出水位高度。超声波传感器与排水设备启动开关机电辅助器进行信号连接，设置自动启动的水位临界点，根据该点对井下排水进行自动化控制。

对于矿井内恶劣的工作环境来说，排水设备的各部件都需要定期地维护和保养，毕竟身处充满垃圾和煤渣的矿井，机器在吸水时不免会吸到这些浓稠物，这样就需要定期更换过滤网才能保证机器的正常运转，电机内的转子非常容易受到煤渣和周遭环境的影响造成动态失衡，由此引发各种问题，所以机器的定期维修和保养变得至关重要。

参考文献：

[1]王健,王勇,孙光伟.矿山排水设备房自动化集控系统的应用与维护[J].能源技术与管理,2023,41(01):153-154.