引言
水泵机组的机械振动是由流体、机械、电磁三部 分相互影响的，可以说是三者的耦合振动，加之煤矿 井下环境恶劣，很难根据三者关系来建立数学模型 并进行分析[1]。此外，许多机械故障与故障现象之间 并没有一一对应的关系，且对于不同的研究对象，没 有较多的故障点，同时其故障发生的概率也不一定。
常见的水泵机组故障主要有动力不足、不出水或中 途停水、轴承发热、泵体振动严重以及异步电机常见 的定子绕组匝间短路、转子断条等电气故障[2]。转子 的旋转动作完成了水泵的主要功能，因此，它是水泵 机组最主要的部件，振动信号能够实时反映出转子 的大多数故障。本文的故障诊断只针对振动来分析 机械故障模式，根据煤矿井下水泵机组的结构和特 点，结合旋转机械特征，分析如下几种主要的水泵机 组振动故障类型。
1 水泵机组电机转子故障
1.1 转子不平衡
井下水泵机组转子的不平衡故障，主要是由于 转子部件质量偏心，如材质不均匀、运动中转子腐 蚀、零部件松动等。此外，转子初始弯曲、联轴器不平 衡等情况也能引起转子不平衡[3]。对于一些靠近采 区的泵房水泵机组，由于从吸水井抽出的水含有大 量的煤粉，这些煤粉不断积累，容易引起转轴的质量 偏心，造成不平衡。
由以上情况所造成转子不平衡的故障，其故障 机理却有共同之处，即：转子每旋转一周，产生一次 震荡响应。转子松动故障是指系统结合面的间隙或 联接刚度不足而造成机械阻抗低、运行过程振动大。 引起转子松动的原因是多方面的，例如，支承系统接 合面间隙过大、转子系统在外力或温度变化作用下 产生间隙、基础施工质量不佳等都可引起转子的松 动。由于松动，极小的不平衡或不对中都会给系统带 来很大的振动。
1.2 转子不对中
不对中也是井下水泵机组常见的故障之一，其 中最为常见的是水泵与电机之间的轴连接部分不对 中，主要有平行不对中、偏角不对中、以及平行偏角
不对中，如图1 所示。
当转子轴线间存在径向位移时，对于刚性联轴 器联结的转子将会强制连接，使转子发生弯曲变形。 当转子高速运转时，会产生很大的离心力，激励转子 产生径向振动，转子每转动一周，径向弹性力改变方 向4 次，即振动2 次，因此，振动频率为旋转频率的 2 倍。
实际工程中，我们遇到的各转子轴线间既有径 向位移又有偏角位移，这种情况下相当于在联轴器 的轴承上施加一个2 倍基频的附加径向作用力，从 而激励转子发生径向和轴向振动。此外，还有轴承不 对中，它反映的是轴承座标高和左右位置的偏差，不 仅改变了轴颈与轴承的相互位置，同时还改变了轴 系的固有频率。负荷大的轴承不对中会在一定条件 下出现高次谐波振动。
2 水泵机组电机轴承故障
2.1 油膜振荡
煤矿水泵机组属于大型机组，一般采用滑动轴 承来承担转子系统，故油膜轴承的油膜涡动和油膜 振荡是常见故障。主轴偏心旋转时，会形成一个油 楔。由于液体的不可压缩性，油楔的油会推动轴前 进，形成与轴旋转方向相同的涡动，涡动的速度即油 楔本身的前进速度[4]。在不同转速下，滑动轴承的轴 颈中心位置如图2 所示，图中可清晰的看出：滑动轴 承轨迹为一个半圆弧即称为平衡半圆。从图2 可看 出：轴承中心轨迹并不一定沿载荷作用方向移动，其 位置还与工作转速和负载大小有关。
由机械理论可知，油膜涡动发展到一定程度后， 将会产生油膜振动故障。众所周知，由于水泵转子与 定子之间的空隙很小，一旦相关部件产生微小形变， 就会导致转子和定子产生摩擦。理论分析得出：动静 碰磨产生的振动具有丰富的频谱特征，占据低频中 频和高频的各个频带。
2.2 转轴横向裂纹
机械设备在长期运行中会产生疲劳，水泵机组 也不例外，其在长期运行后容易出现横向疲劳裂纹， 若不及时发现，就会产生断轴等严重事故。导致事故 发生的主要原因是高周期疲劳、蠕动和应力腐蚀开 裂等[5]。
转子出现疲劳后的特征：当转子存在裂纹时，转 子的振动会具有非线性性质（即频谱中除频率f 分 量外，还有2f、3f、5f 等频率分量）；转子出现裂纹时， 其振动的时域波形是叠加波形，振动方向为径向、轴 向；开（停）车时振幅变化的规律：如图3 所示，当转
子在经过Wc/3、Wc/2、时会产生幅值振荡，这一现象 被成为超谐波共振现象。
3 其他故障
由于煤矿井下环境比较恶劣，泵房水仓汇集了 井下涌水及采煤用水，甚至还会有垃圾物。通常情况 下要求定期清理水仓和泵，还可根据异物大小在水 泵进口安装金属滤网或者过滤器，但是靠近采区泵 房由于水质含有大量煤质和垃圾，久而久之，水泵体 内就会存在很多异物或者水垢，严重影响了排水效 率。泵内异物从振动形式上难以判别，跟正常水泵运 行效果相近，只是其振动能量高度集中在基频，泵内 异物的主要特征表现如下表1 所示。
汽蚀是溶解于液体中的气体，在压力和温度发 生变化时，微泡的产生、溃裂以及对过流表面产生物 理和化学作用的整个过程。例如矿井使用的水泵采 用的是河南郑泵科技有限公司的矿用耐磨多级离心 泵，它的必须汽蚀余量为49 m，因此，当水位到泵体 中心处的垂直高度大于49 m时，水泵很容易发生汽 蚀，严重影响水泵的生命周期和使用效率。水泵机组 安装人员会根据数据进行合理安装，保证水泵抽水 时小于必须汽蚀余量。在程序里进行判断，即水位小 于49 m 时将停泵，此外，也可以看出水泵机组的负 压值会小于- 4.9 kPa。
4 结语
煤矿水泵机组是煤矿井下重要的排水设备，是 保证煤矿生产时不受地下水影响的关键。因此，提高 水泵机组运行的可靠性和稳定性是十分必要的。煤 矿机电维修员应能根据水泵设备的运行状态来判断 水泵运行是否正常。本文提供的一些水泵的常见故 障，可以为有关维修人员提供直观参考。