三維技術(shù)在冷卻塔風機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)上的應(yīng)用

賈云龍

燕山石化股份有限公司水務(wù)氣體管理中心，北京 102500

0 引言

目前，燕山石化水務(wù)氣體管理中心五供水車間共有冷卻塔風機72臺，是循環(huán)水系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，尤其是在夏季生產(chǎn)滿負荷運行無備機的條件下，其運行的穩(wěn)定性關(guān)乎生產(chǎn)不容有失。風機運行的振動情況是影響風機運行穩(wěn)定性的首要因素，并且絕大多數(shù)影響因素最終都會通過振動的變化情況體現(xiàn)出來，因此對風機運行的振動情況進行監(jiān)測是掌握和判斷風機運行狀態(tài)的主要手段。而在振動監(jiān)測所涵蓋的振動大小、振動方向、振動頻率、振動帶寬、振動量綱等諸多因素中，尤其不能忽視在不同方向上產(chǎn)生的振動對風機運行安全造成的影響。振動監(jiān)測的首要任務(wù)就是盡可能找到振動發(fā)生的方向和其最大值。然而，現(xiàn)有的風機狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備僅能監(jiān)測到探頭與軸向方向垂直的某一方向振動數(shù)值的變化情況，單一方向上的數(shù)值在判斷風機運行狀態(tài)變化趨勢時提供的參考作用十分有限，其數(shù)值不具備真實有效性，因此我們迫切需要一種能夠更加真實地反映風機運行狀態(tài)的監(jiān)測手段，于是引入了三維狀態(tài)監(jiān)測的概念。

1 三維狀態(tài)監(jiān)測概述

根據(jù)“國際標準化組織ISO-2372標準”對風機類設(shè)備安全監(jiān)測的規(guī)定：風機各部位運動摩擦部件所產(chǎn)生的復雜振動監(jiān)測量應(yīng)該與振動能量成正比的振動速度的真有效值（RMS），振動探測的頻帶范圍應(yīng)滿足10Hz～1 000Hz，而振動方向的探測則應(yīng)當是全方位的。

設(shè)備運行時的振動情況是十分復雜的，影響振動的因素也是多種多樣的，但最難以捕捉的是振動發(fā)生的方向，振動在經(jīng)過疊加后最終會在某一個方向上產(chǎn)生一個最大值，而我們所要捕捉的就是這個最大值的發(fā)展趨勢。一維的狀態(tài)監(jiān)測局限于某一個方向，在與這個方向垂直的平面上發(fā)生的振動便無法進行監(jiān)測。當振動的方向與這個平面呈一定角度時，我們只能監(jiān)測到其振動在這一方向上的分量，這兩者都不能真實的反映出設(shè)備運行的狀態(tài)，對于我們在判斷設(shè)備運行狀態(tài)上的幫助就十分有限。

微機械加工技術(shù)的發(fā)展為三維技術(shù)的應(yīng)用提供了有力的支持，將三個方向相互正交垂直的振動感應(yīng)元件置于同一個探頭之內(nèi)，從三個方向獨立完成對振動的感應(yīng)，無論振動在哪個方向上產(chǎn)生，其振動情況均可通過三個方向數(shù)值的變化反映出來，三個方向的數(shù)值更加真實有效，更加有助于我們判斷風機運行狀態(tài)的發(fā)展趨勢。

2 三維狀態(tài)監(jiān)測原理

三維狀態(tài)監(jiān)測就是實現(xiàn)在X、Y、Z三個正交方向上對振動進行監(jiān)測，在一個三維的直角坐標系中，將振動的真實情況反映出來，在三維上所捕捉到的振動數(shù)值將高于一維所捕捉到的振動數(shù)值。對于振動的捕捉，可通過微機械加工工藝的振動傳感器實現(xiàn)，傳感器獲取的振動信號再經(jīng)由帶通濾波器、變換器、放大器、真有效值（RMS）轉(zhuǎn)換器，最終由電壓/電流驅(qū)動電路產(chǎn)生4mA～20mA標準電流信號輸出。

振動傳感器捕捉到振動產(chǎn)生的波形，并將波形反饋給濾波器，濾波器將波形曲線中細小的波刺過濾掉，使波形曲線趨于平滑，變換器和放大器將波形曲線信號傳遞給RMS，RMS將波形中對波形中起抵消作用或被覆蓋的疊加波形進行處理，最終產(chǎn)生一個真有效值，這個真有效值以4mA～20mA標準電流信號輸出，最終與監(jiān)控器配接，也可以直接與計算機數(shù)據(jù)采集測控系統(tǒng)（DCS、PLC等）連接使用，頻帶范圍是10Hz～1 000Hz，測量范圍在0mm/s～20mm/s，綜合誤差±1mm/s。

基于上述原理，在原有一體化三參數(shù)組合探頭的基礎(chǔ)上進行技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)出新型一體化四參數(shù)組合探頭，它能夠同時監(jiān)測風機減速機X、Y、Z三個正交方向的完全振動和減速箱內(nèi)部潤滑油溫度。

3 實驗與比較

2011年12月我們在五循8臺風機上使用了三維技術(shù)改造后的探頭，進行對比實驗，實驗前我們記錄了原有探頭監(jiān)測到的振動數(shù)值，實驗后記錄了改造的探頭監(jiān)測到的振動數(shù)值，如表1所示，從兩者的比較當中不難發(fā)現(xiàn)，改造后的探頭監(jiān)測到的數(shù)值更全面的反映出了風機的運行狀態(tài)。以5#風機為例，實驗前探頭監(jiān)測到的Y軸振動數(shù)值為5.5mm/s，正處于風機振動的臨界報警值，從數(shù)值上我們難以判斷這臺風機是否適合繼續(xù)運行。實驗后得出的Z軸振動數(shù)值已經(jīng)達到7.8mm/s，已經(jīng)超出安全運行標準5.5mm/s的范圍，但最大振動發(fā)生在Y軸和Z軸之間的某一方向上，其數(shù)值大于Z軸的振動數(shù)值，因此5#風機不適合繼續(xù)運行。

表1 一維與三維監(jiān)測數(shù)值對比情況表

通過對8組數(shù)據(jù)的比較，風機的實際最大振動并不一定發(fā)生在X、Y、Z三個方向上，根據(jù)勾股定律可以計算出其最大振動的方向和數(shù)值，并以此為依據(jù)判斷風機的運行狀態(tài)。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，1#、4#、5#和8#風機不適合繼續(xù)運行，于是我們逐臺進行檢修，其中1#、8#風機的齒輪間隙過大，4#風機的輸入軸損壞，5#風機的輸出軸軸承損壞。檢修的情況印證了我們根據(jù)三維振動監(jiān)測數(shù)值做出的判斷是正確的，體現(xiàn)出三維振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性、有效性和全面性上要優(yōu)于一維振動監(jiān)測。

4 結(jié)論

三維振動監(jiān)測能夠方便地探測出振動物體全方位、寬頻帶范圍內(nèi)的振動速度的真有效值(即烈度值)，相對于其他單一方向的振動監(jiān)測手段，數(shù)據(jù)更加全面、精確，它填補了常規(guī)監(jiān)測方式無法確定振動方向和大小的空白，為風機類設(shè)備安全運行提供了有力的保障。同時它也適用于對其它各類大、中型旋轉(zhuǎn)機械和運動設(shè)備，如鼓風機、水泵、軸承座、滾動磨擦體等，進行振動安全的直接測量。

[1]章曉中.電子顯微分析[M].北京：清華大學出版社，2006，12.

[2]劉敏堯.風機運行中常見故障原因分析及其處理[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2009，9.

[3]王廣斌，李學軍，陽小燕.風機的運行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷及其MATLAB實現(xiàn)[J].中國測試技術(shù)，2005，6.

[4]徐麗娟，曲貴波，劉桂波，等.基于CAD三維技術(shù)的工程設(shè)計方法[J].黑龍江工程學院學報，2011，12.