三維技術在冷卻塔風機運行狀態監測系統上的應用

賈云龍

燕山石化股份有限公司水務氣體管理中心，北京 102500

0 引言

目前，燕山石化水務氣體管理中心五供水車間共有冷卻塔風機72臺，是循環水系統的關鍵設備，尤其是在夏季生產滿負荷運行無備機的條件下，其運行的穩定性關乎生產不容有失。風機運行的振動情況是影響風機運行穩定性的首要因素，并且絕大多數影響因素最終都會通過振動的變化情況體現出來，因此對風機運行的振動情況進行監測是掌握和判斷風機運行狀態的主要手段。而在振動監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生的振動對風機運行安全造成的影響。振動監測的首要任務就是盡可能找到振動發生的方向和其最大值。然而，現有的風機狀態監測設備僅能監測到探頭與軸向方向垂直的某一方向振動數值的變化情況，單一方向上的數值在判斷風機運行狀態變化趨勢時提供的參考作用十分有限，其數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的監測手段，于是引入了三維狀態監測的概念。

1 三維狀態監測概述

根據“國際標準化組織ISO-2372標準”對風機類設備安全監測的規定：風機各部位運動摩擦部件所產生的復雜振動監測量應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滿足10Hz～1 000Hz，而振動方向的探測則應當是全方位的。

設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生的方向，振動在經過疊加后最終會在某一個方向上產生一個最大值，而我們所要捕捉的就是這個最大值的發展趨勢。一維的狀態監測局限于某一個方向，在與這個方向垂直的平面上發生的振動便無法進行監測。當振動的方向與這個平面呈一定角度時，我們只能監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備運行的狀態，對于我們在判斷設備運行狀態上的幫助就十分有限。

微機械加工技術的發展為三維技術的應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元件置于同一個探頭之內，從三個方向獨立完成對振動的感應，無論振動在哪個方向上產生，其振動情況均可通過三個方向數值的變化反映出來，三個方向的數值更加真實有效，更加有助于我們判斷風機運行狀態的發展趨勢。

2 三維狀態監測原理

三維狀態監測就是實現在X、Y、Z三個正交方向上對振動進行監測，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值將高于一維所捕捉到的振動數值。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，傳感器獲取的振動信號再經由帶通濾波器、變換器、放大器、真有效值（RMS）轉換器，最終由電壓/電流驅動電路產生4mA～20mA標準電流信號輸出。

振動傳感器捕捉到振動產生的波形，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，最終與監控器配接，也可以直接與計算機數據采集測控系統（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組合探頭的基礎上進行技術攻關，開發出新型一體化四參數組合探頭，它能夠同時監測風機減速機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測到的振動數值，實驗后記錄了改造的探頭監測到的振動數值，如表1所示，從兩者的比較當中不難發現，改造后的探頭監測到的數值更全面的反映出了風機的運行狀態。以5#風機為例，實驗前探頭監測到的Y軸振動數值為5.5mm/s，正處于風機振動的臨界報警值，從數值上我們難以判斷這臺風機是否適合繼續運行。實驗后得出的Z軸振動數值已經達到7.8mm/s，已經超出安全運行標準5.5mm/s的范圍，但最大振動發生在Y軸和Z軸之間的某一方向上，其數值大于Z軸的振動數值，因此5#風機不適合繼續運行。

表1 一維與三維監測數值對比情況表

通過對8組數據的比較，風機的實際最大振動并不一定發生在X、Y、Z三個方向上，根據勾股定律可以計算出其最大振動的方向和數值，并以此為依據判斷風機的運行狀態。根據表1中的數據，1#、4#、5#和8#風機不適合繼續運行，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三維振動監測數值做出的判斷是正確的，體現出三維振動監測數據的真實性、有效性和全面性上要優于一維振動監測。

4 結論

三維振動監測能夠方便地探測出振動物體全方位、寬頻帶范圍內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測手段，數據更加全面、精確，它填補了常規監測方式無法確定振動方向和大小的空白，為風機類設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、中型旋轉機械和運動設備，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。

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