冷卻塔風(fēng)機(jī)傳動軸斷裂監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳建平，閆傳濱，周增瑞

(天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

冷卻塔風(fēng)機(jī)傳動軸斷裂監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳建平，閆傳濱，周增瑞

(天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

為解決冷卻塔風(fēng)機(jī)傳動軸運(yùn)行過程中斷裂甩出的問題，在分析傳動軸斷裂現(xiàn)象及原因的前提下，提出了在聯(lián)軸器上安裝扇形片，以槽型光電開關(guān)為信號采集元件，以可編程控制器為信號處理元件的傳動軸斷裂監(jiān)控新方法;利用槽式光電開關(guān)反應(yīng)速度快，不受環(huán)境光影響的特點(diǎn)，提高監(jiān)測的精準(zhǔn)性；利用交錯的扇形片相互旋轉(zhuǎn)時夾角縫隙對旋轉(zhuǎn)角度的放大作用，將聯(lián)軸器細(xì)微錯位放大，提高系統(tǒng)監(jiān)控的靈敏性;監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對傳動軸斷裂的預(yù)先判斷，程序控制風(fēng)機(jī)停機(jī)報(bào)警，保護(hù)傳動軸及相關(guān)設(shè)施。

傳動軸；監(jiān)控系統(tǒng)；冷卻塔風(fēng)機(jī)；可編程控制器

0 引言

冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)是用水作為循環(huán)冷卻介質(zhì)，從一系統(tǒng)中吸收熱量排放至大氣中的裝置。其傳動軸細(xì)而長，易斷裂，目前普遍使用的振動監(jiān)測報(bào)警，由于在實(shí)際工況中，風(fēng)機(jī)自身運(yùn)行的平穩(wěn)性有限，本身就有一定的振動存在，極易出現(xiàn)漏報(bào)誤報(bào)等問題。為解決這種問題，設(shè)計(jì)一種新型的冷卻塔風(fēng)機(jī)傳動軸故障監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)時的監(jiān)測傳動軸的運(yùn)行狀態(tài)，及時的捕捉到傳動軸即將斷裂的信號，并停機(jī)報(bào)警，有效防止傳動軸斷裂事故的發(fā)生對保證工廠的安全生產(chǎn)具有重要的意義。

1 傳動軸斷裂現(xiàn)象及原因分析

冷卻塔風(fēng)機(jī)安裝在冷卻塔中，如圖1所示，電機(jī)安裝在塔外，電機(jī)通過傳動軸與風(fēng)機(jī)減速箱連接以傳遞動力，風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)增加空氣的流速，加速水的冷卻[1]。

圖1 冷卻塔風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

傳動軸是將電機(jī)的動力傳遞到風(fēng)機(jī)減速箱上的傳動裝置。在生產(chǎn)中，由于使用時間長，頻繁承受加減速沖擊等原因，傳動軸容易出現(xiàn)疲勞斷裂，斷裂后的傳感軸易甩出破壞相關(guān)設(shè)施造成經(jīng)濟(jì)損失和安全事故。

根據(jù)對現(xiàn)場斷裂的傳動軸分析可見，傳動軸并非在中間部分扭斷，而是在旋轉(zhuǎn)過程中，由于剪切力的作用，聯(lián)軸器處的螺栓依次斷裂，如圖2所示，直到螺栓全部斷裂后，傳動軸一端與電機(jī)連接，另一端懸空，在電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)下，傳動軸甩出，對風(fēng)機(jī)葉片及風(fēng)筒等相關(guān)設(shè)施造成破壞，甚至將傳動軸完全甩出塔外，對工人的人身安全造成威脅。

圖2 現(xiàn)場被剪斷的螺栓圖

經(jīng)過對多個斷裂的傳動軸研究分析發(fā)現(xiàn)，被甩出傳動軸聯(lián)軸器的螺栓孔均為擴(kuò)大狀態(tài)，如圖3所示。可以判斷出，傳動軸斷裂并非是發(fā)生在瞬間，首先發(fā)生的是兩個聯(lián)軸器之間形成較大的相對旋轉(zhuǎn)位移，進(jìn)而將螺栓剪斷，最后傳動軸出現(xiàn)斷裂甩出。新提出的監(jiān)控系統(tǒng)正是在兩個半聯(lián)軸器發(fā)生相對位移但傳動軸并沒有斷裂時，自動停機(jī)并發(fā)出報(bào)警提示信號，提示工作人員檢修，從而避免傳動斷裂甩出的事故發(fā)生，對企業(yè)的安全生產(chǎn)和保護(hù)工人安全起到了重要的作用。

圖3 冷卻塔風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 檢測方法的研究確定

經(jīng)過對傳動軸斷裂原因的分析可知，監(jiān)測到傳動軸斷裂的關(guān)鍵在于提前判斷出兩個半聯(lián)軸器之間發(fā)生了相對位移。如圖4所示，在兩個聯(lián)軸器上分別安裝一片扇形片，此扇形片圓心角為180度，在扇形片的上側(cè)安裝槽型傳感器，此槽型傳感器為光電傳感器，沒有機(jī)械動作，反應(yīng)靈敏。當(dāng)槽內(nèi)有遮擋物時，輸出低電平，當(dāng)槽內(nèi)無遮擋物，即光可以從發(fā)射端直射到接收端時，輸出高電平，可編程控制器可接收此信號，并對信號進(jìn)行分析。

圖4 傳動軸斷裂監(jiān)測原理圖

如圖5所示，安全狀態(tài)時，扇形片A和扇形片B構(gòu)成360度圓片，形成遮擋狀態(tài)，槽型傳感器的接收端不能接收到發(fā)射端發(fā)射的光信號，可編程控制器對這種信號判斷為安全狀態(tài)。

圖5 傳動軸運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測圖

當(dāng)傳動軸即將斷裂時，兩片聯(lián)軸器發(fā)生角度扭轉(zhuǎn)，這種扭轉(zhuǎn)是非常微小的，但是在扇形片的邊緣位移等于旋轉(zhuǎn)角度與半徑的乘積，從而將變化量放大，便于監(jiān)測，本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)測方法，正是利用這種原理將微小的轉(zhuǎn)動放大為可以監(jiān)測到的縫隙，從而實(shí)現(xiàn)傳動軸斷裂的安全監(jiān)控。判斷過程為：傳動軸聯(lián)軸器螺栓將要斷裂而達(dá)到屈服狀態(tài)時產(chǎn)生變形，致使兩片聯(lián)軸器發(fā)生微小的相對扭轉(zhuǎn)時，扇形片A與扇形片B之間就會出現(xiàn)較大縫隙，從而使槽形傳感器監(jiān)測到信號，將此信號傳遞給可編程控制器，可編程控制器判斷此種狀態(tài)為危險(xiǎn)狀態(tài)，即刻報(bào)警并停機(jī)，提示工作人員檢修，保證冷卻塔風(fēng)機(jī)的運(yùn)行安全。

3 監(jiān)測方法的特點(diǎn)

此方法使用對射式槽型傳感器，傳感器的發(fā)射端與接收端為一體式，從而保證了發(fā)射端與接收端的嚴(yán)格正對，不受振動和安裝誤差影響。槽型傳感器光電觸發(fā)無機(jī)械動作，反應(yīng)速度快，不受環(huán)境光影響，從而使整個系統(tǒng)的可靠性大大提高。另外，此監(jiān)測方法中安裝扇形片到兩個聯(lián)軸器上，利用旋轉(zhuǎn)微小角度時扇形外緣會有較大位移量的特點(diǎn)，對傳動軸的錯位放大以便傳感器監(jiān)測，此方法簡單有效。而且，使用此方法后，對可編程控制器CPU的處理能力和編程人員的水平要求降低，由于傳動軸旋轉(zhuǎn)速度高，每次采集信號后，都需要對信號進(jìn)行大量的計(jì)算處理，如果PLC的CPU處理能力不足，長時間運(yùn)行會造成數(shù)據(jù)積累，影響監(jiān)測的穩(wěn)定性，而此方法則對PLC的性能降低了要求，對所采集的信號經(jīng)簡單處理后即為判斷結(jié)果，大大提高了系統(tǒng)監(jiān)測的穩(wěn)定性和報(bào)警準(zhǔn)確性。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖6所示，此系統(tǒng)塔上部分包括傳動軸監(jiān)測槽型傳感器和油溫油位等其他功能傳感器，控制室內(nèi)安裝上位機(jī)及下位機(jī)，上位機(jī)采用觸摸屏操控系統(tǒng)，下位機(jī)采用S7-200PLC，PLC與觸摸屏之間采用PPI通信協(xié)議，通過觸摸屏可設(shè)定風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)及監(jiān)控參數(shù)，同時顯示冷卻塔風(fēng)機(jī)的傳動軸狀態(tài)和油溫油位的報(bào)警信息。PLC除監(jiān)控風(fēng)機(jī)的各種安全狀態(tài)外，還對風(fēng)機(jī)的變頻器有控制作用，通過對水溫的判斷，改變風(fēng)機(jī)變頻器的頻率，控制水溫保持在一定范圍內(nèi)，其主要功能為，當(dāng)PLC根據(jù)接收到的信號判斷出類似傳動軸即將斷裂等安全隱患信息時，會控制風(fēng)機(jī)停機(jī)并發(fā)出報(bào)警信號。

圖6 傳動軸監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)PLC程序采用STEP 7 MicroWIN軟件進(jìn)行編寫，程序的主要功能包括控制風(fēng)機(jī)啟停、變頻、監(jiān)控，該傳動軸監(jiān)控的設(shè)計(jì)[2]，軟件編寫的主要依據(jù)為，可編程控制器在每個掃描周期內(nèi)均對輸入接口進(jìn)行掃描，安全狀態(tài)時，輸入接口為無輸入狀態(tài)，當(dāng)傳動軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，即達(dá)到即將斷裂時，槽型傳感器監(jiān)測到信號，并改變狀態(tài)輸入到可編程控制器中，可編程控制器快速判斷為危險(xiǎn)狀態(tài)，立即停機(jī)并發(fā)出聲光報(bào)警信號，提示工作人員檢修[3]。

上位機(jī)程序采用觸摸屏編寫軟件EasyBuilder8000編寫，如圖7所示，上位機(jī)上主要顯示風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，傳動軸的安全狀態(tài)及油溫油位的安全狀態(tài)，并且可以通過上位機(jī)對風(fēng)機(jī)進(jìn)行啟停操作以及各參數(shù)的修改[4]。

圖7 實(shí)時監(jiān)控界面

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由于傳動軸斷裂報(bào)警不是頻發(fā)事件，所以需要模擬出傳動軸即將斷裂的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對系統(tǒng)的可行性進(jìn)行測試。

如圖8所示，通過將扇形片安裝時預(yù)留一定的相對扭轉(zhuǎn)角度來模擬出傳動軸即將斷裂的狀態(tài)。

圖8 試驗(yàn)變量示意圖

通過實(shí)驗(yàn)，測得以下數(shù)據(jù)，見表1。

表1 傳動軸斷裂檢測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出以下結(jié)論，此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對傳動軸斷裂的預(yù)警停機(jī)作用，當(dāng)兩片扇形片之間的相對扭轉(zhuǎn)角度大于等于1度時，傳動軸預(yù)警系統(tǒng)報(bào)警并停機(jī)，有效的杜絕了傳動軸斷裂產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)束語

本文在分析冷卻塔風(fēng)機(jī)傳動軸斷裂現(xiàn)象及原因的基礎(chǔ)上，提出了一種新的監(jiān)測方法，此方法有效提高了傳動軸斷裂監(jiān)測的穩(wěn)定性和報(bào)警準(zhǔn)確率，并根據(jù)此方法設(shè)計(jì)出了可實(shí)際應(yīng)用的監(jiān)測系統(tǒng)，本監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在天津石化工廠應(yīng)用，經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)際檢驗(yàn)，對傳動軸故障監(jiān)測無誤報(bào)漏報(bào)，預(yù)警停機(jī)效果明顯，避免了出現(xiàn)其它方法存在的誤報(bào)漏報(bào)等現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的可靠性，得到了企業(yè)的認(rèn)可，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

[1] 黎才斌.冷卻塔風(fēng)機(jī)故障的診斷[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2004(2):60-61.

[2] 朱文杰.S7-200PLC編程設(shè)計(jì)與案例分析[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3] 王永華. 現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[4] 殷 飛,丁維明.組態(tài)軟件設(shè)計(jì)中的模式研究[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2005,13(3):298-300.

Design of Fault Monitoring System for Transmission Shaft of Cooling Tower Fan

Chen Jianping, Yan Chuanbin, Zhou Zengrui

(College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300222，China)

To solve the problem of the transmission shaft of cooling tower fan breaking out in the process of operation, under the premise of analyzing the fracture phenomenon and reason of transmission shaft, a new method for fault detection of transmission shaft is proposed. This method need install the sector sheet on the shaft coupling, setting slot type photoelectric switch as the signal acquisition device and setting PLC as the signal processing device. The characteristic of fast reaction rate and not affected by ambient light of slot type photoelectric switch is used to improve the precision of detection. The effect of enlarging rotation angle for staggered sector sheet is used to enlarge the tiny misalignment of shaft coupling and improve the sensitivity of monitoring system. The monitoring system realizes the prejudgment of the fault of the transmission shaft, using program controlling to stop the fan and issue alarm, protecting the transmission shaft and related facilities.

transmission shaft; monitoring system; cooling tower fan; programmable logic controller

2016-07-26；

2016-08-31。

天津市2010 年應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計(jì)劃重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(10JCZDJC23300)。

陳建平(1961-)，男，河北保定人，碩士研究生，副教授，主要從事自動機(jī)械與測控技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)01-0074-02DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TP

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