陳建平，閆傳濱，周增瑞

(天津科技大學 機械工程學院，天津 300222)

冷卻塔風機傳動軸斷裂監(jiān)控系統(tǒng)設計

陳建平，閆傳濱，周增瑞

(天津科技大學 機械工程學院，天津 300222)

為解決冷卻塔風機傳動軸運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;利用槽式光電開關反應速度快，不受環(huán)境光影響的特點，提高監(jiān)測的精準性；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)軸器細微錯位放大，提高系統(tǒng)監(jiān)控的靈敏性;監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對傳動軸斷裂的預先判斷，程序控制風機停機報警，保護傳動軸及相關設施。

傳動軸；監(jiān)控系統(tǒng)；冷卻塔風機；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。其傳動軸細而長，易斷裂，目前普遍使用的振動監(jiān)測報警，由于在實際工況中，風機自身運行的平穩(wěn)性有限，本身就有一定的振動存在，極易出現(xiàn)漏報誤報等問題。為解決這種問題，設計一種新型的冷卻塔風機傳動軸故障監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時的監(jiān)測傳動軸的運行狀態(tài)，及時的捕捉到傳動軸即將斷裂的信號，并停機報警，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

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

圖1 冷卻塔風機結(jié)構(gòu)圖

傳動軸是將電機的動力傳遞到風機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設施造成經(jīng)濟損失和安全事故。

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，傳動軸一端與電機連接，另一端懸空，在電機的高速旋轉(zhuǎn)下，傳動軸甩出，對風機葉片及風筒等相關設施造成破壞，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大狀態(tài)，如圖3所示?？梢耘袛喑?，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，自動停機并發(fā)出報警提示信號，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)和保護工人安全起到了重要的作用。

圖3 冷卻塔風機結(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，沒有機械動作，反應靈敏。當槽內(nèi)有遮擋物時，輸出低電平，當槽內(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 傳動軸運行狀態(tài)監(jiān)測圖

當傳動軸即將斷裂時，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，本文所設計的監(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)為危險狀態(tài)，即刻報警并停機，提示工作人員檢修，保證冷卻塔風機的運行安全。

3 監(jiān)測方法的特點

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)無機械動作，反應速度快，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，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，都需要對信號進行大量的計算處理，如果PLC的CPU處理能力不足，長時間運行會造成數(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)定性和報警準確性。

4 系統(tǒng)設計

4.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

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)安裝上位機及下位機，上位機采用觸摸屏操控系統(tǒng)，下位機采用S7-200PLC，PLC與觸摸屏之間采用PPI通信協(xié)議，通過觸摸屏可設定風機運行參數(shù)及監(jiān)控參數(shù)，同時顯示冷卻塔風機的傳動軸狀態(tài)和油溫油位的報警信息。PLC除監(jiān)控風機的各種安全狀態(tài)外，還對風機的變頻器有控制作用，通過對水溫的判斷，改變風機變頻器的頻率，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，會控制風機停機并發(fā)出報警信號。

圖6 傳動軸監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

下位機PLC程序采用STEP 7 MicroWIN軟件進行編寫，程序的主要功能包括控制風機啟停、變頻、監(jiān)控，該傳動軸監(jiān)控的設計[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)均對輸入接口進行掃描，安全狀態(tài)時，輸入接口為無輸入狀態(tài)，當傳動軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，即達到即將斷裂時，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狀態(tài)，立即停機并發(fā)出聲光報警信號，提示工作人員檢修[3]。

上位機程序采用觸摸屏編寫軟件EasyBuilder8000編寫，如圖7所示，上位機上主要顯示風機的運行狀態(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對風機進行啟停操作以及各參數(shù)的修改[4]。

圖7 實時監(jiān)控界面

5 試驗結(jié)果與分析

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

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

圖8 試驗變量示意圖

通過實驗，測得以下數(shù)據(jù)，見表1。

表1 傳動軸斷裂檢測實驗數(shù)據(jù)

通過實驗數(shù)據(jù)，可得出以下結(jié)論，此系統(tǒng)可以實現(xiàn)對傳動軸斷裂的預警停機作用，當兩片扇形片之間的相對扭轉(zhuǎn)角度大于等于1度時，傳動軸預警系統(tǒng)報警并停機，有效的杜絕了傳動軸斷裂產(chǎn)生的安全風險。

6 結(jié)束語

本文在分析冷卻塔風機傳動軸斷裂現(xiàn)象及原因的基礎上，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)定性和報警準確率，并根據(jù)此方法設計出了可實際應用的監(jiān)測系統(tǒng)，本監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在天津石化工廠應用，經(jīng)過生產(chǎn)實際檢驗，對傳動軸故障監(jiān)測無誤報漏報，預警停機效果明顯，避免了出現(xiàn)其它方法存在的誤報漏報等現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的可靠性，得到了企業(yè)的認可，具有良好的推廣應用前景。

[1] 黎才斌.冷卻塔風機故障的診斷[J].風機技術,2004(2):60-61.

[2] 朱文杰.S7-200PLC編程設計與案例分析[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.

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

[4] 殷 飛,丁維明.組態(tài)軟件設計中的模式研究[J].計算機測量與控制,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 年應用基礎及前沿技術研究計劃重點基金資助項目(10JCZDJC23300)。

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

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

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