风机故障诊断监测系统硬件设计

邓玉萍，吴 岩

(1．鞍山师范学院物理科学与技术学院，辽宁 鞍山114007;2．鞍钢工程技术学校，辽宁鞍山114000)

鞍钢集团物业公司是一家集物业管理和民用供暖于一体的综合公司，公司负责全市供暖面积约70%的取暖任务，Y4-73-12№14D这种类型的风机有35台，主要用于锅炉的引风，由于缺乏行之有效的监测手段，引风机的设备事故，每年发生约3～4起，直接经济损失达几十万元，在某些情况下，还会导致环境污染，损害人身安全．

1 引风机故障产生的原因

Y4-73-12№14D锅炉引风机与国外同类型风机比较，具有效率高、噪声低、性能曲线平坦、高效宽广等特点，所以被广泛应用于民用供暖、火力发电厂等引风系统．Y4-73-12№14D锅炉引风机的叶轮由12片后倾机翼斜切的叶片焊接于弧锥形的前盘与平板形的后盘中间，由于采用了机翼形叶片，保证了引风机高效率，低噪声的性能．但由于引风机叶片的工作介质是高温，潮湿，烟尘含量大，所以造成机翼式叶片的头部磨损快，又因机翼式叶片本身结构特征是空腔，头部是圆弧形曲线形状，所以头部气流速度大，磨损快．这样，水气和烟尘颗粒进入空腔内，使叶片动平衡，静平衡失调，轻者引起风机振动，严重时造成电动机烧损，同时也会使电动机轴承座底脚螺丝松动、剪断，直至叶轮失控，引起设备重大事故，影响正常的生产、生活需要．

2 引风机故障的诊断方法

鞍钢集团物业公司风机采用的设备诊断方法是非定期点检测量振动的方法，采用的测振仪是上海仪表厂生产的XZ-4型振幅便携式测振仪，测量轴向和径向的振幅．比如，测轴承座(非电机端)的径向振动的振幅在0．07～0．08 mm时，就视为危险状态，这样无论处在供暖期的什么阶段，整台机组必须拆开．首先用大型平衡机来检测其平衡程度，其次传动组被全部打开，检查轴承是否有毁坏，对传动组基础重新检查，看是否松动，最后检查电机基础是否松动，然后再重新安装．这样下来，整个工期至少在一周左右，不仅工期长，延误生产，而且具有盲目性．

3 解决引风机故障的监测系统的硬件设计方案

长期以来，叶轮的平衡问题一直是影响设备正常运行的一个难题，各级设备管理部门认识到对于大型设备的管理和监护应采用现代化的设备诊断技术，及时掌握设备的运行状况，有效预防设备事故的发生，减少由于设备故障而带来的损失，同时还可以延长设备的使用周期．因此需设计一种风机的在线监测，随时监测其平衡状态，当被测点的振动量达到危险值时，根据其动力学原理，能够对其不平衡量进行修正，达到平衡的目的［1～5］．

3．1 系统硬件组成框图

本系统通过传感器对风机相应位置的径向振动信号进行测量，由它分析轴承的工作状态，叶轮的不平衡，不对中等机械故障．利用AD卡进行模拟信号到数字信号的转换，再传入单片机监测系统进行实时显示和发音报警，以方便操作人员进行故障的判断，进而监测设备的运行状况．结构框图如图1所示．

3．2 传感器的选择

测量位移的传感器选用上海深索仪表电子有限公司S2200Φ5型电涡流传感器，在工业环境下，它具有可持久、连续、可靠工作的性能．其基本参数为:线性范围:0．25～1．25mm;线性度:±1．0%;灵敏度:8．0 V/mm;灵敏度精度:±4．0%．

测量转数的传感器选择红光传感器，它是光电传感器的一种，光电头为高可靠性可见红光，采用特殊低功耗，高亮度LED，前置电路己置于光电头中，输出0～5 V脉冲，输入±5 V．

3．3 单片计算机控制系统的选择

本课题选用的是ATMEL公司生产的AT89S51单片机作核心芯片，ATMEL公司的AT89S51单片机的引脚及其指令系统与INTEL公司生产的MCS－51系列单片机完全兼容，并且集成度高，片内自带4 KFlash程序存储器，所以，无需外接程序存储器，具有性价比高，各种接口电路成熟的特点，使用方便、可靠．

3．4 报警装置的选择

闪光报警器是用来对现场振动接点信号进行监测，当振动幅值超出设定值时发出声光报警信号(发出声信号报警设定为轴承故障，发出光信号报警设定为叶轮平衡不良)，提醒有关人员进行检查处理．如图2所示．

主要技术指标:

电源:交流 220 V(+10%、－15%)，50 Hz．

输入报警信号形式:常开触点式，节点不应有外加输入电功率．

音响:无火花间歇式电子讯响器．

报警灯:LED发光二极管．

报警回路:8路．

(1)试验按钮:此按钮是检查报警器是否正常工作时用，当试验按钮接通后，8个回路的报警灯全闪光，且有音响报警，经50～60 s后，音响消失报警灯常亮，按钮断开，报警灯熄灭．这就说明报警器可以正常工作．

(2)报警器的工作状态如表1所示．

表1 报警器的工作状态

接点信号恢复正常时，报警回路仍处于不亮状态，无声响．

4 系统现场安装

选用变间隙型电涡流式位移传感器一套，红光传感器一套，单片计算机控制系统是ATMEL公司生产的AT89S51单片机作核心芯片，声光报警系统采用的HD960型报警器和若干电缆．首先在转轴上作好光电标志:找一段裸露出可以安装光电头的轴表面(径向)，擦干净后用黑漆全部涂黑，再用剪刀剪一块不干胶反光带贴在其上(标志宽度应视转轴直径而定，大直径转轴要宽一些标志)，用大力钳具将光电头和电涡流传感器固定在该标志上方，使光电头光敏器件正对光电标志，间隙为35 mm左右，注意:光电头和电涡流传感器的探头延轴的径向方向上必须严格对齐，以保证相位测量的准确性．

5 实验监测数据

为保证实验数据的一致性，所以选择同一台风机为实验对象，从2012年2月至2013年3月测量值见表2．

表2 引风机振动监测状态表

从表2中可以看出，风机在2013年1月30日振动出现异常，表现为噪音增大，电动机发热，机壳表面温升大于40℃，工作电流增大，增大到超过额定电流的10%(从电机运行角度判断，已属于非正常运行状态)．从振动现象表面来看，振幅发展的比较快，轴承部分的温度属于正常范围内，结合使用美国ENTEK数据采集器测量结果见图3，所以可以初步断定振动是由于叶轮的动不平衡引起的．启动动平衡测试，测得初始振幅见表3，加试重后重新启动，测试结果见表4、表5．从平衡结果上看，第3组数据平衡效果比较好．采用第3组数据进行现场配平，最后使用美国ENTEK数据采集器测量的振动频谱见图4．

表3 初始振动参数表

表4 加试重后振动参数表

表5 剩余不平衡量

5 结论

设计的单片机电路具有结构简单、实用性强，具有较好的抗干扰能力．能够准确、及时的监测风机故障，并把分析、诊断结果通过LED数码管显示出来，为现场检查、维护的人员提供了极大的方便．在鞍钢中型风机的维修中实现了故障报警、诊断、监测同时进行．通过监测使平衡的工作量减少了，轴承的工作状态趋于良好，减少了维修次数，风机叶轮转子寿命延长3～4个月，每年可节约费用29．6万元，经济效益显著上升．

［1］林龙信．传感器技术手册［M］．北京:人民邮电出版社，2009．

［2］倪志莲．单片机应用技术［M］．北京:北京理工大学出版社，2010．

［3］苏杭．机械设备状态监测与故障诊断［M］．北京:机械工业出版社，2009．

［4］张福学．传感器应用及其电路精选(上册)［M］．北京:电子工业出版社，1992．

［5］杨国安．旋转机械故障诊断实用技术［M］．北京:中国石化出版社，2012．