朱紅兵
(上海寶鋼節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司，上海201999)
摘要：以焦化廠導(dǎo)焦除塵風(fēng)機(jī)為例，對(duì)于節(jié)能改造后調(diào)速運(yùn)行的大型動(dòng)力旋轉(zhuǎn)設(shè)備的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明，對(duì)于承受交變應(yīng)力的旋轉(zhuǎn)設(shè)備,應(yīng)充分考慮尺寸系數(shù)和構(gòu)件殘余應(yīng)力對(duì)所選材料疲勞強(qiáng)度極限值的影響，對(duì)其核心部件進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)和校核工作。同時(shí)對(duì)激振力與旋轉(zhuǎn)設(shè)備固有頻率耦合振動(dòng)的現(xiàn)象作了定性分析和說明。鑒于該類設(shè)備對(duì)生產(chǎn)工藝和產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)的重要程度，引入了設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的架構(gòu)和功能作了闡述，并確定了下一步的主要研究方向。
關(guān)鍵詞：動(dòng)力設(shè)備；旋轉(zhuǎn)設(shè)備；交變應(yīng)力；疲勞強(qiáng)度；固有頻率；狀態(tài)智能監(jiān)測
冶金企業(yè)為滿足各生產(chǎn)單元工藝的需要，配置了各類風(fēng)機(jī)、水泵及壓縮機(jī)等通用動(dòng)力旋轉(zhuǎn)設(shè)備。在當(dāng)前系統(tǒng)節(jié)能改造需求的驅(qū)動(dòng)下，原恒速運(yùn)行依靠閥門調(diào)節(jié)的動(dòng)力設(shè)備尤指大型離心壓縮機(jī)和離心通風(fēng)機(jī)設(shè)備,在后續(xù)對(duì)其進(jìn)行變速節(jié)能改造后，設(shè)備根據(jù)工藝需求處于周期性循環(huán)變速的運(yùn)行狀態(tài)下,動(dòng)力設(shè)備轉(zhuǎn)子就出現(xiàn)了兩個(gè)問題: ①轉(zhuǎn)子材料處于交變應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度問題。所采用的材料疲勞強(qiáng)度是否能夠適應(yīng)其在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的最大內(nèi)應(yīng)力，這涉及到關(guān)鍵設(shè)備的可靠性問題。2015年曾有這樣的案例：圓方坯電爐除塵增壓風(fēng)機(jī)在使用較長時(shí)間后，葉輪中盤磨損嚴(yán)重,受交變載荷作用,葉片與中盤焊接部位局部疲勞損傷形成裂紋,在風(fēng)機(jī)離心力作用下，葉輪中盤瞬時(shí)撕裂，造成事故。②動(dòng)力設(shè)備在某一轉(zhuǎn)速下的氣流激振頻率會(huì)與轉(zhuǎn)子部件的固有頻率接近或重合，其后果必然導(dǎo)致動(dòng)力設(shè)備產(chǎn)生很大的振動(dòng)，這同樣涉及到關(guān)鍵設(shè)備的安全性與可靠性問題。
鑒于上述分析，有必要對(duì)上述兩種情況的具體原理和計(jì)算方法進(jìn)行詳細(xì)梳理和澄清，從設(shè)計(jì)優(yōu)化和制造工藝方面提出有針對(duì)性的方法和措施;并從建立關(guān)鍵動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)為切入點(diǎn)，對(duì)該類關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，該系統(tǒng)包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、設(shè)備工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)以及設(shè)備能效方面的數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)和預(yù)警等功能，較之于常規(guī)的監(jiān)控系統(tǒng)，面向的對(duì)象、數(shù)據(jù)采集方式、系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)功能均有所不同和創(chuàng)新。
1交變應(yīng)力下轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度計(jì)算與 分析
1.1交變應(yīng)力的循環(huán)特性分析
現(xiàn)以焦化廠導(dǎo)焦除塵風(fēng)機(jī)為例說明變速節(jié)能改造后轉(zhuǎn)子所承受的交變應(yīng)力的循環(huán)特性。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖見圖1。
導(dǎo)焦除塵的煙氣量根據(jù)出焦過程的煙氣發(fā)生量變化而實(shí)時(shí)變化。焦?fàn)t的裝煤及導(dǎo)焦工作周期性間斷進(jìn)行，7.63 m焦?fàn)t每8 min各裝煤和推焦1次，而這8 min中只有3 min是產(chǎn)生煙塵的作業(yè)時(shí)間，此時(shí)除塵風(fēng)機(jī)應(yīng)高速運(yùn)行，其他5 min不產(chǎn)生煙塵，除塵風(fēng)機(jī)則應(yīng)低速運(yùn)行，如圖2所示。導(dǎo)焦除塵風(fēng)機(jī)實(shí)施調(diào)速改造后，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)必須與推焦車聯(lián)鎖，推焦時(shí)除塵風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行，其余時(shí)間風(fēng)機(jī)則低速運(yùn)行，從而節(jié)約能耗。
當(dāng)設(shè)備處于如圖2所示的周期性高低速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，調(diào)速相當(dāng)頻繁，轉(zhuǎn)子處于交變載荷狀態(tài)。有大量的工程實(shí)例表明，在交變應(yīng)力條件下工作的轉(zhuǎn)子部件，即使它是用塑性材料制成的，而且部件的最大應(yīng)力低于材料在靜載荷下的屈服強(qiáng)度σs，經(jīng)過長期的運(yùn)行使用后,在沒有顯著的塑性變形的情況下也會(huì)發(fā)生突然斷裂，造成飛車事故。一般認(rèn)為這都是由于材料的疲勞造成的,但根據(jù)文獻(xiàn)［1］的試驗(yàn)研究成果發(fā)現(xiàn)，造成部件正式損壞的原因并非疲勞,而是塑性材料內(nèi)部裂縫逐漸擴(kuò)展的結(jié)果,習(xí)慣上仍然稱這種破壞為疲勞破壞, 而部件抵抗這種破壞的能力，稱為疲勞強(qiáng)度。
從材料力學(xué)對(duì)疲勞破壞的形成和發(fā)展機(jī)理分析可知，材料對(duì)疲勞破壞的抵抗能力主要受兩個(gè)方面因素的影響[2] :
(1)疲勞破壞是逐漸積累的過程，故材料對(duì)疲勞破壞的抵抗能力與所受工作應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)N有關(guān)。在交變應(yīng)力作用下的轉(zhuǎn)子部件,其強(qiáng)度條件與靜載荷下的情況已經(jīng)不同，因此要重新建立部件在交變應(yīng)力下的強(qiáng)度條件,則首先必須測定交變應(yīng)力作用下材料的極限應(yīng)力值。該值是動(dòng)力轉(zhuǎn)子部件在交變應(yīng)力作用下建立強(qiáng)度條件的主要依據(jù)。對(duì)于黑色金屬來說，循環(huán)次數(shù)定義為N＝107次，也就是說，在交變應(yīng)力的作用下經(jīng)107 次循環(huán)材料不發(fā)生斷裂,繼續(xù)增加循環(huán)次數(shù)也不會(huì)發(fā)生斷裂。
(2)材料疲勞破壞與應(yīng)力變化程度有關(guān)，即與應(yīng)力循環(huán)特性r有關(guān)。r的表達(dá)式如式(1):
式中： σmin和σmax分別為應(yīng)力循環(huán)中的最小應(yīng)力值和最大應(yīng)力值。
據(jù)此,交變應(yīng)力循環(huán)大體上可分為三種情況:r＝0時(shí),為脈沖循環(huán);r＝—1時(shí)，為對(duì)稱循環(huán)，即通常所講的正反轉(zhuǎn)交替運(yùn)行;0 <r <1時(shí)為不對(duì)稱循環(huán)。文中所討論的交變應(yīng)力屬于不對(duì)稱循環(huán)特性。
同一種材料承受對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力時(shí)的疲勞極限應(yīng)力值最小，以[σ-1]表示,如果計(jì)算出來的轉(zhuǎn)子部件承受的最大應(yīng)力值不大于該材料的疲勞極限應(yīng)力值[σ-1]時(shí)，則轉(zhuǎn)子就不會(huì)發(fā)生疲勞破壞的現(xiàn)象。
1.2交變應(yīng)力的機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算實(shí)例分析
以焦化廠導(dǎo)焦除塵風(fēng)機(jī)為例說明承受交變應(yīng)力轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算過程。設(shè)備型號(hào)為Y6 -40 2 X23.2F,風(fēng)機(jī)型式為雙吸雙支撐型式，設(shè)計(jì)最大風(fēng)量為40萬m3/h,設(shè)計(jì)全壓為6 000 Pa,溫度為80 l，最高轉(zhuǎn)速為950 r/min。設(shè)備在最低轉(zhuǎn)速238 r/min和最高轉(zhuǎn)速950 r/min兩個(gè)點(diǎn)位上循環(huán)變速運(yùn)行，轉(zhuǎn)子應(yīng)力與轉(zhuǎn)速的平方成正比, 轉(zhuǎn)子應(yīng)力循環(huán)特性r＝0. 067,即轉(zhuǎn)子的交變應(yīng)力是一個(gè)不對(duì)稱循環(huán)。
由材料力學(xué)可知,提高局部區(qū)域的材料強(qiáng)度可以提高疲勞強(qiáng)度，因此,該轉(zhuǎn)子材料設(shè)計(jì)采用高強(qiáng)度合金鋼材料,以提高葉輪的疲勞強(qiáng)度,其力學(xué)性能見表1。通過強(qiáng)度計(jì)算，可知轉(zhuǎn)子的葉片進(jìn)氣端和輪蓋進(jìn)口的圓周部分是內(nèi)應(yīng)力最集中的地方，因此，必須在輪蓋進(jìn)口處增加進(jìn)口圈以提高輪蓋強(qiáng)度，并分別將葉片、輪盤和輪蓋的材料厚度在常規(guī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上分別增加20% ,從而提高轉(zhuǎn)子抵抗疲勞的能力。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖3所示。
通過FEA有限元分析計(jì)算得出葉輪的最大應(yīng)力為160.2 MPa,位于葉片的進(jìn)氣端。根據(jù)文獻(xiàn)[1]提供的數(shù)據(jù)和計(jì)算公式可知,對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力的疲勞極限如下。
拉壓疲勞極限應(yīng)力值：
扭轉(zhuǎn)疲勞極限應(yīng)力值：
上述葉輪主要承受的是彎曲應(yīng)力，所選用高強(qiáng)度鋼材料的抗拉強(qiáng)度σb二780 MPa (取最小值，相對(duì)保守)，按公式(3 )計(jì)算得出彎曲疲勞極限應(yīng)力值[σ-1]＝538 MPa。
葉輪的最大應(yīng)力值160. 2 MPa,遠(yuǎn)小于該材料的彎曲疲勞極限應(yīng)力值538 MPa。并且靜力學(xué)計(jì)算的安全系數(shù)分別為：葉片安全系數(shù)3.97,輪蓋安全系數(shù)4. 96，中盤安全系數(shù)5. 51,比常規(guī)的安全系數(shù)1.50?2. 00大得多，這是不是說明材料選擇偏于安全，造成了不必要的浪費(fèi)呢？通過 1.3節(jié)的分析可以得出結(jié)論。
1.3提高轉(zhuǎn)子抗交變應(yīng)力疲勞的相關(guān)對(duì)策
1.3. 1影響部件疲勞強(qiáng)度的因素分析
根據(jù)材料疲勞試驗(yàn)報(bào)告可知,測定材料疲勞極限時(shí)采用的是標(biāo)準(zhǔn)試件，即表面磨光、沒有應(yīng)力集中影響的光滑小試件。而實(shí)際情況是：由于部 件外形引起的應(yīng)力集中、部件尺寸的大小、部件表面的光潔程度以及周圍介質(zhì)對(duì)部件的腐蝕作用等因素對(duì)材料的疲勞強(qiáng)度均有不同程度的影響。重點(diǎn)考量因素包括應(yīng)力集中和尺寸大小這兩方面因素的影響，因此便引入構(gòu)件在對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力下的疲勞極限的概念，表達(dá)符號(hào)為[σ-1]構(gòu)，其計(jì)算公式如式(5)[1]：
式中:?為絕對(duì)尺寸影響系數(shù)，一般恒小于1 ；Kσ有效應(yīng)力集中影響系數(shù)，一般恒大于1。
針對(duì)本計(jì)算案例，可查閱相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)得出?取0.73，Kσ取值比較困難,一般手冊(cè)僅給出了棒材形狀在有加工圓角時(shí)的有效應(yīng)力集中影響系數(shù)，而事實(shí)上,動(dòng)力設(shè)備的轉(zhuǎn)子部分則是一個(gè)冷加工焊接件(傳動(dòng)主軸除外)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜而且不規(guī)則，由于加工工藝和焊接工藝等諸多因素的影響，葉輪的疲勞極限降低。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，采用合理的加工工藝和焊接工藝，并且在焊接后整體消除內(nèi)應(yīng)力，可以最大程度地減小應(yīng)力集中對(duì)轉(zhuǎn)子疲勞極限的影響，參照文獻(xiàn)[1]中的相關(guān)資料,心取值2.08?2. 13是可行的,這樣可得出構(gòu)件的實(shí)際彎曲疲勞極限值為[σ-1]構(gòu)=
由此看出，轉(zhuǎn)子的最大應(yīng)力值為160.2 MPa, 仍然小于構(gòu)件的實(shí)際彎曲疲勞極限應(yīng)力值184.3?188.8 MPa,轉(zhuǎn)子長期運(yùn)行是安全的。實(shí)際工程項(xiàng)目運(yùn)行顯示,該設(shè)備至今運(yùn)行已達(dá)5年以上，除定期檢修維護(hù)外，轉(zhuǎn)子運(yùn)行無安全事故。最終詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)葉片材料厚度為12 mm,輪盤材料厚度為25 mm,輪蓋厚度為12 m叫進(jìn)口加強(qiáng)圈厚度為45 mm。
1.3.2 提高部件疲勞強(qiáng)度的相應(yīng)對(duì)策和措施
由上文的分析可以看出，構(gòu)件的實(shí)際疲勞極限值是決定交變應(yīng)力作用下構(gòu)件強(qiáng)度條件的主要依據(jù)。雖然影響構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的因素很多，但主要因素除尺寸效應(yīng)外，則為應(yīng)力集中對(duì)疲勞極限的影響最大。下面主要針對(duì)應(yīng)力集中這一問題提出相關(guān)措施來提高轉(zhuǎn)子部件的疲勞極限。
(1)應(yīng)采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),減少應(yīng)力集中的影響。重點(diǎn)在于前盤進(jìn)口圈和鋸齒形中盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
如在設(shè)計(jì)前盤進(jìn)口圈時(shí)，由于該件為鍛件，致密性較好,其與錐形前盤焊接而成,為了保證氣流順暢,圖4所示前盤進(jìn)口處設(shè)計(jì)成圓弧形狀，同時(shí)為了降低應(yīng)力的影響,圓弧半徑應(yīng)盡可能大些,通常設(shè)計(jì)成該圓弧與錐形前盤的法線延長線相切為最佳，做到一舉兩得。
另外,設(shè)計(jì)采用鋸齒形耐磨中盤時(shí),在盡可能降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的同時(shí),應(yīng)保證切割后的鋸齒中盤其凸齒有足夠的厚度和強(qiáng)度，保證切口光滑,避免出現(xiàn)硬邊和裂紋現(xiàn)象,保證齒間凹緣為一圓滑的圓弧，以消除此間的應(yīng)力集中。根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的推薦，只要確保齒間凹緣圓弧半徑R =2%D，(D為轉(zhuǎn)子葉輪外徑),鋸齒形中盤凹緣根部直徑Dc＞70%，,葉輪轉(zhuǎn)子構(gòu)件的安全可靠性就可以得到保證，其應(yīng)力集中現(xiàn)象也可得到大幅度消除。
(2) 合理的焊接工藝對(duì)消除應(yīng)力影響至關(guān)重要，包括采用合理的焊接坡口、合適的焊接電流、合理的焊接順序、良好的焊縫質(zhì)量及焊后消除焊接應(yīng)力等措施，將有效地減小焊接應(yīng)力集中。無論是對(duì)接焊縫還是角焊縫,如果采用如圖5所示的坡口焊接型式,在焊接前開坡口 ,焊接后又作局部的加工處理,使得焊縫呈飽滿圓弧過渡型式,則可大大提咼構(gòu)件抗疲勞損壞的能力。
(3) 通過工藝措施提高構(gòu)件表面層材料的強(qiáng)度，以提高構(gòu)件的疲勞極限。對(duì)于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的部件,可以采用噴丸或噴砂的表面強(qiáng)化處理方法,降低或消除表面?zhèn)垡鸬膽?yīng)力集中。此外，該法可以降低構(gòu)件表面的粗糙度，對(duì)于強(qiáng)度較高的合金鋼，粗糙度的高低對(duì)應(yīng)力集中的影響更加敏感，所以必須精細(xì)加工，以降低構(gòu)件表面的粗糙度。
2動(dòng)力設(shè)備轉(zhuǎn)子氣流激振的原理分析及消除對(duì)策
根據(jù)現(xiàn)場工程師描述，對(duì)于變速調(diào)節(jié)運(yùn)行的動(dòng)力設(shè)備,在高頻或較低頻率下設(shè)備運(yùn)行正常,但當(dāng)在某一頻率附近范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，如45?48 Hz, 則設(shè)備振動(dòng)較為明顯,并且會(huì)發(fā)生膜片聯(lián)軸器的膜片損壞或齒式聯(lián)軸器的聯(lián)接螺栓斷裂等現(xiàn)象, 對(duì)設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。
2.1原理分析
葉片的通過頻率為葉片數(shù)與運(yùn)行頻率的乘積。當(dāng)葉輪變速運(yùn)行時(shí)，則葉片的通過頻率也相應(yīng)變化，葉輪在一定范圍的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)，葉片的通過頻率也是一個(gè)范圍。對(duì)于導(dǎo)焦除塵風(fēng)機(jī)，其葉片數(shù)為12片，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為238?950 r/min,則葉片的通過頻率范圍為47. 6?190.0 Hz。
而動(dòng)力旋轉(zhuǎn)設(shè)備其轉(zhuǎn)子的各種部件均具有其固有的共振頻率,在運(yùn)行過程中,這些部件在其固有頻率下很可能被激振。轉(zhuǎn)子中的任何一個(gè)部件如果在其固有頻率下受到一些外力的激振，與葉片的通過頻率重合或接近時(shí),則會(huì)出現(xiàn)難以預(yù)料的故障。
通過分析可以看出,葉片通過頻率可以看成是一種激振源。對(duì)于導(dǎo)焦除塵風(fēng)機(jī)，其通常在高速和低速兩個(gè)速度點(diǎn)上工作，也就是說該激振頻率只有兩個(gè)點(diǎn)，實(shí)際情況是,轉(zhuǎn)子在從高速向低速或從低速向高速調(diào)節(jié)過程中,其激振頻率會(huì)在高速點(diǎn)和低速點(diǎn)的范圍內(nèi)變化，而零部件的固有頻率很可能在該范圍內(nèi)與其重合。 在實(shí)際變速調(diào)節(jié)時(shí)，如在某一點(diǎn)位上出現(xiàn)振動(dòng)變大情況時(shí),可采取快速通過的方式，避開此點(diǎn)即可。這樣對(duì)于導(dǎo)焦除塵風(fēng)機(jī)來講，氣流激振的問題就簡化了 ,只需著重關(guān)注高速和低速兩個(gè)點(diǎn)位的激振頻率是否與轉(zhuǎn)子各部件的固有頻率重合即可。
在采用常規(guī)的轉(zhuǎn)子葉輪部件運(yùn)行時(shí),發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)大的振動(dòng)峰值。其中最主要的是前盤在185Hz時(shí)的響應(yīng),其固有頻率與高速時(shí)的氣流激振頻率相當(dāng)接近。
2.2采取措施
提高轉(zhuǎn)子葉輪部件的固有頻率達(dá)到400 Hz以上,則可以避免以上問題的出現(xiàn)。采用加強(qiáng)件修復(fù)后的轉(zhuǎn)子,增加其剛性,改變零件的固有頻率以避免在變速運(yùn)行下出現(xiàn)激振,使其固有頻率遠(yuǎn)避開葉片的通過頻率（即氣流激振頻率）,重點(diǎn)工作在于確定轉(zhuǎn)子葉輪各部件加強(qiáng)件的型式和加強(qiáng)部位,具體可參考相關(guān)文獻(xiàn)[4]。
3動(dòng)力設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)
由于該類動(dòng)力設(shè)備大部分為生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，建立遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)和能效運(yùn)行數(shù)據(jù)是十分必要的。該監(jiān)測系統(tǒng)一般采用3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集層、現(xiàn)場監(jiān)測層和信息顯示管理層組成，如圖6 所示。
3.1系統(tǒng)架構(gòu)
該遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)成C/S結(jié)構(gòu)的分布式系統(tǒng),現(xiàn)場設(shè)采集站，分別就近采集動(dòng)力設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù),并能在現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)這些采集站的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)匯總到遠(yuǎn)程服務(wù)器中，在遠(yuǎn)程服務(wù)器中可以查看所有設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的存儲(chǔ)、分析和判斷。
每個(gè)采集站可根據(jù)現(xiàn)場情況通過板卡或者模塊采集現(xiàn)場的模擬信號(hào)，如果采用數(shù)采模塊進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集,基本示意圖如圖7所示。主機(jī)通過RS-485串口關(guān)聯(lián)多個(gè)數(shù)采模塊（圖中模塊的數(shù)量和類型僅為示意圖）,進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。
如果采用數(shù)采板卡進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集,基本示意圖如圖8所示
如果通過數(shù)采模塊采集現(xiàn)場信號(hào),點(diǎn)數(shù)較多的話,則考慮到現(xiàn)場設(shè)備的通訊速度以及距離等問題,需合理安排每個(gè)串口級(jí)聯(lián)的模塊數(shù)量，并且容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包等問題,最終決定采用數(shù)采模塊與數(shù)采板卡混合的方式進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。對(duì)于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息（如溫度和振動(dòng)信號(hào)）,采用專業(yè)檢測公司研發(fā)的在線監(jiān)測裝置，其具備電信號(hào)RJ45網(wǎng)絡(luò)傳輸接口，便于通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成光信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸;對(duì)于動(dòng)力設(shè)備的工藝運(yùn)行參數(shù)（如流量、壓力、壓差、轉(zhuǎn)速等），則先通過對(duì)應(yīng)的流量傳感器、壓力變送器、差壓變送器以及轉(zhuǎn)速磁阻傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)，再將眾多的模擬量信號(hào)匯總到多通道的數(shù)采板卡中，其同樣具備電信號(hào)RJ45網(wǎng)絡(luò)傳輸接口，然后轉(zhuǎn)換成光信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸;而對(duì)于設(shè)備能效數(shù)據(jù)（如電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)和耗電量等），則先通過專業(yè)的電參量監(jiān)測模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換， 通過模塊的 RSs485 串口以Modbus協(xié)議上傳到具備多通道的串口服務(wù)器中，其同樣具備電信號(hào)RJ45網(wǎng)絡(luò)傳輸接口，然后轉(zhuǎn)換成光信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸。 最終的系統(tǒng)架構(gòu)簡圖見圖9。
需要特別說明的是，在實(shí)際工程項(xiàng)目中，碰到更多的是已經(jīng)具備了信號(hào)采集層和現(xiàn)場監(jiān)測層的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，只有簡單的信號(hào)顯示功能，沒有獨(dú)立的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，即缺少信息顯示管理層。對(duì)這類數(shù)據(jù)如何提取到遠(yuǎn)程獨(dú)立的狀態(tài)監(jiān)測，系統(tǒng)中有兩種方式:
第一種是在現(xiàn)場傳感器傳輸上來的模擬信號(hào)上加裝隔離模塊分出信號(hào),利用采集板卡采集后進(jìn)入現(xiàn)場工作站，把數(shù)據(jù)定時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器。
第二種是通過網(wǎng)絡(luò),直接從PLC中讀出相關(guān)種類的檢測數(shù)據(jù)后進(jìn)入現(xiàn)場工作站，把數(shù)據(jù)定時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器。
上述兩種方式的取舍看現(xiàn)場能否從PLC中獲取檢測數(shù)據(jù),盡量采取第二種方式,硬件投入較少。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10。
3.2系統(tǒng)功能
3.2.1 總體功能
(1)對(duì)動(dòng)力設(shè)備的狀態(tài)、性能、能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,提供監(jiān)測指標(biāo)的實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果
(2) 將處理后的實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行集中顯示，對(duì)設(shè)備的異常情況給予預(yù)警和報(bào)警,并保存數(shù)據(jù)的歷史記錄。
(3) 對(duì)設(shè)備各種重要數(shù)據(jù)提供趨勢曲線、報(bào)表等分析工具。
(4) 根據(jù)監(jiān)測指標(biāo)的實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果,為能效改善提供依據(jù)。
3.2.2特殊功能說明
( 1 ) 本系統(tǒng)有別于常規(guī)的監(jiān)測系統(tǒng)的方面主要在于增加了設(shè)備工藝運(yùn)行和能效數(shù)據(jù)的監(jiān)測和分析功能, 其信號(hào)采集的有效性和準(zhǔn)確性作為監(jiān)測和分析的基礎(chǔ)。尤其是氣體流量的在線測量很多場合采用節(jié)流裝置(如孔板、噴嘴、文丘里管等)的差壓測量方法，由于節(jié)流裝置流量計(jì)的不可恢復(fù)壓損占信號(hào)總壓的40%?80% ,而均速管流量計(jì)僅為2%?15% ,能耗比節(jié)流裝置流量計(jì)低；同時(shí)考慮到冶金行業(yè)動(dòng)力設(shè)備尤其是除塵風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，氣體介質(zhì)由于煙塵、濕度、高溫和黏性等因素的影響，在線測量條件比較惡劣，流量計(jì)測孔很容易結(jié)垢引起堵塞,更為嚴(yán)重的是,有些工藝系統(tǒng)中輸送介質(zhì)含有易燃、易爆等成分，這樣在拆卸和清洗檢測桿的過程中,必須停機(jī)離線清洗，在實(shí)際操作過程中會(huì)帶來很大的不便。因此本監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)出了方便拆卸、能夠不停機(jī)離線清洗的氣體流量均速管在線測量裝置(即橢圓巴流量計(jì))，其安裝示意圖見圖11。
同時(shí),為了能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地反映能源實(shí)際消耗狀況,本監(jiān)測系統(tǒng)采用了符合國家能源審計(jì)及節(jié)能監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)的三相電參數(shù)數(shù)據(jù)綜合采集模塊, 實(shí)時(shí)采集設(shè)備能耗數(shù)據(jù)，見圖12。
基于此，建立動(dòng)力設(shè)備系統(tǒng)氣動(dòng)性能和能效評(píng)估的在線定量分析系統(tǒng)，其監(jiān)測畫面如圖13 所示。
根據(jù)監(jiān)測指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果,得出流量變化、壓力變化、性能曲線偏移、效率變化和能耗方面的相關(guān)數(shù)據(jù)，生成包括工藝參數(shù)和能源消耗的報(bào)表(2017年5月19日?qǐng)?bào)表見表2)，為后續(xù)優(yōu)化調(diào)整和性能改善提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
(2)建立了轉(zhuǎn)子部件疲勞損壞產(chǎn)生振動(dòng)突變的故障分析方法。
振動(dòng)突變通常預(yù)示設(shè)備存在故障，它具有不可預(yù)見、難以捕捉的特性，必須結(jié)合振動(dòng)趨勢、運(yùn)行工況、振動(dòng)波形和頻譜、故障診斷經(jīng)驗(yàn)及其他因素，對(duì)設(shè)備進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)故障。
在轉(zhuǎn)子裂紋產(chǎn)生過程中，轉(zhuǎn)子本身的剛度發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子狀態(tài)不穩(wěn)，振動(dòng)值產(chǎn)生突變。一旦裂紋形成，使軸系振動(dòng)失穩(wěn)引發(fā)振動(dòng)突變，轉(zhuǎn)子兩端支撐軸承振動(dòng)都會(huì)有反應(yīng)。根據(jù)機(jī)組的不同特性，振動(dòng)異常主要表現(xiàn)為相位不穩(wěn)定、振動(dòng)值漂移等，見圖14 。
通過對(duì)有無裂紋葉片的振動(dòng)特性的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)葉片的固有頻率等一些特性發(fā)生明顯的變化,隨著裂紋深度的增加，葉片的固有頻率降低，此時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速降低時(shí),設(shè)備振動(dòng)值反而有增大的趨勢，并且在趨于穩(wěn)定前的擺動(dòng)振幅增大，穩(wěn)定后的振幅也增大,這些故障特征可以有效地幫助識(shí)別葉片裂紋的存在。
4今后的主要研究方向
(1) 動(dòng)力設(shè)備設(shè)計(jì)與研究必須在首先滿足安全可靠的前提下，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。隨著動(dòng)力設(shè)備的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越完善，自動(dòng)化程度也越來越高，由于各種因素的影響,有時(shí)設(shè)備會(huì)出現(xiàn)各種各樣的故障,甚至造成嚴(yán)重的災(zāi)難性事故, 因此必須進(jìn)一步加強(qiáng)動(dòng)力設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)方法研究與制造工藝革新,將其融會(huì)貫通到設(shè)備的全生命周期內(nèi)，使其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)與預(yù)期相符。
(2) 開展?fàn)顟B(tài)、性能、能效相結(jié)合的設(shè)備狀態(tài)判斷規(guī)則研究。設(shè)備運(yùn)行中需要對(duì)風(fēng)量、風(fēng)壓等進(jìn)行調(diào)節(jié)，以配合生產(chǎn)工藝的需要。調(diào)整過程中各參量間可能會(huì)出現(xiàn)匹配不合理情況,如出口壓力太高或流量偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)過多時(shí)，會(huì)出現(xiàn)喘振、湍流、脈動(dòng)等現(xiàn)象,造成系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定,引起設(shè)備狀態(tài)變化。此時(shí)可通過信息融合，找出設(shè)備狀態(tài)運(yùn)行信號(hào)與各工藝量變化之間的關(guān)系,在制定相應(yīng)的判定規(guī)則時(shí)增加判斷要素，最終準(zhǔn)確判斷故障，并在現(xiàn)場不同類型的動(dòng)力設(shè)備上進(jìn)行驗(yàn)證和完善[5]。
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