冷却塔风机传动轴断裂监控系统设计

陈建平，闫传滨，周增瑞

(天津科技大学 机械工程学院，天津 300222)

冷却塔风机传动轴断裂监控系统设计

陈建平，闫传滨，周增瑞

(天津科技大学 机械工程学院，天津 300222)

为解决冷却塔风机传动轴运行过程中断裂甩出的问题，在分析传动轴断裂现象及原因的前提下，提出了在联轴器上安装扇形片，以槽型光电开关为信号采集元件，以可编程控制器为信号处理元件的传动轴断裂监控新方法;利用槽式光电开关反应速度快，不受环境光影响的特点，提高监测的精准性；利用交错的扇形片相互旋转时夹角缝隙对旋转角度的放大作用，将联轴器细微错位放大，提高系统监控的灵敏性;监测系统实现了对传动轴断裂的预先判断，程序控制风机停机报警，保护传动轴及相关设施。

传动轴；监控系统；冷却塔风机；可编程控制器

0 引言

冷却塔循环水系统是用水作为循环冷却介质，从一系统中吸收热量排放至大气中的装置。其传动轴细而长，易断裂，目前普遍使用的振动监测报警，由于在实际工况中，风机自身运行的平稳性有限，本身就有一定的振动存在，极易出现漏报误报等问题。为解决这种问题，设计一种新型的冷却塔风机传动轴故障监测系统，可以实时的监测传动轴的运行状态，及时的捕捉到传动轴即将断裂的信号，并停机报警，有效防止传动轴断裂事故的发生对保证工厂的安全生产具有重要的意义。

1 传动轴断裂现象及原因分析

冷却塔风机安装在冷却塔中，如图1所示，电机安装在塔外，电机通过传动轴与风机减速箱连接以传递动力，风机旋转增加空气的流速，加速水的冷却[1]。

图1 冷却塔风机结构图

传动轴是将电机的动力传递到风机减速箱上的传动装置。在生产中，由于使用时间长，频繁承受加减速冲击等原因，传动轴容易出现疲劳断裂，断裂后的传感轴易甩出破坏相关设施造成经济损失和安全事故。

根据对现场断裂的传动轴分析可见，传动轴并非在中间部分扭断，而是在旋转过程中，由于剪切力的作用，联轴器处的螺栓依次断裂，如图2所示，直到螺栓全部断裂后，传动轴一端与电机连接，另一端悬空，在电机的高速旋转下，传动轴甩出，对风机叶片及风筒等相关设施造成破坏，甚至将传动轴完全甩出塔外，对工人的人身安全造成威胁。

图2 现场被剪断的螺栓图

经过对多个断裂的传动轴研究分析发现，被甩出传动轴联轴器的螺栓孔均为扩大状态，如图3所示。可以判断出，传动轴断裂并非是发生在瞬间，首先发生的是两个联轴器之间形成较大的相对旋转位移，进而将螺栓剪断，最后传动轴出现断裂甩出。新提出的监控系统正是在两个半联轴器发生相对位移但传动轴并没有断裂时，自动停机并发出报警提示信号，提示工作人员检修，从而避免传动断裂甩出的事故发生，对企业的安全生产和保护工人安全起到了重要的作用。

图3 冷却塔风机结构图

2 检测方法的研究确定

经过对传动轴断裂原因的分析可知，监测到传动轴断裂的关键在于提前判断出两个半联轴器之间发生了相对位移。如图4所示，在两个联轴器上分别安装一片扇形片，此扇形片圆心角为180度，在扇形片的上侧安装槽型传感器，此槽型传感器为光电传感器，没有机械动作，反应灵敏。当槽内有遮挡物时，输出低电平，当槽内无遮挡物，即光可以从发射端直射到接收端时，输出高电平，可编程控制器可接收此信号，并对信号进行分析。

图4 传动轴断裂监测原理图

如图5所示，安全状态时，扇形片A和扇形片B构成360度圆片，形成遮挡状态，槽型传感器的接收端不能接收到发射端发射的光信号，可编程控制器对这种信号判断为安全状态。

图5 传动轴运行状态监测图

当传动轴即将断裂时，两片联轴器发生角度扭转，这种扭转是非常微小的，但是在扇形片的边缘位移等于旋转角度与半径的乘积，从而将变化量放大，便于监测，本文所设计的监测方法，正是利用这种原理将微小的转动放大为可以监测到的缝隙，从而实现传动轴断裂的安全监控。判断过程为：传动轴联轴器螺栓将要断裂而达到屈服状态时产生变形，致使两片联轴器发生微小的相对扭转时，扇形片A与扇形片B之间就会出现较大缝隙，从而使槽形传感器监测到信号，将此信号传递给可编程控制器，可编程控制器判断此种状态为危险状态，即刻报警并停机，提示工作人员检修，保证冷却塔风机的运行安全。

3 监测方法的特点

此方法使用对射式槽型传感器，传感器的发射端与接收端为一体式，从而保证了发射端与接收端的严格正对，不受振动和安装误差影响。槽型传感器光电触发无机械动作，反应速度快，不受环境光影响，从而使整个系统的可靠性大大提高。另外，此监测方法中安装扇形片到两个联轴器上，利用旋转微小角度时扇形外缘会有较大位移量的特点，对传动轴的错位放大以便传感器监测，此方法简单有效。而且，使用此方法后，对可编程控制器CPU的处理能力和编程人员的水平要求降低，由于传动轴旋转速度高，每次采集信号后，都需要对信号进行大量的计算处理，如果PLC的CPU处理能力不足，长时间运行会造成数据积累，影响监测的稳定性，而此方法则对PLC的性能降低了要求，对所采集的信号经简单处理后即为判断结果，大大提高了系统监测的稳定性和报警准确性。

4 系统设计

4.1 监控系统硬件设计

如图6所示，此系统塔上部分包括传动轴监测槽型传感器和油温油位等其他功能传感器，控制室内安装上位机及下位机，上位机采用触摸屏操控系统，下位机采用S7-200PLC，PLC与触摸屏之间采用PPI通信协议，通过触摸屏可设定风机运行参数及监控参数，同时显示冷却塔风机的传动轴状态和油温油位的报警信息。PLC除监控风机的各种安全状态外，还对风机的变频器有控制作用，通过对水温的判断，改变风机变频器的频率，控制水温保持在一定范围内，其主要功能为，当PLC根据接收到的信号判断出类似传动轴即将断裂等安全隐患信息时，会控制风机停机并发出报警信号。

图6 传动轴监控系统硬件组成

4.2 监控系统软件设计

下位机PLC程序采用STEP 7 MicroWIN软件进行编写，程序的主要功能包括控制风机启停、变频、监控，该传动轴监控的设计[2]，软件编写的主要依据为，可编程控制器在每个扫描周期内均对输入接口进行扫描，安全状态时，输入接口为无输入状态，当传动轴发生相对转动，即达到即将断裂时，槽型传感器监测到信号，并改变状态输入到可编程控制器中，可编程控制器快速判断为危险状态，立即停机并发出声光报警信号，提示工作人员检修[3]。

上位机程序采用触摸屏编写软件EasyBuilder8000编写，如图7所示，上位机上主要显示风机的运行状态，传动轴的安全状态及油温油位的安全状态，并且可以通过上位机对风机进行启停操作以及各参数的修改[4]。

图7 实时监控界面

5 试验结果与分析

由于传动轴断裂报警不是频发事件，所以需要模拟出传动轴即将断裂的实验环境，对系统的可行性进行测试。

如图8所示，通过将扇形片安装时预留一定的相对扭转角度来模拟出传动轴即将断裂的状态。

图8 试验变量示意图

通过实验，测得以下数据，见表1。

表1 传动轴断裂检测实验数据

通过实验数据，可得出以下结论，此系统可以实现对传动轴断裂的预警停机作用，当两片扇形片之间的相对扭转角度大于等于1度时，传动轴预警系统报警并停机，有效的杜绝了传动轴断裂产生的安全风险。

6 结束语

本文在分析冷却塔风机传动轴断裂现象及原因的基础上，提出了一种新的监测方法，此方法有效提高了传动轴断裂监测的稳定性和报警准确率，并根据此方法设计出了可实际应用的监测系统，本监控系统已经在天津石化工厂应用，经过生产实际检验，对传动轴故障监测无误报漏报，预警停机效果明显，避免了出现其它方法存在的误报漏报等现象，提高了系统的可靠性，得到了企业的认可，具有良好的推广应用前景。

[1] 黎才斌.冷却塔风机故障的诊断[J].风机技术,2004(2):60-61.

[2] 朱文杰.S7-200PLC编程设计与案例分析[M]. 北京：机械工业出版社，2009.

[3] 王永华. 现代电气控制及PLC应用技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[4] 殷 飞,丁维明.组态软件设计中的模式研究[J].计算机测量与控制,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 年应用基础及前沿技术研究计划重点基金资助项目(10JCZDJC23300)。

陈建平(1961-)，男，河北保定人，硕士研究生，副教授，主要从事自动机械与测控技术方向的研究。

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

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