邱楓

1 引言

設(shè)備是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)、創(chuàng)造價值的基礎(chǔ)，要想保證企業(yè)的正常安全生產(chǎn)，隧道必須保證生產(chǎn)設(shè)備的安全、高效、長周期的優(yōu)質(zhì)運行，這是企業(yè)獲得一切經(jīng)濟(jì)效益的根本保證。

風(fēng)機作為公路、橋梁、隧道運行中的重要機電設(shè)備。風(fēng)機和電機的振動不僅反映和體現(xiàn)設(shè)備的運行狀況，還可以顯示設(shè)備的性能、制造和安裝水平。通過對射流風(fēng)機加裝在線振動監(jiān)測系統(tǒng)，可以對風(fēng)機的運行狀態(tài)進(jìn)行有效地在線監(jiān)測，對設(shè)備當(dāng)前的運行狀態(tài)做出評估（屬于正常、還是異常），對異常狀態(tài)及時做出各級報警，并為進(jìn)一步故障分析診斷、設(shè)備性能評估等提供信息和數(shù)據(jù)。

2 風(fēng)機振動分析的意義

隨著各類風(fēng)機廣泛應(yīng)用于公路、橋梁、隧道的空氣通風(fēng)系統(tǒng)中，對風(fēng)機的振動要求也越來越高。異常的振動不僅產(chǎn)生噪音和損傷動設(shè)備部件，而且會加劇結(jié)構(gòu)疲勞，縮短使用壽命，嚴(yán)重的振動會造成隧道結(jié)構(gòu)的重大變形甚至結(jié)構(gòu)整體坍塌等嚴(yán)重后果。因此，控制和減小風(fēng)機的振動是非常重要的。

3 項目概況及問題描述

論文結(jié)合文一路地下通道工程機電設(shè)備健康監(jiān)測系統(tǒng)項目，研究風(fēng)機振動監(jiān)測異常信號故障診斷，文一路隧道位于中國杭州市西湖區(qū)，全線5.8km，隧道部分全長5.2km，分為南線和北線，全線安裝射流風(fēng)機101 臺，分布于矩形段、盾構(gòu)段和匝道。本次以北線西段其中2 組2 臺射流風(fēng)機為研究對象。風(fēng)機配置電機功率22KW，電機變頻調(diào)速最大轉(zhuǎn)速1450RPM，在實際運行過程中生產(chǎn)操作人員發(fā)現(xiàn)機組設(shè)備運行出現(xiàn)短暫的報警信號，且報警之后恢復(fù)穩(wěn)定，運行很不穩(wěn)定。機組整體振動幅值在風(fēng)機電機瞬間啟動時變化很大，時常造成在線振動連鎖保護(hù)裝置報警。機械、電氣人員多次現(xiàn)場檢查及更換相關(guān)部件均未能發(fā)現(xiàn)、解決問題。在此情況下，專業(yè)振動監(jiān)測人員使用視覺增強影像技術(shù)對射流風(fēng)機進(jìn)行了一系列現(xiàn)場測試，進(jìn)行專業(yè)分析，并與風(fēng)機振動監(jiān)測數(shù)據(jù)做對比，最終發(fā)現(xiàn)問題所在并提出改進(jìn)措施[1]。

4 射流風(fēng)機的結(jié)構(gòu)及工作原理

射流風(fēng)機由軸流風(fēng)機與消聲器組成，通常安裝在公路、鐵路隧道與地鐵中，通過產(chǎn)生高速氣流帶動周圍向前流動形成通風(fēng)，降低隧道中的廢氣污染，在緊急狀態(tài)下用于隧道內(nèi)的消防排煙。射流風(fēng)機運行時，將隧道內(nèi)的一部分空氣從風(fēng)機的一端吸入，經(jīng)葉輪加速后，由風(fēng)機的另一端高速射出。這部分帶有較高動能的高速氣流將能量傳送給隧道內(nèi)的其它氣體，量傳送給隧道內(nèi)力的壓氣，從產(chǎn)推動隧道內(nèi)的空氣順風(fēng)機噴射氣流方向流動。這樣，就實現(xiàn)了從隧道的一端吸入新鮮空氣，從另一端排出污濁空氣的目的。

圖1 射流風(fēng)機結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 射流風(fēng)機振動監(jiān)測測點布置圖

5 射流風(fēng)機主要設(shè)備參數(shù)

電機功率22KW，風(fēng)機功率21.5KW，風(fēng)量23.6m3/s，出口風(fēng)速30.1m/s，防腐等級IP55，直徑630mm，重量762kg，風(fēng)機風(fēng)扇葉片6 個。

6 射流風(fēng)機振動監(jiān)測系統(tǒng)描述

文一路地下通道工程風(fēng)機振動監(jiān)測系統(tǒng)對北線西段9 組18 臺射流風(fēng)機安裝無線風(fēng)機振動傳感器，并通過由隧道內(nèi)敷設(shè)的泄漏電纜及無線AP 設(shè)備所組成的無線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行振動數(shù)據(jù)的傳輸與采集，在運營管理中心端通過在服務(wù)器上部署智能監(jiān)測平臺實現(xiàn)對風(fēng)機振動狀態(tài)的實時查看、分析及預(yù)警。在線振動監(jiān)測提出完整的系統(tǒng)，并介紹系統(tǒng)各部分構(gòu)成及可實現(xiàn)的功能和目標(biāo)；提出完整的設(shè)備配置和各監(jiān)測元器件的性能特點，并提出振動監(jiān)測分析軟件的功能和特點。

振動傳感器具有強磁性并且為保證安全，用鋼絲固定于風(fēng)機底座處，采集箱內(nèi)配置必需的開關(guān)、電源模塊以及傳輸無線信號所需的無線AP 和交換機設(shè)備。所有傳感器信號均通過無縫連接的無線信號接入。

圖3 射流風(fēng)機振動監(jiān)測架構(gòu)圖

7 射流風(fēng)機振動異常信號描述

生產(chǎn)人員在日常管理和維護(hù)中發(fā)現(xiàn)，在安裝風(fēng)機振動傳感器18 臺風(fēng)機中，其中FJ06 和FJ07 這2 個機組在風(fēng)機啟動運行過程中時常出現(xiàn)預(yù)警、報警甚至高預(yù)警狀態(tài)，然后運行狀態(tài)恢復(fù)正常。

根據(jù)傳感器參數(shù)，平臺參考ISO_10816_3 標(biāo)準(zhǔn)：以10～1000Hz 范圍內(nèi)的振動速度有效值（RMS）為報警門檻值。

綠色：正常。

黃色：預(yù)警，＞2.3mm/s。

橙色：報警，＞4.5mm/s。

紅色：高報警，＞7.1mm/s。

圖4 FJ06 射流風(fēng)機垂直速度有效值時域圖

圖5 FJ06 射流風(fēng)機水平速度有效值時域圖

圖6 FJ07 射流風(fēng)機垂直速度有效值時域圖

圖7 FJ07 射流風(fēng)機水平速度有效值時域圖

通過對FJ06 和FJ07 兩臺機組時域圖的分析，可以明顯地看出速度有效幅值超過了報警閾值。根據(jù)2 臺機組的運行情況，生產(chǎn)人員進(jìn)行了多次現(xiàn)場檢查及維護(hù)，依然未能解決問題。

8 振動異常信號的測試方案及數(shù)據(jù)分析

通過視覺增強影像分析，機組運行模態(tài)如下：FJ06 風(fēng)機在啟機瞬間觀察到機組在水平、垂直方向“左右搖擺”“點頭”運動模態(tài)，啟機完成后現(xiàn)象消失，機組運行平穩(wěn)整體振動幅值較低。疑似氣流壓力脈動不均或轉(zhuǎn)子輕微動平衡不良（非結(jié)構(gòu)性）所致。

針對FJ06 和FJ07 兩臺機組出現(xiàn)的振動異常信號問題，本次測試控制電機轉(zhuǎn)速在542～1343rpm（9～22.38Hz）之間，共采集2組多時間段下的機組在風(fēng)機瞬間啟動時的振動數(shù)據(jù)。當(dāng)風(fēng)機啟動時，通過在現(xiàn)場安裝超高清攝像機進(jìn)行近距離實時錄像并通過智能監(jiān)測平臺實時采集的振動頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行同步分析來得出結(jié)論，進(jìn)行故障診斷。在該轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，機組振動幅值出現(xiàn)兩次明顯“跳躍”。當(dāng)射流風(fēng)機瞬間啟動運行時，在線振動值超過閾值導(dǎo)致報警，但此時現(xiàn)場檢測人員感知風(fēng)機風(fēng)筒與風(fēng)機平臺在瞬間啟動時振動強烈[2]。對此，論文針對機組視覺增強影像進(jìn)行分析。

（1）FJ06 風(fēng)機在啟機瞬間觀察到機組在水平、垂直方向“左右搖擺”“點頭”運動模態(tài)。

圖8 FJ06 射流風(fēng)機振動頻譜圖

（2）FJ07 風(fēng)機在啟機瞬間觀察到機組在水平、垂直方向“左右搖擺”“點頭”運動模態(tài)。

圖9 FJ07 射流風(fēng)機振動頻譜圖

（3）FJ07 風(fēng)機在啟機瞬間觀察到機組在水平方向“左右搖擺”運動模態(tài)，啟機完成后現(xiàn)象消失，機組運行平穩(wěn)整體振動幅值較低。疑似射流風(fēng)機底座安裝過程中出現(xiàn)彈性及氣流壓力脈動不均或轉(zhuǎn)子輕微動平衡不良（非結(jié)構(gòu)性）所致。

9 減小振動的措施

9.1 針對FJ06 振動“跳躍”的解決措施

（1）糾正葉片高度差，保證葉片安裝一致性，以減小葉片通過頻率激振力。

（2）增強齒輪箱水平和垂直方向的支承剛性。

（3）現(xiàn)階段盡可能避開電機轉(zhuǎn)速在822rpm（13.7Hz）±10%區(qū)間運行。

9.2 針對FJ07 振動“跳躍”的解決措施

當(dāng)電機轉(zhuǎn)速為1152rpm（19.2Hz）時，齒輪箱高速軸輸入端測點水平方向最大，達(dá)10mm/srms，主要頻率成分為電機轉(zhuǎn)頻1×。聯(lián)軸器兩端測點水平方向波德圖可見1×幅值在1152rpm（19.2Hz）附近明顯增大，偏離該轉(zhuǎn)速則明顯下降，且振動相位發(fā)生180°變化，轉(zhuǎn)子軸系在1152rpm（19.2Hz）附近過臨界轉(zhuǎn)速[3]。

10 結(jié)語

風(fēng)機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，引起振動的客觀因素較多，沒有直接通用的方法可利用。論文通過視覺增強影像分析手段，對產(chǎn)生振動的主要特征頻率和頻譜曲線詳細(xì)分析，對照風(fēng)機振動監(jiān)測數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及運行環(huán)境條件明確問題所在，并提出相應(yīng)的解決方案。最終篩選出簡易可行，可通過控制轉(zhuǎn)速和調(diào)整修正風(fēng)機底座，檢修風(fēng)機支架以實現(xiàn)減振目標(biāo)，如需徹底解決根本問題還要進(jìn)行多方面的測試及大量工作，至少視覺增強影像分析技術(shù)和風(fēng)機振動監(jiān)測技術(shù)的結(jié)合給我們提供了明確的方向及技術(shù)支撐。