CN2145375Y - 风机叶片动态监测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及对风机叶片实现在线测量的仪 器，该仪器利用电磁感应原理对风机叶片的抖动量实 现数字化检测。该监测仪中包括磁感应式叶片振幅 传感器，叶片振幅值计数器，循环监测控制器，振幅状 态判定器和显示报警电路五部分组成。采集到的叶 振幅信号到计数器完成模数转换，由循环监测控制电 路实行循环测量，最终由振幅判定器求出叶片振幅的 真实值，该值与极限值比较后超标报警从而达到在线 监测的目的。

Description

本实用新型属于一种机械振动测量仪器，具体地说是利用电磁感应法测量动态物体中固定部件振幅的专用仪器，特别是应用于对风机叶片的振幅测量。

风机是广泛应用于矿山，冶金等行业的大型设备。特别在矿山，做为井下通风的主要设备常常需要24小时连续运转，停机即意味着重大事故会威胁矿井与矿工的安全。历年来，风机的事故性停机却屡屡发生，仅风机本身的损失都十分惊人。分析事故众多原因之中，由于叶片、叶杆的疲劳断裂，以及连接螺钉在长时间运行时松动占据了主要成份，如何及早地发现风机叶片的疲劳性损伤，早已成为本行业专家十分关注的问题。目前，该类损害的防止基本上采取定期检测的方法。每过一定时间设备维护人员要拆开风机取下叶片，用超声波等方法来检查是否出现微小的裂痕。然而，这种检测方法往往不能有效防止叶片撕裂事故，这是因为从出现裂痕到整个风机打的粉碎都在很短时间内完成。无限缩短检则周期又是不可能的。所以，风机叶片的断裂事故仍然经常发生，唯一的方法是实现对风机叶片状态的动态测量，监测风机的整个工作过程，使早期发现叶片（及叶片支杆）的疲劳损伤，然而，到目前所检索到的资料为止，还设有发现理想的风机叶片的在线测量方法和监测仪器。

本实用新型即提供一种利用电磁感应方法对叶片运行状态态下的相对振幅进行监测的专用仪器，并借此实现对叶片疲劳状态的在线监测，并准确检出已处于早期损伤的叶片，从而保证风机的安全。

高速旋转的风机叶片会受到强大的风阻力，在风阻力的作用下叶片整体（包括支杆）会产生形变，在风阻变化时由于叶片的弹性回复力共同作用使叶片相对于风机转轴产生相对振动。由于风机叶片大都做过精确的动平衡调试，所以叶片的形状，质量和受力状态都具有良好的一致性。因而每个叶片相对于转轴的振幅都有一个相对稳定的振幅。每个叶片振幅虽有差异，但没有数量级的差异，当风机叶片或支杆产生了微小的疲劳裂痕（有时因固定件的松动）则风机叶片的振幅会立即产生较大的变化，一般来说振幅会明显加大。此时做为叶片整体变化并不大，对动平衡未产明显影响，因而用一般测量手段很难发现。通过大量现场检测试验证明，这个振幅变化量可以做为疲劳损伤的先兆信号，为在线监测提供依据。本实用新型即根据以上的理论和试验结果而设计的。

本实用新型的基本思路是准确地将每个叶片的振幅随机监测出来，并在振幅达到临界值时能及时准确地报警。为实现以上目的，本监测仪在设计上包括以下几个基本组成部分：（1）振幅传感器。它主要用来采集叶片的振幅信号。当叶片一边转动，一边振动通过传感器时，其传感器接受到的扫描宽度即对应叶片振幅的宽度。由于处于振动状态的叶片接近传感器时有随机性，则可能会出现最大扫描宽度或最小扫描宽度（沿旋转方向叶片为最大位移时，叶片进入传感器的扫描区，并且沿旋转反向达到最大位移时离开传感器扫描区即会产生最大的扫描宽度，反之会得到最小扫描宽度）。这就决定了每次由振幅传感器导出的振幅宽度信号有一定范围内的随机性。只有多次重复测量中找出其最大值和最小值，其差值才和该叶片的真实振幅有必然的联系。这正是本实用新型的设计关键之一。（2）计数器。该计数器的功能要求将每次振幅传感器传过来的振幅宽度脉冲信号做为计数器时间控制信号，从而完成振幅度宽的模数转换。（3）循环监测控制器。该部分电路要求认准一个叶片做循环检测。从而得到一组数据，从中找出最大值与最小值。由此而最终求出叶片真实的振幅值。由振幅传感器引出的信号分一路送至循环监测控制电路做为同步触发信号，该信号经变换控制计数器中的计数开关和计数器清零，这部分电路中还将引出同步锁定信号送至振幅状态判定器中的锁存器，以锁存相关叶片由计数器2输出的振幅数据。（4）振幅状态判定器。该部分电路所起的作用是将计数器传出的振幅数据经过比较后分别送入大小数锁存器锁存再送到减法器中求出真实振幅值。（5）显示报警电路。经判定后的振幅数据信号分为两路输送至本部分电路中的数字显示器，另一路则送入报警电路与预置极限振幅相比较，超出标准值则触发报警电路工作。

根据以上的基本设计构思，即可实现对风机叶片不间断的循环监测。一旦出现振幅增大则立即声光报警并指示出疲劳损伤的叶片，从而避免灾难性事故的发生。下面结合附图给出的实施例进一步说明本实用新型的发明目的是如何实现的：

附图1是本实用新型结构框图。

图2是本实用新型的振幅传感器的结构原理图。

图3是本实用新型的实施例电原理图。

其中1是振幅传感器，2是计数器，2A为计数开关，2B为高频信号发生器，2C为加法器。3为循环监测控制器，3A为译码器，3B为小循环计数器，3C为大循环计数器。4为振幅状态判定器，4A为大数比较器，4B为大数锁存器，4d为小数比较器，4C为小数锁存器，4e为振幅判定器，5为显示报警电路，5A为显示器，5B为比较报警电路。L为磁感应线圈，P为铁芯，K为高强永磁体。

为达到本实用新型的发明目的，首要的问题将叶片在动态下相对于转动轴的振动幅度信号采集出来。显然，做为振幅传感器1是本实用新型的关键设计之一。附图2给出了这部分的实施例。从附图2可以看出，这部分包括一个电磁感应式探头，由它来传感叶片的振幅宽度，它采聚到的信号经放大电路和整形电路后转换为可以反应振幅宽度的矩形波信号送至计数器2和循环监测控制器3进一步处理。其中电磁感应式探头具体由一个代铁芯P的磁感应线圈L，高强永磁体K和整流二极管VD2，负向箱位二极管VD1组成，L并接载在直流电路中。铁芯线圈装在一个长圆柱形外壳内，永磁体K设在端面。应用时安装在风机外壳上使叶片顶端以可能的最小间隙接近磁感应探头中的永磁体K。转动中的风机叶片的端面接近探头端面时切割磁力线引起铁芯线圈内磁通量产生变化从而产生感应信号，该信号经VD加至放大电路。放大电路由三极管VT1、电阻R1、R2构成电压放大器，放大后的电压信号送到整形电路IC1，具体可由施密特触发器CD4093组成，经过整形将感应信号处理成为矩形脉冲信号，即做为振幅宽度信号送至计数器2做为其开关信号，另一路送到循环监测控制器4，做为同步触发信号。

为了完成量化测控，所设置的计数器2用来完成模数转换，该部分包括一个计数开关2A，高频信号发生器2B和加法器2C，共三部分。高频信号发生器2B为计数脉冲产生电路，它由一个集成电路CD4560，2MHz晶体，电阻R3及电容C1、C2组成一个高频振荡电路，可产生连续高频计数脉冲。计数脉冲通过计数开关2A送到加法器2C实现累加计数。2C可采用集成电路CD4518组成，计数开关2A是一个三与门，具体可由集成电路4075组成，三与门的三个输入控制线分别接至振幅传感器1，高信号发生器2B输出端和循环监测控制器中译码器的Q2输出端。当Q2端输出高电平时，风机叶片扫描探头区就会产生连续计数从而实现振幅的模数转换。

根据前面的风机叶片振动的分析知道，风机叶片通过探头时产生的扫描宽度有随机性，只有重复多次对某一叶片循环测量才可能得到真实的振幅值，循环监测控制电路即是完成这一控制过程。从附图3中可以看出这部分，由译码器3A，小循环计数器3B和大循环控制器3C三部分组成，译码器3A可由集成块CD4514组成，小循环计数器3B由集成块CD4520组成，大循环控制器由集成块CD4020组成，小循环计数器3B的输出信号Q1－Q4与译码器3A的地址D1－D4相连，译码器的输出信号Q2接至计数开关2A中三与门的一条控制线上，Q1则接至计数器2C的R端（清零端），由Q3引出锁定信号送到振幅判定器4，Q0端接至大循环控制器3C中的CP端，Qn端（n为风机叶片个数）与大循环控制器3C中输出信号Q8通过一个或门接至小循环计数器3B的R（清零）端，而来自振幅传感器1的同步控制信号加在小循环计数器3B的CP端。以上的结构设计当来自振幅传感器1的同步信号到达3B的CP端后，3A的Q1端首先输出高电平使计数器2C清零，下一个叶片至达探头扫描区后3A的Q1端输出高电平使计数开关2A打开在有效扫描时间内计数高频脉冲，完成模数转换。当第二个叶片离开探头扫描区后则计数中止。由于Qn的设置使得每经过n－1叶片后计数开关2C才能打开一次，所以保证了每一个小循环即对应风叶转一周只对一个确定的叶片进行一次监测。在这个过程中大循环控制器3C中 CP由于接在3A的Q0端所以其复计数中只有计数为128次（即对认定监测叶片完成128次测量）时，Q8转为高电平从而使小循环计数器2B复位，由于3C采用下降沿计数，所以3B得到的复位信号是3AQ0的下降沿或Q1的上升沿时刻所产生的，这样就使得3A的输出由Q0变为Q1再由Q1变到Q0从而错过了一个地址脉冲，也就使所测量的目标转换为下一个叶片。由此不断轮回形成每个叶片连续监测128次，每128次后换一个叶片的循环监测控制过程。

对一个叶片连续测得128数据，要从中找出最大值和最小值，然后相减从中取出反应叶片振幅的真正值，这就是振幅状态判定器4的任务。从附图3中可以看出该部分由大数比较器4A，大数锁定器4B，小数锁存器4C，小数比较器4d和振幅判定器4e五部分组成，具体电路是由集成块CD4585×4（4A），CD4042×4（4B），CD4042×4（4c），CD4585×4（4d），CD4560×4和CD4561（4e）搭接而成，由计数器2C送出的数字信号分4路引至4A、4B、4C、4D，（大小数比较器和锁存器）最终锁存的大小数量信号由4B、4C取出送至振幅判定器4e，在4e中由CD4560组成的全加器和CD4561组成的求补器求出差值做为叶片振幅的标识信号。锁存器（4B、4C）所需的锁存信号来自循环监测控制器3中译码器3A的Q3端，这样经过128次检测得出的数字信号中大数逐个替换进入4B，小数逐个替换进入4C，最终可得出振幅的终值。中间数值也可以通过各种显示或记录电路取出做为参考。

本监测仪的最后一部分是显示报警电路5，它由LED显示器5A和比较报警电路5B组成，由振幅判定器4e取出的振幅标识信号分为两路，一路送至LED显示器5A呈直观数字显示，便于观察记录，另一路送至比较报警电路5B，5B结构中包括一个比较器和一个由比较器输出信号触发的音频振荡电路组成，比较器是由集成块CD4585×2和一个拨盘开关组成。拨盘开关用来预置振幅的极限值，当来自振幅判定器4e的数字信号大于这个极限时会输出触发信号使报警器报警。同时也可以通过一系列技术措施和辅加电路锁定大循环控制器，连续重复监测某可疑叶片，使监测仪能准确地排除因坑道通气阻变化，电网电压波动等干扰信号，准确地监测到疲劳损伤叶片的在线状态。

根据以上设计构思组成的风机叶片动态监测仪，其在安装探头时可在某一风机叶片上加一小块永磁标记定为0号叶片，这样在检测过程中即可对故障叶片准确定位，探头安装完毕，即可实行风机叶片的24小时连续监测，极限数据的设定往往要根据每台内机的例行检测而最终确定，极限制确定以后整个监测仪即可转入正常工作，故障叶片的振幅数据并不是从正常值一下子跃到极限值的。应当由值班员在班记录下每个叶片的振幅值做为参考，这样一旦出现超标报警，可以根据记做辅助判断，以区别干扰防止误报警。

综上所述，以上的发明构思组成了一个完整的对动态叶片的监测仪器和可行的在线测量方法。根据反复试验现场观察，施行连续在线测量中可以准确在反应出各叶片的工作状态，特别是其实际抖动量及其变化过程。当其明确检出振幅超极限值后，经超声波复检，其疲劳损伤复合率在95％以上。且这种初期损伤到破坏性损伤一般要有相当长的时间（估计在几个小时到几天），因而，可以有效地防止风机叶片断裂事故的发生。本监测仪结构简单，操作判断方便，造价低廉，适合于单机配套及现场在线测量。所以，本实用新型将为风机的安全运行提供有力的保障。

Claims (8)

1、一种风机叶片运行状态监测仪，其特征在于该监测仪由振幅传感器1、计数器2、循环监测控制器3、振幅状态判定器4和显示报警电路5五部组成，由振幅传感器1采集到的叶片振幅宽度脉冲信号分两路，一路做为计数时间控制信号送至计数器2，另一路做为同步触发信号送至循环监测控制器3，由循环监测控制器3取出的计数控制信号送至计数器2，取出的同步锁定信号送到振幅状态判定器4，经判定后的振幅信号分两路，一路送至显示报警电路5中的数字显示器5A，另一路送至显示报警电路中报警电路5B。

2、根据权利要求1所述的监测仪，其特征在于振幅传感器1由电磁感应式探头，放大电路和整形电路三部分构成，整形形成的矩形波做为振幅的宽度信号送至计数器2和循环监测控制器3。

3、根据权利要求1或2所说的监测仪，其特征在于振幅传感器1中的电磁感应式探头由感应线圈L、铁芯P、高强永磁体K、整流二极管VD2、负向箝位二极管VD1组成，由叶片扫过探头端面引发的感应信号经VD2加至放大电路，放大电路采由三极管VT1、电阻R1、R2组成的电压放大器，放大后的电压信号送到整形电路IC1，整形电路IC1具体可由施密特触发器CD4093组成，经整形电路后的矩形脉冲信号做为振幅宽度信号送到计数器2和循环监测控制器4。

4、根据权利要求1所说的监测仪，其特征在于计数器2由计数开关2A，高频信号发生器2B和加法器2C三部分组成，计数开关2A由一个三与门CD4075组成，高频信号发生器由一个CD4060，2MHz晶体和电阻R3，电容C1、C2组成，加法器可采用CD4518组成，三与门的三条控制线分别接振幅传感器1，高频信号发生器2D和循环监测控制器3中的译码器3A中的Q2输出端。

5、根据权利要求1所说的监测仪，其特征在于循环监测控制器3由译码器3A、小循环计数器3B和大循环控制器3C三部分组成，译码器3A具体可由集成块CD4514组成，小循环计数器3B由集成块CD4520组成，大循环控制器3C由集成块CD4020组成，小循环计数器3B的输出信号Q1－Q4与译码器3A的地址D1－D4相连，译码器3A的输出信号Q2接到计数开关2A中三与门的一条控制线上，Q1接计数器2C的R（清零）端由Q3引出锁定信号至振幅状态判定器4，Q0端接至大循环控制器3C中的 CP端，Qn（n为风机叶片个数）端与大循环控制器3C的输出信号Q2通过一或门接至小循环计数器3B的R（清零端），来自振幅传感器1的同步控制信号加在小循环计数器3B的CP端。

6、根据权利要求1所说的监测仪，其特征在于振幅状态判定器4由大数比较器4A，大数锁存器4B，小数比较器4d，小数锁存器4c，振幅判定器4e五部分组成，具体电路可由集成块CD4585×4（4A），CD4042×4（4B），CD4042×4（4c），CD4585×4（4d），CD4560×4和CD4561（4e）搭接而成，由计数器2C送出的数字信号分4路同时送给大小数比较器和锁存器，锁存器（4B、4C）锁存信号来自循环监测控制器3中译码器3A的Q3端，大小数信号分别从大小数锁存器（4B、4C）中取出送至振幅判定器（4C），求出差值做为叶片振幅的标识数据。

7、根据权利要求1所说的监测仪，其特征在于显示报警电路5包括LED显示器5A和比较报警电路5B组成，由振幅判定器4e取出的振幅标识信号分两路，一路送至LED显示器5A呈数字化显示，另一路送至报警电路5B。

8、根据权利要求7所述的监测仪，其特征在于报警电路5B中包括一个比较器和一个由比较器输出信号触发的音频振荡电路，比较器可采用集成块CD4585×2和一拨盘开关组成。

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