本发明涉及公路、铁路及地铁隧道领域吊装射流风机不同工况下支架、底座等设备紧固件松动故障的在线监测预警，尤其是一种吊装射流风机松动故障监测预警装置及方法。
背景技术：
射流风机是一种特殊的轴流风机，由集流器、消声器、整流罩、叶轮、叶轮断组成，主要用于公路、铁路及地铁等隧道的纵向通风系统中，提供全部的推力；也可用于半横向通风系统或横向通风系统中的敏感部位，如隧道的进、出口，起诱导气流或排烟等作用。由于射流风机的通风功能和效果要求，绝大部分射流风机安装位置在隧道顶部，位于隧道中公路、轨道正上方。
射流风机经常启停、旋转振动、受活塞风冲击振动，且数量大、分布广。风机一旦出现结构松动，不易为检修员察觉。当前设备维护依靠定期人工巡检，效率低、正确性差，不能及时预警，造成巨大的人工负担。如果风机松动没有及时预警并进行加固，它将时刻威胁着下方的交通工具和乘客人生安全，掉落冲撞汽车、列车将造成重大事故。现有松动检测技术分为两种。一种是依靠压电感应元件，直接检测螺栓连接处的变化，从而直接反应该处螺栓的紧固情况，现有技术仅可检测螺栓紧固部位，焊接部位无法实现检测，且对于多个螺栓固定的设备，监测点数量多难度大。另一种是依靠振动信号进行频谱、趋势等方式分析，吊装射流风机一般功率体积较小，相较于汽轮机发电机等大型旋转机械频谱特性不明显且紧固状态下图形也会有不同，此方法稳定性较差且易产生误报警和不报警现象，且只能在风机运行的时候才有效，无法做到实时监测预警。因此针对于隧道领域的悬挂设备，其安装连接结构多样化，紧固螺栓多，松动情况复杂，风机数量多分布广，需要设计一种安装方便，检测高效的实时故障监测预警方法。
技术实现要素：
发明目的：为解决上述技术问题，本发明提出一种吊装射流风机松动故障监测预警装置及方法，能够实现远程网络化、实时在线监控与健康管理。
技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出的技术方案为：
一种吊装射流风机松动故障监测预警装置，包括：传感器单元、信号采集器、信号集中器和上位机；
每台射流风机配备两个传感器单元和一个信号采集器，两个传感器单元分别设置在对应射流风机的进口和出口处，分别用于采集射流风机进口、出口的振动信号和三轴向上的加速度信号；
信号采集器与对应的两个传感器单元相连，将传感器单元采集到的信号依次进行调理、放大、抗混滤波、a/d转换，将数字化后的振动信号和三轴向加速度信号与预先保存的风机编号打包为对应风机的监测数据并上传至信号集中器；
信号集中器将接收到的监测数据汇总上传至上位机，上位机通过因特网与外部的中控系统交互，将监测数据上传至中控系统，用于后台监控；同时，上位机根据预先设置的预警条件和接收到的监测数据，判断对应的风机是否发生松动，当判定某一风机松动时，向远程监测中心发送松动预警信号，预警信号中包括故障风机的编号。
本发明还提供一种采用上述装置实现吊装射流风机松动故障监测预警的方法，包括步骤：
(1)通过设置在射流风机进口、出口处的传感器单元采集射流风机进口、出口的振动信号和三轴向上的加速度信号；采集方法包括：
在初始状态，即射流风机处于正式运行之前的紧固状态时，通过传感器单元采集射流风机进出口在不同工况下的振动信号和三轴向上的加速度信号，并通过信号采集器和信号集中器将采集到的信号上传至上位机；
在射流风机正常运行后，实时采集射流风机进出口处不同工况下的振动信号和三轴向加速度信号，并通过信号采集器和信号集中器将采集到的信号上传至上位机；
(2)上位机根据初始状态下的采集数据设置参考数据：
上位机根据采集到的初始状态各工况下的振动信号，设置各工况下振动信号的振动量阈值区间，作为用于判断射流风机工况的参考数据，各种工况对应不同的振动量阈值区间；上位机将采集到的射流风机进、出口三轴向加速度信号分别映射为射流风机进、出口的初始松动系数，即每种工况对应一个进口初始松动系数和一个出口初始松动系数；上位机基于初始松动系数设置每种工况的松动系数阈值，作为用于判断射流风机是否松动的参考数据；
(3)上位机根据风机工作状态下实时采集的数据判断风机状态：
上位机首先根据实时采集到的振动信号落入的振动量阈值区间，判断出射流风机的工况；然后根据实时采集到的射流风机进、出口三轴向加速度信号计算进、出口的实时松动系数，并与对应工况下的松动系数阈值比较；若存在连续的时间段t内，实时松动系数始终大于对应的松动系数阈值，则判定风机松动，此时，上位机向中控系统发送松动预警信号。
进一步的，所述工况包括：静止、运行和活塞风冲击。
进一步的，所述松动系数的计算方法为：
(4-1)定义任意一个三轴向加速度信号为ax,ay,az，其中，ax为x轴向的加速度信号，ay为y轴向的加速度信号，az为z轴向的加速度信号；
(4-2)分别将x轴向、y轴向和z轴向上的加速度信号映射为对应轴向上的松动系数分量：
式中，ai为轴向i上的松动系数分量，x表示实时采集到的该轴向上的加速度信号电压值，max和min分别为该轴向上加速度信号的最大电压和最小电压；
(4-3)将x轴向、y轴向和z轴向上的松动系数分量的和作为所述三轴向加速度信号的松动系数。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
本发明通过各信号集中器和大量的信号采集器，对大量广域分布的吊装射流风机实现了远程网络化在线实时监控，对所有风机的状态、姿态、松动故障实现统一管理，并有效指导设备维护工作，有针对性的开展维修工作，大大提高工作效率节约人工，实现风机的健康管理和按需维护。
附图说明
图1为实施方式原理图；
图2为风机结构示意图；
图3为一体式传感器外形图；
图4为一体式传感器安装图；
图5为信号采集器外形图；
图6为信号集中器外形图；
图7为风机紧固状态和a侧松动时的姿态对比图；
图8为风机紧固状态和b侧松动时的姿态对比图；
图9为风机静止时松动前后差异图；
图10为风机运行时松动前后差异图；
图11为风机松动系数趋势图。
具体实施方式
本发明针对于隧道领域的悬挂设备，其安装连接结构多样化，紧固螺栓多，松动情况复杂，风机数量多分布广的特点，设计了一种安装方便、检测高效的实时故障监测预警方案。下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明采用振动姿态分析手段，提出姿态和振动相结合的综合松动故障判断法，完成对各监测风机振动和姿态的分散监测、集中分析预警、综合运维保障及管理，实施方式原理图如图1所示。本实施例中采用的吊装射流风机松动故障监测预警装置包括：传感器单元、高速动态信号采集器、信号集中器、上位机。
如上所述的吊装射流风机，其结构示意图、安装结构如图2所示，u型支架通过螺栓固定至顶部预埋钢板(a侧)，风机支架通过减震器压装于u型支架上，风机通过螺栓与风机支架紧固连接(b侧)。
分别采用2只如图3所示的传感器单元安装于风机进出口，传感器单元安装示意图如图4所示，4个ф2.5安装孔，外形尺寸：20.5*20.5*8(m3)。传感器单元用于监测风机进出口x，y，z三方向上的振动信号和加速度信号。
所述的高速动态信号采集器如图5所示，用于完成对风机进出口x，y，z三方向上振动信号和加速度信号的调理、放大、滤波、采集、数字化及传输。
所述信号集中器如图6所示，信号集中器与信号采集器通讯，将各风机状态集中转发至上位机，以便进行松动分析。
本发明根据松动姿态特征，设计风机松动分析算法，经过对风机振动采集、姿态分析的综合分析，判断是否需要对监测风机进行松动预警。当信号集中器检测到某台风机松动后，信号集中器将就地报警指示，并通过网络上传至中控系统，由中控系统执行风机状态监控工作。
中控系统监控所有吊装射流风机，对所有风机状态进行实时监控管理，当接收到上位机的预警信号及相关信息后，中控系统将显示松动风机位置、松动情况，并提示维护工作。
如图7和图8所示，当风机安装固定后，传感器单元在重力加速度影响下在x，y，z三个方向上分别输出三个加速度分量；当a侧或b侧螺栓发生松动时，风机本体会发生角位移即发生倾斜，安装在风机两侧的传感器单元输出的三个加速度分量就会发生变化。
本发明对不同工作状态下(静止、运行和活塞风冲击下振动)紧固风机三个方向加速度进行初始化记录，并对相应参数运行区间进行自动标定，从而自动设定报警阈值和超限时间范围。当各个特征参数超出常规运行范围报警阈值及超限时间范围时，系统发出预警信息，具体步骤为：
(1)通过设置在射流风机进口、出口处的传感器单元采集射流风机进口、出口的振动信号和三轴向上的加速度信号；采集方法包括：
在初始状态，即射流风机处于正式运行之前的紧固状态时，通过传感器单元采集射流风机进出口在不同工况下的振动信号和三轴向上的加速度信号，并通过信号采集器和信号集中器将采集到的信号上传至上位机；
在射流风机正常运行后，实时采集射流风机进出口处不同工况下的振动信号和三轴向加速度信号，并通过信号采集器和信号集中器将采集到的信号上传至上位机；
(2)上位机根据初始状态下的采集数据设置参考数据：
上位机根据采集到的初始状态各工况下的振动信号，设置各工况下振动信号的振动量阈值区间，作为用于判断射流风机工况的参考数据，各种工况对应不同的振动量阈值区间；上位机将采集到的射流风机进、出口三轴向加速度信号分别映射为射流风机进、出口的初始松动系数，即每种工况对应一个进口初始松动系数和一个出口初始松动系数；上位机基于初始松动系数设置每种工况的松动系数阈值，作为用于判断射流风机是否松动的参考数据；所述松动系数的计算方法为：
1)定义任意一个三轴向加速度信号为ax,ay,az，其中，ax为x轴向的加速度信号，ay为y轴向的加速度信号，az为z轴向的加速度信号；
2)分别将x轴向、y轴向和z轴向上的加速度信号映射为对应轴向上的松动系数分量：
式中，ai为轴向i上的松动系数分量，x表示实时采集到的该轴向上的加速度信号电压值，max和min分别为该轴向上加速度信号的最大电压和最小电压；
3)将x轴向、y轴向和z轴向上的松动系数分量的和作为所述三轴向加速度信号的松动系数；
(3)上位机根据风机工作状态下实时采集的数据判断风机状态：
上位机首先根据实时采集到的振动信号落入的振动量阈值区间，判断出射流风机的工况；然后根据实时采集到的射流风机进、出口三轴向加速度信号计算进、出口的实时松动系数，并与对应工况下的松动系数阈值比较；若存在连续的时间段t内，实时松动系数始终大于对应的松动系数阈值，则判定风机松动，此时，上位机向中控系统发送松动预警信号。
如下图9、10所示，松动系数是设备在各方向上的加速度的特征参数，振动量用于区分设备当前状态是静止、运行和活塞风冲击下振动。
由图9、10所示松动案例，对比风机未松动时的松动系数，松动后的松动系数趋势图发生变化，风机未松动松动系数为0.00，当设备发生松动并维持一个姿态不变时，如图11所示，松动系数从0.00进过一段时间变大为0.80左右。
上述方案中，传感器单元包括三轴加速度传感器和振动传感器。
综上所述，本发明公开了一种吊装射流风机在长时间悬挂、旋转运行、列车运行时的隧道风冲击的过程中，造成其松动故障的监测预警方法，包含以下步骤：(1)传感器单元监测风机进出风口振动和姿态变化；(2)采用高速动态信号采集器进行振动和三轴加速度的数据采集、调理、a/d转换、数字化传输；(3)采集器将振动和三轴加速度的数字信号传输至集中器，由集中器进行汇总，汇总后转发给上位机，上位机对得到的监控数据进行分析，实现吊装射流风机松动的判别与监测，通过对比吊装射流风机紧固初始姿态及振动属性，监测分析值超过设定的阀值及超限时间范围，系统自动进行松动故障预警。本发明可远程在线实时监测吊装射流风机的紧固情况，适用于风机在各种状态下且杜绝误报警和不报警现象，无需监测单台风机的单个紧固点，节约大量人工检测所耗费的时间和人力，并为风机检修加固提供丰富的数据支持，真正做到按需、定位检修。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。