地鐵大型軸流風(fēng)機故障診斷系統(tǒng)研究及應(yīng)用

趙明珠，李合林

（北京市地鐵運營有限公司，北京 100044）

0 引言

地鐵大型軸流風(fēng)機是城市軌道交通重要的機電設(shè)備，一般設(shè)于車站兩端或隧道區(qū)間內(nèi)，用于車站、區(qū)間隧道通風(fēng)及事故排煙，可實現(xiàn)雙向（正、逆轉(zhuǎn)）運行，風(fēng)機每天可連續(xù)運行8 h 以上，單風(fēng)機運行或雙風(fēng)機并聯(lián)運行。同時，還可在火災(zāi)工況下滿足在280 ℃時連續(xù)工作≥1 h。

1 地鐵大型軸流風(fēng)機故障診斷技術(shù)簡介

過去，地鐵軸流風(fēng)機常采用傳統(tǒng)的振動分析技術(shù)，常采用一些常規(guī)的多階頻譜信號來掩蓋故障信號，如轉(zhuǎn)子不平衡振動的多階頻譜和齒輪嚙合振動的頻譜等，導(dǎo)致對振動和沖擊信號的分析結(jié)果不太理想。北京地鐵采用了共振解調(diào)技術(shù)，共振解調(diào)技術(shù)[1]是在振動檢測分析技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它不是通過直接分析診斷信號的頻譜，而是通過設(shè)置共振頻率遠高于常規(guī)頻率的“共振器”。當(dāng)吸收并重新分配振動沖擊信號的能量時，可以通過解調(diào)來再現(xiàn)原始的清晰的故障沖擊信號，并找到故障的位置和故障組件。共振解調(diào)技術(shù)具有良好的特性，共振波與沖擊波逐一對應(yīng)，共振波幅度與沖擊幅度成正比，共振波相對沖擊波變寬，共振波的能量相對沖擊波落在其頻帶內(nèi)的能量被放大，共振解調(diào)波是低頻波形，對共振波解調(diào)作FFT 分析，共振解調(diào)波的頻譜具有多階性。

基于上述特性，只需研究共振解調(diào)波及其頻譜，對各部件的機械結(jié)構(gòu)、運動規(guī)律進行研究，輔以常規(guī)振動分析，即可建立診斷軸承等部件的數(shù)學(xué)模型，就能從定性、定位和定量的角度，方便地識別地鐵軸流風(fēng)機電機、葉輪葉片、地腳螺栓等關(guān)鍵機械部件故障。

以“廣義共振/共振解調(diào)技術(shù)”為基礎(chǔ)，輔以常規(guī)振動分析技術(shù)，地鐵大型軸流風(fēng)機在線故障診斷系統(tǒng)實現(xiàn)了對軸流風(fēng)機電機、葉輪葉片、地腳螺栓等關(guān)鍵機械部件的在線狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。展示了地鐵軸流風(fēng)機在線故障診斷系統(tǒng)在預(yù)防軸流風(fēng)機故障和減少損失方面有良好的應(yīng)用價值，通過加裝該類系統(tǒng)把地鐵軸流風(fēng)機的定期大修過渡到狀態(tài)維修。

2 故障診斷內(nèi)容及分類標(biāo)準(zhǔn)

軸流風(fēng)機在線故障診斷系統(tǒng)對故障振動沖擊信息進行分析診斷，對軸承滾動工作面故障、葉輪葉片、地腳螺栓松動等故障進行報警。沖擊強度報警限制值標(biāo)準(zhǔn)見表1，振動強度限制值參照JBT 8689—1998《通風(fēng)機振動檢測及其限值》標(biāo)準(zhǔn)，見表2。表中振動加速度單位為m/s2（rms）。

表1 軸承及軸系沖擊強度報警限制值標(biāo)準(zhǔn)

表2 JBT 8689—1998 通風(fēng)機振動檢測及其限值標(biāo)準(zhǔn)

其中修正內(nèi)外環(huán)相對運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速N［r/min］、軸承軸徑D［mm］對于沖擊值SV 的影響，建立的故障強度（級差）公式：

式中 AdB——修正值

N——運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，r/min

D——軸承軸徑，mm

SV——沖擊值

3 地鐵軸流風(fēng)機在線故障診斷系統(tǒng)介紹

軸流風(fēng)機機械故障主要有軸溫升高、風(fēng)機振動大、異常聲響等，而這幾類故障都與軸承故障有關(guān)，或者都是因軸承故障而引起的進一步故障現(xiàn)象。出廠加裝的傳感器主要監(jiān)測電機軸溫、繞組溫度、機殼及電機振動，沒有故障診斷措施且監(jiān)測物理量存在較大局限性，具體如電機軸承溫度報警屬于事后報警，軸承超溫報警時，軸承已出現(xiàn)嚴重損傷；風(fēng)機機殼振動監(jiān)測，無法做到故障診斷功能；電機常規(guī)振動監(jiān)測，可實現(xiàn)一些故障診斷功能，但無法精確診斷故障源的位置。

基于地鐵軸流風(fēng)機在線故障診斷需求研制的一種在線實時檢測系統(tǒng)，通過軸流風(fēng)機關(guān)鍵機械部件上的各類傳感器，對軸承各個緯度的沖擊、振動進行監(jiān)測，同時掌握溫度變化，利用“廣義共振與共振解調(diào)”技術(shù)，對關(guān)鍵機械部件實現(xiàn)早期預(yù)警和分級報警。為軸流風(fēng)機的安全運行及狀態(tài)維修提供技術(shù)手段。

系統(tǒng)主要監(jiān)測功能包括對地鐵軸流風(fēng)機關(guān)鍵部件機械故障（葉片碰磨、電機軸承故障、地腳螺栓松動、轉(zhuǎn)子不平衡等）的準(zhǔn)確識別和早期預(yù)警，并實現(xiàn)分級診斷。同時基于實時故障診斷和詳細數(shù)據(jù)分析，并輸出維修指導(dǎo)建議，從而實現(xiàn)遠程故障診斷、振動改變的發(fā)生以及趨勢走勢發(fā)展、各類信息的統(tǒng)計分析等功能。

通過診斷：可識別故障的類型、找到有故障的零件、并評估故障的程度，故障診斷可以精確到電機軸承的內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架等；振動、沖擊、溫度的綜合決策可以提高故障診斷的準(zhǔn)確性，通過歷史與趨勢分析對比，判定軸流風(fēng)機運行狀態(tài)，適時展開狀態(tài)維修，節(jié)約維修成本。

系統(tǒng)在軸流風(fēng)機測點布點如圖1 所示，監(jiān)測軟件界面如圖2 所示。

圖1 地鐵軸流風(fēng)機監(jiān)測與測點布點方案

圖2 地鐵軸流風(fēng)機在線故障診斷軟件主界面

4 地鐵軸流風(fēng)機在線故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用實例

4.1 軸流風(fēng)機軸承故障診斷案例

地鐵團結(jié)湖站區(qū)加裝的軸流風(fēng)機在線故障診斷系統(tǒng)后，系統(tǒng)自動診斷報電機前端（驅(qū)動端）軸承外環(huán)故障，從圖3 電機前端單樣本原始數(shù)據(jù)和趨勢數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該軸流風(fēng)機關(guān)端軸承外環(huán)故障特征明顯，且外環(huán)故障特征趨勢連續(xù)，故障沖擊強度（級差）達到了外環(huán)內(nèi)滾道報警標(biāo)準(zhǔn)，分析確認了故障的存在。

圖3 地鐵團結(jié)湖站區(qū)ZSF-B 地鐵軸流風(fēng)機前端軸承故障數(shù)據(jù)

對地鐵團結(jié)湖站區(qū)SZF-B 地鐵軸流風(fēng)機前端軸承進行更換，分解檢查如圖4 所示，軸承故障得到了確認，在線監(jiān)測系統(tǒng)對更換新軸承的軸流風(fēng)機進行監(jiān)測，前端軸承報警和相應(yīng)的特征趨勢信息消失，基本確認了故障診斷。

圖4 地鐵團結(jié)湖站區(qū)ZSF-B 地鐵軸流風(fēng)機前端軸承

4.2 軸流風(fēng)機機座松動故障診斷案例

地鐵宋家莊站區(qū)間加裝的軸流風(fēng)機在線故障診斷系統(tǒng)后，從振動趨勢上查看最大達到47.45 mm/s，時頻域數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的振動并無固定周期性且振動量值波動較大，頻譜在1 階附近波動；軸流風(fēng)機電機非傳動端沖擊波形中有明顯的沖擊信息，但沖擊頻譜并不是軸承故障信息；電機非傳動端動不平衡軸心軌跡偏心量達到了0.125 mm，存在明顯的動不平衡，主要體現(xiàn)在水平方向。傳動端偏心量為0.0198 mm，比非傳動端小。綜合振動、沖擊、動不平衡信息分析認為軸流風(fēng)機電機非傳動端存在電機或地腳螺栓松動。隨即對電機固定地腳固定螺栓進行檢查，發(fā)現(xiàn)軸流風(fēng)機外殼地腳螺栓均存在不同程度的松動現(xiàn)象。對軸流風(fēng)機外殼地腳螺栓逐一進行固定，地腳螺栓固定方式如圖5 所示。

圖5 地鐵軸流風(fēng)機外殼地腳螺栓松動后固定

通過對軸流風(fēng)機外殼地腳固定螺栓緊固后，開機再次采集軸流風(fēng)機振動狀態(tài)，非傳動端水平振動值立即從40 mm/s 降到20 mm/s，則如圖6 所示振動趨勢變化明顯。

圖6 軸流風(fēng)機外殼地腳螺栓松動處理前后振動趨勢對比

5 地鐵軸流風(fēng)機狀態(tài)維修報警標(biāo)準(zhǔn)研究

從定性（故障位置）和定量（幅值）的角度，研究了軸流風(fēng)機的幾何學(xué)結(jié)構(gòu)和運動學(xué)規(guī)律，建立了診斷軸承故障的數(shù)學(xué)模型，并進行了確定性的診斷、預(yù)警和故障報警。根據(jù)軸流風(fēng)機現(xiàn)場安裝的具體情況，結(jié)合在鐵路及城市軌道交通領(lǐng)域的運用經(jīng)驗及實際現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)情況，確定各類診斷報警標(biāo)準(zhǔn)（暫行），具體標(biāo)準(zhǔn)如下：

5.1 沖擊診斷報警標(biāo)準(zhǔn)

具體報警門限見表3。

表3 故障部件預(yù)報警門限

5.2 振動監(jiān)測報警標(biāo)準(zhǔn)

具體報警門限見表4。

表4 振動通道報警門限值

5.3 不平衡監(jiān)測報警標(biāo)準(zhǔn)

具體報警門限見表5。

表5 不平衡報警門限

6 結(jié)束語

經(jīng)過兩年的研究與應(yīng)用，軸流風(fēng)機在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)實現(xiàn)了對軸承各個緯度的沖擊、振動進行監(jiān)測，結(jié)合對溫度變化的監(jiān)測分析，對關(guān)鍵部件實現(xiàn)了早期預(yù)警和分級預(yù)警，為提升地鐵站軸流風(fēng)機運行安全及維護管理水平提供了一種先進可靠的技術(shù)手段。通過一系列既有線路軸流風(fēng)機在線監(jiān)測的改造，在逐步完成大數(shù)據(jù)積累、統(tǒng)計及分析的基礎(chǔ)上逐步建立風(fēng)機運行與車站和區(qū)間通風(fēng)效果、風(fēng)機狀態(tài)參數(shù)的精確性匹配與協(xié)調(diào)關(guān)系，以實現(xiàn)故障診斷、在線監(jiān)測、狀態(tài)評估和工單自動派發(fā)等智能運維和應(yīng)用，為地鐵運營公司實現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)機電設(shè)備預(yù)知維修和精細化管理奠定了技術(shù)實現(xiàn)的基礎(chǔ)，具有較好的推廣應(yīng)用前景。