淺析地鐵站風(fēng)機(jī)軸承故障診斷系統(tǒng)

林小杰

（天津軌道交通運(yùn)營集團(tuán)有限公司，天津 300392）

1 前言

近些年來，我國軌道交通發(fā)展迅速，全國各大城市都在修建地鐵、輕軌等現(xiàn)代化交通工程。軌道交通不僅能夠緩解擁擠的交通狀況，而且已經(jīng)成為一個(gè)現(xiàn)代化城市的必備條件之一。然而地鐵大部分是地下密閉空間，當(dāng)建成運(yùn)營時(shí)，需要地鐵的同分系統(tǒng)保證地下空間的通風(fēng)換氣，滿足人員新風(fēng)和設(shè)備正常運(yùn)行的需求。當(dāng)?shù)罔F車輛在隧道間或站臺層發(fā)生故障，甚至發(fā)生火災(zāi)時(shí)，需要風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行保證把有害煙氣及時(shí)排到地面，同時(shí)吸入新風(fēng)，風(fēng)機(jī)引導(dǎo)氣流方向還能幫助乘客迅速跑到地面。如果風(fēng)機(jī)在這個(gè)時(shí)候發(fā)生故障，將產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，因此對地鐵站中風(fēng)機(jī)的故障診斷意義重大。

風(fēng)機(jī)軸承是風(fēng)機(jī)重要的旋轉(zhuǎn)部件，它的運(yùn)行質(zhì)量直接影響整臺設(shè)備的工作性能。軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中可能會由于各種原因引起損壞，如裝配不當(dāng)、潤滑不良、水分和異物侵入、腐蝕和過載等，都可能會導(dǎo)致軸承過早損壞。即使在安裝、潤滑和使用維護(hù)都正常的情況下，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承也會出現(xiàn)疲勞剝落和磨損而不能正常工作。常見的軸承故障包括磨損失效、疲勞失效、腐蝕失效、斷裂失效、壓痕失效、膠合失效。

地鐵站風(fēng)機(jī)軸承故障診斷系統(tǒng)通過對軸承振動和溫度信號的診斷，利用包絡(luò)解調(diào)法識別風(fēng)機(jī)軸承早期故障，能夠有效規(guī)避因軸承故障造成的災(zāi)害。

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示，包括復(fù)合傳感器、前置處理器、診斷主機(jī)、開關(guān)電源、顯示屏模塊和繼電器模塊，其中前置處理器、診斷主機(jī)、開關(guān)電源、顯示屏模塊和繼電器模塊放置在控制箱中。

圖1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

（1）復(fù)合傳感器：用于實(shí)時(shí)感知溫度和振動信號，信號發(fā)送給前置處理器，每個(gè)風(fēng)機(jī)軸承座安裝1臺。（2）前置處理器：用于振動和溫度信號的高速采集，信號通過RS485和模擬電壓發(fā)送給診斷主機(jī)。（3）診斷主機(jī)：用于信號的處理、故障診斷、報(bào)警信號輸出和數(shù)據(jù)的存儲。（4）開關(guān)電源：用于電源電壓轉(zhuǎn)換。（5）顯示屏模塊：用于狀態(tài)數(shù)據(jù)的顯示，包括系統(tǒng)狀態(tài)、故障位置、故障程度、輸出狀態(tài)等。（6）繼電器模塊：用于報(bào)警時(shí)輸出干接點(diǎn)信號給就地控制箱，進(jìn)而控制電機(jī)的啟停。（7）變頻器（非本系統(tǒng)供貨范圍）：提供電機(jī)給定頻率，通過以太網(wǎng)MODBUS發(fā)送給診斷主機(jī)，作為診斷主機(jī)故障診斷算法的輸入?yún)?shù)。（8）就地控制箱（非本系統(tǒng)供貨范圍）：用于控制電機(jī)的啟停。

3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能如下。

（1）故障診斷功能。能夠通過復(fù)合傳感器采集軸承的溫度和振動信號，對信號進(jìn)行處理和故障診斷，識別出故障位置（內(nèi)圈、外圈、滾動體或保持架等）和故障程度。（2）自診斷功能。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，能夠?qū)崟r(shí)檢測器件和線路故障，并通過顯示屏進(jìn)行故障提示。（3）控制輸出功能。當(dāng)診斷出嚴(yán)重故障時(shí)，能夠通過硬線輸出停機(jī)信號給就地控制箱，停止風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)將故障信號反饋給BAS系統(tǒng)。（4）信息顯示功能。能夠通過顯示屏模塊顯示系統(tǒng)狀態(tài)、故障位置、故障程度、輸出狀態(tài)等。（5）數(shù)據(jù)存儲和下載功能。診斷主機(jī)可保存每起報(bào)警前后5min內(nèi)的傳感器輸出波形，且總存儲時(shí)長不低于72h（數(shù)據(jù)采樣頻率不低于400 Hz），并提供數(shù)據(jù)下載接口。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)過程

（1）測點(diǎn)布置。以垂向?yàn)榱愣然鶞?zhǔn)，將振動傳感器通過磁座吸附在軸承座外壁端面-90度、-45度、45度、90度位置。（2）被測對象。首先測量正常軸承的振動數(shù)據(jù)，然后通過激光點(diǎn)蝕對軸承保持架進(jìn)行局部破壞（如下圖所示），破壞后測試故障軸承的振動數(shù)據(jù)。

圖2 保持架破壞后的軸承

4.2 試驗(yàn)結(jié)論

試驗(yàn)匯總表如下，通過對比正常和故障數(shù)據(jù)功率譜，正常數(shù)據(jù)最高尖峰為轉(zhuǎn)頻、故障數(shù)據(jù)最高尖峰為保持架的三倍頻，可以通過振動監(jiān)測方法識別NSK 軸承故障（見表1）。

表1 試驗(yàn)匯總表

5 結(jié)語

本文利用包絡(luò)解調(diào)的分析方法對軸承振動信號進(jìn)行分析和診斷。通過對系統(tǒng)框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，形成完整的診斷系統(tǒng)。結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備布設(shè)情況，提出了適宜現(xiàn)場的加裝方案。最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。將系統(tǒng)應(yīng)用于地鐵風(fēng)機(jī)軸承的狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)中，能夠有效保證風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。