張 毅，李 欣

（1. 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司 城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100068；2. 新華三技術(shù)有限公司北京研究所，北京 100102）

自動(dòng)扶梯廣泛應(yīng)用于軌道交通、公交樞紐、綜合性廣場(chǎng)等公共場(chǎng)所，是提升輸送能力及服務(wù)水平的重要設(shè)備。以北京軌道交通為例，自動(dòng)扶梯數(shù)量已高達(dá)4 200余臺(tái)之多，作為與乘客人身安全密切相關(guān)的特種設(shè)備，其運(yùn)行安全性尤為重要。每臺(tái)自動(dòng)扶梯的制造按國(guó)家法律及標(biāo)準(zhǔn)均配置多種安全保護(hù)裝置，以保證事件發(fā)生后能有效停止運(yùn)行[1]。但對(duì)于事件誘因及發(fā)展趨勢(shì)的評(píng)估，缺乏利用現(xiàn)代科技手段進(jìn)行的診斷和研究?；谥腔奂夹g(shù)的成熟發(fā)展，更好地優(yōu)化人工經(jīng)驗(yàn)判斷，提升安全性及維修能力，是今后運(yùn)營(yíng)單位重點(diǎn)的研究方向。

自動(dòng)扶梯狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)作為一種預(yù)測(cè)性系統(tǒng)，可通過(guò)傳感器監(jiān)視自動(dòng)扶梯機(jī)械部件的振動(dòng)信息，分析數(shù)據(jù)變化，解釋監(jiān)視部件的狀態(tài)，并基于振動(dòng)分析模型判斷自動(dòng)扶梯的異常運(yùn)行，向從業(yè)人員提供預(yù)警信息等。目前，該系統(tǒng)已在北京軌道交通部分項(xiàng)目中實(shí)踐應(yīng)用，取得良好的效果。通過(guò)工程實(shí)踐案例進(jìn)行闡述分析，以驗(yàn)證該系統(tǒng)的可用性及實(shí)踐效果。

1 自動(dòng)扶梯狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 基礎(chǔ)架構(gòu)

自動(dòng)扶梯狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)分析軟件組成，如圖1所示。振動(dòng)傳感器安裝在自動(dòng)扶梯的驅(qū)動(dòng)主機(jī)、主機(jī)基座、主驅(qū)動(dòng)輪軸承等主要部位；桁架內(nèi)安裝紅外溫度傳感器，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置數(shù)據(jù)采集器和故障診斷分析器，以收集運(yùn)行狀況的數(shù)據(jù)[2]。數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)對(duì)振動(dòng)傳感器和溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速模數(shù)轉(zhuǎn)換，傳送至故障診斷分析器進(jìn)行運(yùn)算，提取故障特征。

圖1 自動(dòng)扶梯狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Figure 1 Escalator condition monitoring system

1.2 安裝方式

振動(dòng)傳感器采用底座安裝，帶有螺紋孔的底座采用粘貼方式固定在軸承座和部件殼體，振動(dòng)傳感器采用螺紋連接方式與底座固定[3](見圖2)。以驅(qū)動(dòng)主機(jī)測(cè)點(diǎn)安裝為例，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)分別安裝在電機(jī)、減速箱、減速箱基座上，其作用分別為：①驅(qū)動(dòng)電機(jī)外殼振動(dòng)傳感器，用于監(jiān)測(cè)電機(jī)軸承運(yùn)行狀態(tài)；②減速箱外殼水平與垂直方向振動(dòng)傳感器，用于監(jiān)測(cè)齒輪、軸承運(yùn)行狀態(tài)；③減速箱基座固定螺栓和基礎(chǔ)底座固定螺栓振動(dòng)傳感器，用于監(jiān)測(cè)螺栓緊固和驅(qū)動(dòng)主機(jī)振動(dòng)信息，確保驅(qū)動(dòng)裝置的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 驅(qū)動(dòng)主機(jī)構(gòu)成及測(cè)點(diǎn)安裝位置Figure 2 Composition of driving host and installation location of measuring point

1.3 系統(tǒng)終端顯示

自動(dòng)扶梯的狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)顯示終端(監(jiān)控中心)查看，并可根據(jù)系統(tǒng)分析結(jié)果及維修建議派遣從業(yè)人員進(jìn)行針對(duì)性維護(hù)和檢查。圖3所示為監(jiān)控中心。

圖3 監(jiān)控中心Figure 3 Monitoring center

2 數(shù)據(jù)測(cè)試

自動(dòng)扶梯預(yù)警系統(tǒng)主要采用旋轉(zhuǎn)機(jī)械智能診斷技術(shù)，重點(diǎn)對(duì)機(jī)械振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)軸承等部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)可根據(jù)模型診斷軸承內(nèi)/外圈故障、軸承滾動(dòng)體故障、軸承保持架故障、軸承跑圈故障、軸承潤(rùn)滑不良故障、減速器齒輪斷齒/磨損故障、主機(jī)固定架松動(dòng)故障、鏈條磨損故障等。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，同時(shí)可對(duì)異常波形進(jìn)行后臺(tái)再分析，逐步完善故障特征數(shù)據(jù)庫(kù)和專家分析規(guī)則[4]。自動(dòng)扶梯狀態(tài)監(jiān)測(cè)曲線圖譜見圖4。

圖4 自動(dòng)扶梯狀態(tài)監(jiān)測(cè)曲線圖譜Figure 4 Escalator condition monitoring curve

3 典型案例分析

3.1 自動(dòng)扶梯主驅(qū)動(dòng)鏈故障

3.1.1 故障描述

預(yù)警系統(tǒng)檢測(cè)到某臺(tái)自動(dòng)扶梯減速箱基座振動(dòng)測(cè)點(diǎn)和基礎(chǔ)底座振動(dòng)測(cè)點(diǎn)異常信號(hào)，加速度幅值為1.7 m/s2左右，最大值超過(guò)2 m/s2，如圖5所示，達(dá)到預(yù)警報(bào)警限值，經(jīng)比較電機(jī)測(cè)點(diǎn)數(shù)值相差過(guò)大。初步判斷，減速器底部受到高頻外力沖擊擾動(dòng)，但外力沖擊的能量較低[5-6]；現(xiàn)場(chǎng)停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)，主驅(qū)動(dòng)保護(hù)裝置機(jī)械機(jī)構(gòu)傾斜，主驅(qū)動(dòng)鏈與保護(hù)裝置滑塊產(chǎn)生傾斜角度碰撞。

圖5 故障發(fā)生測(cè)點(diǎn)加速度幅值波形Figure 5 Waveform of acceleration amplitude at fault measuring point

3.1.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)原理

自動(dòng)扶梯采用鏈傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)主機(jī)通過(guò)主驅(qū)動(dòng)鏈帶動(dòng)主傳動(dòng)軸，主傳動(dòng)軸再將驅(qū)動(dòng)力向各驅(qū)動(dòng)輪傳遞，如圖6所示。電機(jī)作為動(dòng)力源，電機(jī)振動(dòng)速度幅值應(yīng)最大，其他測(cè)點(diǎn)速度幅值依次減少，減速箱基座振動(dòng)速度與基礎(chǔ)底座振動(dòng)速度數(shù)值相近。

圖6 自動(dòng)扶梯傳動(dòng)原理Figure 6 Escalator drive principle

3.1.3 預(yù)警原因分析

主驅(qū)動(dòng)鏈斷鏈保護(hù)機(jī)構(gòu)滑塊對(duì)鏈條下壓漲緊，由于滑塊固定角度異常，與運(yùn)動(dòng)鏈節(jié)產(chǎn)生碰摩，形成沿鏈條方向的沖擊阻力F，通過(guò)受力分析，阻力F1分解為F1x，F(xiàn)1y，如圖7所示。向下的F1y對(duì)減速器驅(qū)動(dòng)軸產(chǎn)生向下振動(dòng)加速度a，從軸承經(jīng)軸承座傳遞到減速器外殼，再向減速器底腳和底盤進(jìn)行傳播，被加速度傳感器采集識(shí)別[7]。

圖7 沖擊力分析Figure 7 Impact force analysis

驅(qū)動(dòng)鏈條節(jié)距為38.1 mm，驅(qū)動(dòng)鏈線速度0.65 m/s，沖擊力F1周期約為 58 ms，向下的沖擊力F1y受鏈條角度影響，角度越大，對(duì)減速箱基座和基礎(chǔ)底座測(cè)點(diǎn)的影響越大?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢修調(diào)整后，加速度幅值明顯減少。由于減速箱的重量和運(yùn)轉(zhuǎn)方向的影響，F(xiàn)1y產(chǎn)生的振動(dòng)能量沿垂直方向傳遞，因此安裝在減速器殼上的振動(dòng)加速度傳感器的值不會(huì)發(fā)生明顯變化，減速箱基座和基礎(chǔ)底座測(cè)點(diǎn)加速度數(shù)值明顯增加，初步判斷為是驅(qū)動(dòng)鏈條和減速器驅(qū)動(dòng)軸的某種故障[8]。

3.1.4 現(xiàn)場(chǎng)維修及系統(tǒng)反饋

自動(dòng)扶梯運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，上機(jī)艙傳動(dòng)有明顯噪聲，停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)噪聲源為驅(qū)動(dòng)鏈斷鏈保護(hù)裝置，保護(hù)裝置漲緊滑塊與驅(qū)動(dòng)鏈條已產(chǎn)生角度，發(fā)生碰撞；維修調(diào)整后，保護(hù)裝置恢復(fù)正常位置，噪聲消除。預(yù)警系統(tǒng)中顯示，底腳測(cè)點(diǎn)和底盤測(cè)點(diǎn)的加速度幅值明顯下降，恢復(fù)正常，如圖8所示。

圖8 檢修后測(cè)點(diǎn)加速度幅值變化Figure 8 Acceleration amplitude change of measuring point after maintenance

3.2 自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸承故障

3.2.1 故障描述

預(yù)警系統(tǒng)檢測(cè)到，某雙驅(qū)動(dòng)自動(dòng)扶梯左側(cè)電機(jī)端測(cè)點(diǎn)達(dá)到報(bào)警線，振動(dòng)加速度值3.8 m/s2，如圖9所示，并反映到右側(cè)驅(qū)動(dòng)和主驅(qū)軸上測(cè)點(diǎn)，均伴有同步波動(dòng)。現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，并通過(guò)機(jī)械接觸式檢查判斷左側(cè)電機(jī)運(yùn)行時(shí)存在噪聲。

圖9 電機(jī)、減速箱測(cè)點(diǎn)加速度幅值變化Figure 9 Acceleration amplitude change of motor and gearbox measuring points

3.2.2 預(yù)警原因分析

1) 原始波形頻譜。電機(jī)測(cè)點(diǎn)加速度增長(zhǎng)趨勢(shì)最顯著，分析該測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度時(shí)域波形特征和頻譜，發(fā)現(xiàn)在時(shí)域中存在明顯的周期性沖擊特征，且頻譜上存在以52.34 Hz為間隔的邊帶成分，反映了時(shí)域波形周期性沖擊發(fā)生的頻率為52.34 Hz，如圖10所示。

圖10 電機(jī)測(cè)點(diǎn)加速度波形、頻譜Figure 10 Acceleration waveform and frequency spectrum of motor measuring point

2) 包絡(luò)譜分析。滾動(dòng)軸承運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)圈、外圈或滾動(dòng)體的故障會(huì)引起故障點(diǎn)與接觸面的周期性沖擊[9]。且軸承在當(dāng)前速度運(yùn)轉(zhuǎn)下外圈故障特征頻率為51.693 Hz，內(nèi)圈故障特征頻率為74.607 Hz。對(duì)電機(jī)測(cè)點(diǎn)加速度進(jìn)行帶通濾波后的包絡(luò)解調(diào)，解調(diào)得出的包絡(luò)波形如圖11所示，從圖中可明顯看出包絡(luò)波形具有周期性的沖擊特征。對(duì)包絡(luò)波形進(jìn)行頻譜分析，包絡(luò)譜中存在52.34 Hz及其倍頻成分，和理論計(jì)算的外圈軸承故障特征頻率較接近，且和原始波形頻譜特征一致，判斷為軸承外圈故障。

圖11 電機(jī)振動(dòng)加速度包絡(luò)波形和包絡(luò)譜Figure 11 Envelope wareform and envelope spectrum of motor vibration acceleration

3.2.3 現(xiàn)場(chǎng)維修及反饋

現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)此自動(dòng)扶梯運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)艙內(nèi)有明顯異常噪聲，通過(guò)傳統(tǒng)機(jī)械接觸式檢查伴有異常雜音，更換電機(jī)后異常噪聲消除；預(yù)警系統(tǒng)觀察，左驅(qū)動(dòng)裝置測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度趨勢(shì)明顯降低，恢復(fù)正常水平，且加速度波形中異常振動(dòng)沖擊消失，如圖12所示。后續(xù)維修拆解電機(jī)后，發(fā)現(xiàn)軸承外圈處存在明顯損傷。

圖12 驅(qū)動(dòng)裝置測(cè)點(diǎn)加速度趨勢(shì)Figure 12 Acceleration tendency of driving device measuring point

4 案例總結(jié)與結(jié)論

狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)理念為“振動(dòng)位移反映了間隙的大小，振動(dòng)速度反映了能量的大小，振動(dòng)加速度反映了沖擊力的大小”。

自2018年以來(lái)，北京軌道交通6號(hào)線西延線和大興機(jī)場(chǎng)線共計(jì)130臺(tái)自動(dòng)扶梯已全部配置預(yù)警系統(tǒng)。運(yùn)營(yíng)時(shí)段內(nèi)，共計(jì)預(yù)警故障51次，其中一級(jí)報(bào)警31次，一級(jí)預(yù)警20次。對(duì)報(bào)率達(dá)96.5%，整體提高了服務(wù)保障。

通過(guò)上述應(yīng)用案例分析，采用振動(dòng)分析方法的自動(dòng)扶梯狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)獲取自動(dòng)扶梯主要部件的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)主要部件速度、加速度、頻譜等進(jìn)行分析，從而了解部件的運(yùn)行狀態(tài)并提供預(yù)警。該系統(tǒng)與自動(dòng)扶梯運(yùn)行本身的開關(guān)保護(hù)裝置不同，可對(duì)設(shè)備運(yùn)行異常進(jìn)行早期預(yù)警，進(jìn)而預(yù)防事故發(fā)生，從而進(jìn)一步提高自動(dòng)扶梯運(yùn)行安全性，保護(hù)乘客安全。繼北京軌道交通后，南京、西安、青島等城市軌道交通項(xiàng)目已開始試點(diǎn)應(yīng)用。