趙明珠，李合林

（北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，北京 100044）

0 引言

地鐵大型軸流風(fēng)機(jī)是城市軌道交通重要的機(jī)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(shí)現(xiàn)雙向（正、逆轉(zhuǎn)）運(yùn)行，風(fēng)機(jī)每天可連續(xù)運(yùn)行8 h 以上，單風(fēng)機(jī)運(yùn)行或雙風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。同時(shí)，還可在火災(zāi)工況下滿足在280 ℃時(shí)連續(xù)工作≥1 h。

1 地鐵大型軸流風(fēng)機(jī)故障診斷技術(shù)簡(jiǎn)介

過(guò)去，地鐵軸流風(fēng)機(jī)常采用傳統(tǒng)的振動(dòng)分析技術(shù)，常采用一些常規(guī)的多階頻譜信號(hào)來(lái)掩蓋故障信號(hào)，如轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)的多階頻譜和齒輪嚙合振動(dòng)的頻譜等，導(dǎo)致對(duì)振動(dòng)和沖擊信號(hào)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(dòng)檢測(cè)分析技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它不是通過(guò)直接分析診斷信號(hào)的頻譜，而是通過(guò)設(shè)置共振頻率遠(yuǎn)高于常規(guī)頻率的“共振器”。當(dāng)吸收并重新分配振動(dòng)沖擊信號(hào)的能量時(shí)，可以通過(guò)解調(diào)來(lái)再現(xiàn)原始的清晰的故障沖擊信號(hào)，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(duì)應(yīng)，共振波幅度與沖擊幅度成正比，共振波相對(duì)沖擊波變寬，共振波的能量相對(duì)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(duì)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(duì)各部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，輔以常規(guī)振動(dòng)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(shí)別地鐵軸流風(fēng)機(jī)電機(jī)、葉輪葉片、地腳螺栓等關(guān)鍵機(jī)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(dòng)分析技術(shù)，地鐵大型軸流風(fēng)機(jī)在線故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)軸流風(fēng)機(jī)電機(jī)、葉輪葉片、地腳螺栓等關(guān)鍵機(jī)械部件的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。展示了地鐵軸流風(fēng)機(jī)在線故障診斷系統(tǒng)在預(yù)防軸流風(fēng)機(jī)故障和減少損失方面有良好的應(yīng)用價(jià)值，通過(guò)加裝該類系統(tǒng)把地鐵軸流風(fēng)機(jī)的定期大修過(guò)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(jī)在線故障診斷系統(tǒng)對(duì)故障振動(dòng)沖擊信息進(jìn)行分析診斷，對(duì)軸承滾動(dòng)工作面故障、葉輪葉片、地腳螺栓松動(dòng)等故障進(jìn)行報(bào)警。沖擊強(qiáng)度報(bào)警限制值標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1，振動(dòng)強(qiáng)度限制值參照J(rèn)BT 8689—1998《通風(fēng)機(jī)振動(dòng)檢測(cè)及其限值》標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表2。表中振動(dòng)加速度單位為m/s2（rms）。

表1 軸承及軸系沖擊強(qiáng)度報(bào)警限制值標(biāo)準(zhǔn)

表2 JBT 8689—1998 通風(fēng)機(jī)振動(dòng)檢測(cè)及其限值標(biāo)準(zhǔn)

其中修正內(nèi)外環(huán)相對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速N［r/min］、軸承軸徑D［mm］對(duì)于沖擊值SV 的影響，建立的故障強(qiáng)度（級(jí)差）公式：

式中 AdB——修正值

N——運(yùn)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(jī)在線故障診斷系統(tǒng)介紹

軸流風(fēng)機(jī)機(jī)械故障主要有軸溫升高、風(fēng)機(jī)振動(dòng)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(jìn)一步故障現(xiàn)象。出廠加裝的傳感器主要監(jiān)測(cè)電機(jī)軸溫、繞組溫度、機(jī)殼及電機(jī)振動(dòng)，沒(méi)有故障診斷措施且監(jiān)測(cè)物理量存在較大局限性，具體如電機(jī)軸承溫度報(bào)警屬于事后報(bào)警，軸承超溫報(bào)警時(shí)，軸承已出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷；風(fēng)機(jī)機(jī)殼振動(dòng)監(jiān)測(cè)，無(wú)法做到故障診斷功能；電機(jī)常規(guī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)一些故障診斷功能，但無(wú)法精確診斷故障源的位置。

基于地鐵軸流風(fēng)機(jī)在線故障診斷需求研制的一種在線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)軸流風(fēng)機(jī)關(guān)鍵機(jī)械部件上的各類傳感器，對(duì)軸承各個(gè)緯度的沖擊、振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)掌握溫度變化，利用“廣義共振與共振解調(diào)”技術(shù)，對(duì)關(guān)鍵機(jī)械部件實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警和分級(jí)報(bào)警。為軸流風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行及狀態(tài)維修提供技術(shù)手段。

系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)功能包括對(duì)地鐵軸流風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部件機(jī)械故障（葉片碰磨、電機(jī)軸承故障、地腳螺栓松動(dòng)、轉(zhuǎn)子不平衡等）的準(zhǔn)確識(shí)別和早期預(yù)警，并實(shí)現(xiàn)分級(jí)診斷。同時(shí)基于實(shí)時(shí)故障診斷和詳細(xì)數(shù)據(jù)分析，并輸出維修指導(dǎo)建議，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷、振動(dòng)改變的發(fā)生以及趨勢(shì)走勢(shì)發(fā)展、各類信息的統(tǒng)計(jì)分析等功能。

通過(guò)診斷：可識(shí)別故障的類型、找到有故障的零件、并評(píng)估故障的程度，故障診斷可以精確到電機(jī)軸承的內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架等；振動(dòng)、沖擊、溫度的綜合決策可以提高故障診斷的準(zhǔn)確性，通過(guò)歷史與趨勢(shì)分析對(duì)比，判定軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，適時(shí)展開(kāi)狀態(tài)維修，節(jié)約維修成本。

系統(tǒng)在軸流風(fēng)機(jī)測(cè)點(diǎn)布點(diǎn)如圖1 所示，監(jiān)測(cè)軟件界面如圖2 所示。

圖1 地鐵軸流風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)與測(cè)點(diǎn)布點(diǎn)方案

圖2 地鐵軸流風(fēng)機(jī)在線故障診斷軟件主界面

4 地鐵軸流風(fēng)機(jī)在線故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

4.1 軸流風(fēng)機(jī)軸承故障診斷案例

地鐵團(tuán)結(jié)湖站區(qū)加裝的軸流風(fēng)機(jī)在線故障診斷系統(tǒng)后，系統(tǒng)自動(dòng)診斷報(bào)電機(jī)前端（驅(qū)動(dòng)端）軸承外環(huán)故障，從圖3 電機(jī)前端單樣本原始數(shù)據(jù)和趨勢(shì)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該軸流風(fēng)機(jī)關(guān)端軸承外環(huán)故障特征明顯，且外環(huán)故障特征趨勢(shì)連續(xù)，故障沖擊強(qiáng)度（級(jí)差）達(dá)到了外環(huán)內(nèi)滾道報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)，分析確認(rèn)了故障的存在。

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

對(duì)地鐵團(tuán)結(jié)湖站區(qū)SZF-B 地鐵軸流風(fēng)機(jī)前端軸承進(jìn)行更換，分解檢查如圖4 所示，軸承故障得到了確認(rèn)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)更換新軸承的軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，前端軸承報(bào)警和相應(yīng)的特征趨勢(shì)信息消失，基本確認(rèn)了故障診斷。

圖4 地鐵團(tuán)結(jié)湖站區(qū)ZSF-B 地鐵軸流風(fēng)機(jī)前端軸承

4.2 軸流風(fēng)機(jī)機(jī)座松動(dòng)故障診斷案例

地鐵宋家莊站區(qū)間加裝的軸流風(fēng)機(jī)在線故障診斷系統(tǒng)后，從振動(dòng)趨勢(shì)上查看最大達(dá)到47.45 mm/s，時(shí)頻域數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的振動(dòng)并無(wú)固定周期性且振動(dòng)量值波動(dòng)較大，頻譜在1 階附近波動(dòng)；軸流風(fēng)機(jī)電機(jī)非傳動(dòng)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(jī)非傳動(dòng)端動(dòng)不平衡軸心軌跡偏心量達(dá)到了0.125 mm，存在明顯的動(dòng)不平衡，主要體現(xiàn)在水平方向。傳動(dòng)端偏心量為0.0198 mm，比非傳動(dòng)端小。綜合振動(dòng)、沖擊、動(dòng)不平衡信息分析認(rèn)為軸流風(fēng)機(jī)電機(jī)非傳動(dòng)端存在電機(jī)或地腳螺栓松動(dòng)。隨即對(duì)電機(jī)固定地腳固定螺栓進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)軸流風(fēng)機(jī)外殼地腳螺栓均存在不同程度的松動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)軸流風(fēng)機(jī)外殼地腳螺栓逐一進(jìn)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(jī)外殼地腳螺栓松動(dòng)后固定

通過(guò)對(duì)軸流風(fēng)機(jī)外殼地腳固定螺栓緊固后，開(kāi)機(jī)再次采集軸流風(fēng)機(jī)振動(dòng)狀態(tài)，非傳動(dòng)端水平振動(dòng)值立即從40 mm/s 降到20 mm/s，則如圖6 所示振動(dòng)趨勢(shì)變化明顯。

圖6 軸流風(fēng)機(jī)外殼地腳螺栓松動(dòng)處理前后振動(dòng)趨勢(shì)對(duì)比

5 地鐵軸流風(fēng)機(jī)狀態(tài)維修報(bào)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(jī)的幾何學(xué)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，建立了診斷軸承故障的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了確定性的診斷、預(yù)警和故障報(bào)警。根據(jù)軸流風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)用經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)情況，確定各類診斷報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)（暫行），具體標(biāo)準(zhǔn)如下：

5.1 沖擊診斷報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)

具體報(bào)警門限見(jiàn)表3。

表3 故障部件預(yù)報(bào)警門限

5.2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)

具體報(bào)警門限見(jiàn)表4。

表4 振動(dòng)通道報(bào)警門限值

5.3 不平衡監(jiān)測(cè)報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)

具體報(bào)警門限見(jiàn)表5。

表5 不平衡報(bào)警門限

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)兩年的研究與應(yīng)用，軸流風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)軸承各個(gè)緯度的沖擊、振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合對(duì)溫度變化的監(jiān)測(cè)分析，對(duì)關(guān)鍵部件實(shí)現(xiàn)了早期預(yù)警和分級(jí)預(yù)警，為提升地鐵站軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全及維護(hù)管理水平提供了一種先進(jìn)可靠的技術(shù)手段。通過(guò)一系列既有線路軸流風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)的改造，在逐步完成大數(shù)據(jù)積累、統(tǒng)計(jì)及分析的基礎(chǔ)上逐步建立風(fēng)機(jī)運(yùn)行與車站和區(qū)間通風(fēng)效果、風(fēng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)的精確性匹配與協(xié)調(diào)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)故障診斷、在線監(jiān)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估和工單自動(dòng)派發(fā)等智能運(yùn)維和應(yīng)用，為地鐵運(yùn)營(yíng)公司實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備預(yù)知維修和精細(xì)化管理奠定了技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，具有較好的推廣應(yīng)用前景。