基金項目：2021年度國家重點研發(fā)計劃重點專項“重大自然災(zāi)害防控與公共安全”專項“長大公路隧道突發(fā)事故應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)與裝備”（2021YFC3002000）項目課題五“隧道典型事故災(zāi)變物理試驗平臺與試驗驗證及應(yīng)用示范”（2021YFC3002005）

作者簡介：郭航雄（1969-），男，高級工程師。研究方向為高速公路機電設(shè)施維護管理。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.035

摘" 要：隨著路網(wǎng)交通量的增長，部分公路隧道已達到交通量設(shè)計峰值，通風(fēng)設(shè)施面臨高負荷運行、安全運行風(fēng)險加大的現(xiàn)實問題。依托秦嶺終南山公路隧道軸流風(fēng)機修復(fù)改造工程，針對軸流風(fēng)機動葉可調(diào)系統(tǒng)的故障率高、精度要求高且維修費用昂貴等問題，提出靜葉可調(diào)替代動葉可調(diào)的修復(fù)改造方案，通過結(jié)構(gòu)分析和調(diào)整實現(xiàn)葉片角度靜止可調(diào)運行方式；針對電機軸承高故障率，采用雙參數(shù)威布爾分布函數(shù)描述電機軸承的故障變化率，提出一種優(yōu)化軸承維護周期的模型，應(yīng)用于秦嶺終南山公路隧道風(fēng)機軸承維護計劃。實驗結(jié)果表明，改造后的軸流風(fēng)機滿足規(guī)范設(shè)計要求，運行效果良好。分析得到的隧道風(fēng)機維護計劃合理經(jīng)濟，保證軸承的可靠運行并充分發(fā)揮其使用價值。

關(guān)鍵詞：隧道工程；軸流風(fēng)機；修復(fù)改造；軸承維護周期；長大隧道

中圖分類號：U453.5" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）16-0148-04

Abstract： With the growth of the traffic volume of the road network， some highway tunnels have reached the design peak of traffic volume， and the ventilation facilities are facing the practical problems of high load operation and increased risk of safe operation. Relying on the repair and reconstruction project of axial flow fan in Qinling Zhongnanshan Highway Tunnel， aiming at the problems of high failure rate， high precision requirement and high maintenance cost of axial flow wind blade adjustable system， a repair and reconstruction scheme of static blade adjustable instead of moving blade is put forward. through structural analysis and adjustment， the static adjustable operation mode of blade angle is realized. In view of the high failure rate of motor bearings， the fault change rate of motor bearings is described by two-parameter Weibull distribution function， and a model for optimizing bearing maintenance cycle is proposed， which is applied to the fan bearing maintenance plan of Qinling Zhongnanshan Highway Tunnel. The experimental results show that the modified axial flow fan meets the design requirements of the specification and the operation effect is good. The maintenance plan of the tunnel fan obtained from the analysis is reasonable and economical， which ensures the reliable operation of the bearing and gives full play to its use value.

Keywords： tunnel engineering; axial flow fan; repair and transformation; bearing maintenance cycle; long tunnel

隨著我國公路、鐵路、軌道交通等交通工具的快速發(fā)展，隧道在山區(qū)公路的建設(shè)中起到越來越重要的作用。近年來，我國公路隧道建設(shè)規(guī)模越來越大，長大隧道的數(shù)量也在不斷增加。隨著隧道長度的增長，洞內(nèi)車輛排放的尾氣難以自然排出或稀釋，對司乘人員及隧道養(yǎng)護人員的健康造成危害[1]。從行業(yè)制度要求和發(fā)展趨勢來看，長大隧道通風(fēng)系統(tǒng)維護應(yīng)貫穿于公路隧道使用的整個過程，是降低全壽命周期成本，科學(xué)養(yǎng)護的必由之路[2]。而通風(fēng)系統(tǒng)作為長大隧道不可或缺的一部分，軸流風(fēng)機的運行維護是隧道通風(fēng)系統(tǒng)正常使用的關(guān)鍵。本文依托秦嶺終南山公路隧道軸流風(fēng)機修復(fù)改造工程，通過現(xiàn)場檢測高負荷工作狀態(tài)下軸流風(fēng)機出現(xiàn)的故障，分析主要故障點。對軸流風(fēng)機的動葉可調(diào)系統(tǒng)故障率高、精度要求高且維修費用高昂這一問題進行分析研究，根據(jù)秦嶺終南山公路隧道通風(fēng)需求的實際狀況，對軸流風(fēng)機動葉可調(diào)系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)分析，將軸流風(fēng)機靜葉可調(diào)代替動葉可調(diào)，對葉輪部分和風(fēng)機機械配套部分進行改造，保證葉輪能夠長期可靠運行。針對電機軸承高故障率、高可靠度這一現(xiàn)狀，本文在威布爾比例風(fēng)險模型基礎(chǔ)上進行改進，建立起一種高負荷工作下風(fēng)機軸承單個更換周期內(nèi)的預(yù)防性維護優(yōu)化模型，分析模型結(jié)果，確定風(fēng)機軸承最優(yōu)維護周期，避免出現(xiàn)過維護及欠維護的現(xiàn)象。

1" 長大隧道風(fēng)機故障診斷與分析

1.1" 工程概況

秦嶺終南山公路隧道全長18.02 km，是目前國內(nèi)最長的高速公路隧道，是國家高速公路網(wǎng)包（頭）茂（名）線的關(guān)鍵控制性工程，也是陜西省“2637”高速公路網(wǎng)西安至安康高速公路的重要組成部分，是我國高速公路隧道示范工程和標志性工程。

秦嶺終南山公路隧道于2007年1月建成并投入運行，其中通風(fēng)系統(tǒng)共安裝動葉可調(diào)軸流風(fēng)機32臺，風(fēng)機品牌數(shù)量信息詳見表1。動葉可調(diào)軸流風(fēng)機是指通過調(diào)節(jié)動葉輪角度，使風(fēng)機性能曲線移位，以產(chǎn)生一系列的工作點，可以在不停機的情況下提供性能曲線上不同的風(fēng)量和風(fēng)壓，從而適應(yīng)不同的工況條件。

動葉可調(diào)軸流風(fēng)機通風(fēng)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的工業(yè)機械化和自動化系統(tǒng)，包含機械、電子、控制、通信等各方面的技術(shù)和設(shè)備，其動葉可調(diào)系統(tǒng)裝置制造精度高，裝置復(fù)雜，同時維護要求高。

表1" 軸流風(fēng)機品牌數(shù)量信息表

1.2" 軸流風(fēng)機故障點檢測

2017年、2018年和2019年對軸流風(fēng)機及其配電、控制系統(tǒng)進行了專項維修，2020年對6臺軸流風(fēng)機進行了返廠維修。經(jīng)過歷次維修，隧道中軸流風(fēng)機均有不同程度的故障，主要故障點見表2。

表2" 軸流風(fēng)機主要故障點

由表2可以看出，電機軸承及動葉可調(diào)系統(tǒng)的故障數(shù)量多，且故障率分別高達87.5%和66.625%，歷次維修造成了巨大的時間損失和高昂的事后維修成本。

經(jīng)過現(xiàn)場實地檢測檢查，將軸流風(fēng)機的動葉可調(diào)系統(tǒng)故障點整理如下。

葉輪部分：28臺風(fēng)機的葉輪、葉片、輪轂結(jié)構(gòu)完好，無損壞，有4臺風(fēng)機的葉輪連接件松動。

風(fēng)機機械配套部分：①部分風(fēng)機油站有漏油現(xiàn)象，不能正常工作，通過遠控開啟風(fēng)機后雖然風(fēng)機能夠正常轉(zhuǎn)動，但風(fēng)機的葉片角度沒有達到運行位置；②油站控制卡故障或報警，液壓系統(tǒng)油泵異響報警；③風(fēng)機表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)油污嚴重；④16個風(fēng)閥的執(zhí)行器不能正常工作，風(fēng)閥油污嚴重，調(diào)葉執(zhí)行器不能完全關(guān)閉；⑤4臺電機燒毀，電機絕緣支柱開裂，電機軸承結(jié)構(gòu)燒毀；⑥3個軟連接破損開裂。

1.3" 原因分析及維護改造措施

1.3.1" 原因分析

①終南山隧道2007年投入使用后的起初幾年，由于車流量小，軸流風(fēng)機通風(fēng)系統(tǒng)使用率較低，設(shè)備維護保養(yǎng)不及時，造成設(shè)備后續(xù)使用時故障頻繁。②近年來機動車保有量高速上漲，秦嶺終南山公路隧道雖設(shè)計年限未到，但當前車流量已達到施工圖設(shè)計年限的交通量峰值，且在特殊時段遠超設(shè)計交通量，通風(fēng)設(shè)施長期處于高負荷工作狀態(tài)，造成故障率增加，極大影響了設(shè)備壽命。③自2007年運行以來，部分設(shè)備由于長期運行磨損老化嚴重，造成故障停機。

1.3.2" 維護改造措施

①軸流風(fēng)機的改造與修復(fù)方案。目前軸流風(fēng)機的動葉可調(diào)系統(tǒng)故障率過高，使用較差，且車流量已達到施工圖設(shè)計年限的交通量峰值，在特殊時段遠超設(shè)計交通量，使得通風(fēng)設(shè)施長期處于高負荷工作狀態(tài)，風(fēng)機在最大負荷工況下運行，動葉可調(diào)軸流風(fēng)機的高精度調(diào)節(jié)裝置已經(jīng)沒有使用的必要。根據(jù)秦嶺終南山公路隧道通風(fēng)需求的實際狀況，改動葉可調(diào)為靜葉可調(diào)，取消調(diào)葉執(zhí)行器、液壓油站等復(fù)雜易損故障元件。②電機軸承維護周期優(yōu)化。目前，在風(fēng)機軸承維護工作多采用經(jīng)驗判斷維護周期，具有很大的不確定性，且隨著軸承的使用壽命的增加，軸承發(fā)生失效的概率也會增加，此方法缺乏可靠的科學(xué)依據(jù)。因此，為避免過維護與欠維護造成的時間及成本損失，需要找到單個軸承更換周期內(nèi)最佳維護周期，在維護周期及維護成本間進行尋優(yōu)。

2" 動葉可調(diào)系統(tǒng)改造方案

2.1" 葉輪結(jié)構(gòu)改造方案

將葉輪輪轂、葉片、連接旋轉(zhuǎn)件解體后進行清洗，并分別進行X光檢測發(fā)現(xiàn)：①將動葉可調(diào)葉輪與靜葉可調(diào)葉輪葉片角度調(diào)節(jié)方式進行結(jié)構(gòu)對比，其葉片固定方式不一樣，如果把動葉可調(diào)葉輪里面的角度調(diào)節(jié)機構(gòu)強行鎖死，不能保證葉輪長期可靠運行。②靜葉可調(diào)葉輪的葉片是通過M36葉柄固定在輪轂殼上，動葉可調(diào)葉輪的輪轂殼厚度為50 mm，而且葉片位置已經(jīng)加工成通孔，沒有任何加工余量來改造為靜葉可調(diào)輪轂；③圓軸盤高度約350 mm，其高度尺寸、直徑尺寸、孔未尺寸與新設(shè)計的輪轂不能匹配。

因此，不能使用之前的軸盤、軸頭、葉柄等，需對原輪轂進行替換，葉片可以繼續(xù)使用。風(fēng)機葉輪結(jié)構(gòu)改造的關(guān)鍵一步是制造與原葉片相匹配的新葉輪，對原葉輪各部件進行測繪，設(shè)計完全非標的葉輪制造圖紙，并對新葉輪進行功能性試驗使其能夠長期可靠運行。根據(jù)圖紙制造出新的葉輪，并與原葉片進行組裝。

2.2" 風(fēng)機機械配套部分改造方案

經(jīng)過現(xiàn)場仔細檢測排查和分析，確認秦嶺終南山公路隧道安裝的32臺動葉可調(diào)軸流風(fēng)機機械配套部分調(diào)整改造方案，實現(xiàn)葉片角度靜止可調(diào)運行方式，滿足高負荷運行的工況要求，具體技術(shù)改造和結(jié)構(gòu)調(diào)整工作內(nèi)容如下：①拆除油站以及油站控制系統(tǒng)；②將所有的電機軸承進行更換，全部重新注油；③維修或更換電機軸承溫度傳感器；④4臺燒毀的電機進行維修，重新繞組，或者直接更換為全新電機；⑤所有的進風(fēng)口風(fēng)閥執(zhí)行機構(gòu)、連桿、葉片進行修復(fù)或更換；⑥所有的出風(fēng)口風(fēng)閥去除執(zhí)行機構(gòu)，將葉片固定在水平位置；⑦更換有破損開裂軟鏈接，共3個。

2.3" 動葉可調(diào)系統(tǒng)改造效果

全部風(fēng)機和所有風(fēng)機機械配套安裝完畢后，對通風(fēng)系統(tǒng)進行調(diào)試、試運行。應(yīng)用該修復(fù)改造方案，能使該批次風(fēng)機在正常維修保養(yǎng)工況下，運行壽命至少為10～15年，并達到與更換全新風(fēng)機完全一樣的運行效果，實現(xiàn)與原設(shè)計通風(fēng)系統(tǒng)完全匹配，滿足該隧道原始設(shè)計的通風(fēng)功能要求。此外，全部更換全新軸流風(fēng)機的預(yù)算為4 544.865 5萬元，而采取該修復(fù)方案預(yù)算為700萬元，僅為15.4%，極大地節(jié)省了改造成本。

3" 風(fēng)機軸承維護周期優(yōu)化

3.1" 威布爾比例風(fēng)險模型優(yōu)化

根據(jù)隧道軸流風(fēng)機故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)，雙參數(shù)威布爾比例風(fēng)險模型可以很好地描述風(fēng)機軸承的故障率變化規(guī)律，在該故障分布模型基礎(chǔ)上引入故障率演化模型，描述在單個更換周期內(nèi)對風(fēng)機軸承進行預(yù)防性維修后得到的改善狀況。t時刻風(fēng)機軸承初始故障率及在第i個周期預(yù)防性維護周期內(nèi)故障率函數(shù)如下

式中：？姿1（t）為t時刻風(fēng)機軸承的初始故障率函數(shù)；m為形狀參數(shù)，m＞0；？濁為尺寸參數(shù)，？濁＞0；？姿i（t）為t時刻風(fēng)機軸承在第i個預(yù)防性維護周期內(nèi)的故障率函數(shù)；Bk為故障遞增因子；Ak為役齡遞減因子；？著k為預(yù)防維護周期的間隔時間；其中k=1，2，…，i。

3.2" 維護周期確定

假設(shè)風(fēng)機軸承在第i個預(yù)防性維護周期內(nèi)進行了N-1次預(yù)防性維修，第N次為預(yù)防性更換，維護周期的間隔時間為？著i。根據(jù)故障率函數(shù)？姿1（t）推導(dǎo)出風(fēng)機軸承部件第i個預(yù)防性維護周期內(nèi)的可靠度函數(shù)如下

當風(fēng)機軸承可靠度達到高負荷狀態(tài)可靠度閾值RZ時，即Rt=RZ時，需要及時對設(shè)備部件進行預(yù)防性維修工作，以此確定預(yù)防性維護周期的間隔時間？著i，即

聯(lián)立式（2）、式（3）、式（4）即可得到風(fēng)機軸承在第i個預(yù)防性維護周期的時間間隔？著i

預(yù)防性維護周期的間隔時間不可能設(shè)置為無限長，時間間隔之和需小于軸承的單個更換周期T，即：？著1+？著2+…？著k≤T。

3.3" 維護成本計算

以風(fēng)機軸承在單個更換周期內(nèi)單位時間維護成本C最小為目標，對維修策略模型進行優(yōu)化。風(fēng)機軸承單個更換周期內(nèi)維護費用SUM包括為軸承進行預(yù)防性維修的維修成本和場地使用成本，可表示為

SUM=N（Cpw+？茲？酌w）， （7）

式中：Cpw為進行單次預(yù)防性維修的維修成本；？茲為場地占用費用率；？酌w為預(yù)防性維修的時間。

以單位時間內(nèi)維護成本最小為目標，則優(yōu)化模型的目標函數(shù)為

minC=■。 （8）

3.4" 模型應(yīng)用分析

以秦嶺終南山公路隧道軸流風(fēng)機軸承作為維護對象進行維護周期分析。根據(jù)歷年風(fēng)機維修數(shù)據(jù)記錄，使用極大似然估計的方法分析確定雙參數(shù)威布爾分布的參數(shù)值分別為m=15，？濁=912；得到比例風(fēng)險模型為

優(yōu)化模型中的其他參數(shù)見表3。

表3" 參數(shù)設(shè)置表

當風(fēng)機軸承可靠度達到滿負荷狀態(tài)可靠度閾值時RZ=0.85時，需要對設(shè)備部件進行預(yù)防性維修工作，通過MATLAB軟件進行數(shù)值仿真，以此確定預(yù)防性維護周期的間隔時間，假定當間隔時間小于180天時，風(fēng)機軸承需要進行更換，則風(fēng)機軸承單個維修周期為？撞？著i。軸承單個周期內(nèi)的可靠度變化趨勢如圖1所示。

圖1" 可靠度變化趨勢圖

可靠度閾值RZ=0.85的維修計劃見表4。

表4" 可靠度閾值RZ=0.85的維修計劃

由表4可知，隨役齡的增加，當可靠度Ri（t）下降到0.85時，需要對軸承進行預(yù)防性維護工作，且i=9時，？著i≤180 d，可知軸承的第9次維護需要更換軸承部件，則最佳維護周期次數(shù)為9次。

當上述分析中的假定閾值RZ發(fā)生變化時，最佳維修次數(shù)與風(fēng)機軸承單個維修周期？撞？著i也會隨之改變，為使單個更換周期內(nèi)單位時間維護成本C最小，需計算不同可靠度閾值RZ條件下單位時間維護成本C，優(yōu)化結(jié)果見表5。

由表5可知，RZ設(shè)置的越高，由于增加可維修次數(shù)，部件的單個維修周期？撞？著i越短，說明頻繁的預(yù)防性維修工作會加快軸承的老化速度使部件壽命變短，因此需選取合適的可靠度閾值滿足設(shè)備生產(chǎn)任務(wù)需要。

當選取可靠度閾值RZ=0.85時，單個軸承更換周期內(nèi)維修計劃見表4，單位時間維護成本C=6.19最小，且維護次數(shù)相較于RZ=0.65、RZ=0.75較少，能夠滿足風(fēng)機日常維護工作需要。

表5" 不同可靠度閾值RZ優(yōu)化結(jié)果

為使風(fēng)機經(jīng)濟可靠運行，須加快對風(fēng)機軸承進行預(yù)防性維修工作頻率來避免部件的突發(fā)性故障，延長部件使用壽命、節(jié)約費用。而頻繁的預(yù)防性維修工作會加快軸承的老化速度，且維修后部件的改善程度越來越差。采用風(fēng)機軸承維護周期優(yōu)化模型可以根據(jù)可靠度變化制定具有針對性的維護計劃，與運營經(jīng)驗判定維修計劃相比，避免了前期因頻率過高的預(yù)防性維修工作導(dǎo)致維修過剩，后期預(yù)防性維修工作較少出現(xiàn)維修不足的情況，充分發(fā)揮軸承使用價值，節(jié)約維修成本。

4" 結(jié)論

本文依托秦嶺終南山公路隧道軸流風(fēng)機修復(fù)改造工程，對高負荷工作狀態(tài)下軸流風(fēng)機進行現(xiàn)場檢測，探討長大隧道軸流風(fēng)機的改造方案并制定風(fēng)機軸承維護計劃，得到如下結(jié)論：①靜葉可調(diào)代替動葉可調(diào)的修復(fù)改造方案能使該批次風(fēng)機在正常維修保養(yǎng)工況下達到與更換全新風(fēng)機完全一樣的運行效果，實現(xiàn)與原設(shè)計通風(fēng)系統(tǒng)完全匹配，滿足該隧道原始設(shè)計的通風(fēng)功能要求。②在雙參數(shù)威布爾比例風(fēng)險模型基礎(chǔ)上引入故障函數(shù)，建立了以單位時間維護成本最低為目標的優(yōu)化模型，能夠更好地表示維修后部件可靠度變化趨勢。③以秦嶺終南山公路隧道軸流風(fēng)機軸承作為維護對象進行維護周期分析，制定具有一定的針對性和實用性的維護計劃，避免過維護與欠維護造成的時間及成本損失，可為風(fēng)機軸承的預(yù)防性維護計劃制定提供有力支持。

參考文獻：

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