淺析地鐵站風機軸承故障診斷系統

林小杰

（天津軌道交通運營集團有限公司，天津 300392）

1 前言

近些年來，我國軌道交通發展迅速，全國各大城市都在修建地鐵、輕軌等現代化交通工程。軌道交通不僅能夠緩解擁擠的交通狀況，而且已經成為一個現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，當建成運營時，需要地鐵的同分系統保證地下空間的通風換氣，滿足人員新風和設備正常運行的需求。當地鐵車輛在隧道間或站臺層發生故障，甚至發生火災時，需要風機正常運行保證把有害煙氣及時排到地面，同時吸入新風，風機引導氣流方向還能幫助乘客迅速跑到地面。如果風機在這個時候發生故障，將產生嚴重的后果，因此對地鐵站中風機的故障診斷意義重大。

風機軸承是風機重要的旋轉部件，它的運行質量直接影響整臺設備的工作性能。軸承在運轉過程中可能會由于各種原因引起損壞，如裝配不當、潤滑不良、水分和異物侵入、腐蝕和過載等，都可能會導致軸承過早損壞。即使在安裝、潤滑和使用維護都正常的情況下，經過一段時間運轉，軸承也會出現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。

地鐵站風機軸承故障診斷系統通過對軸承振動和溫度信號的診斷，利用包絡解調法識別風機軸承早期故障，能夠有效規避因軸承故障造成的災害。

2 系統組成

本系統拓撲結構如下圖所示，包括復合傳感器、前置處理器、診斷主機、開關電源、顯示屏模塊和繼電器模塊，其中前置處理器、診斷主機、開關電源、顯示屏模塊和繼電器模塊放置在控制箱中。

圖1 拓撲結構圖

（1）復合傳感器：用于實時感知溫度和振動信號，信號發送給前置處理器，每個風機軸承座安裝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和模擬電壓發送給診斷主機。（3）診斷主機：用于信號的處理、故障診斷、報警信號輸出和數據的存儲。（4）開關電源：用于電源電壓轉換。（5）顯示屏模塊：用于狀態數據的顯示，包括系統狀態、故障位置、故障程度、輸出狀態等。（6）繼電器模塊：用于報警時輸出干接點信號給就地控制箱，進而控制電機的啟停。（7）變頻器（非本系統供貨范圍）：提供電機給定頻率，通過以太網MODBUS發送給診斷主機，作為診斷主機故障診斷算法的輸入參數。（8）就地控制箱（非本系統供貨范圍）：用于控制電機的啟停。

3 系統功能

系統功能如下。

（1）故障診斷功能。能夠通過復合傳感器采集軸承的溫度和振動信號，對信號進行處理和故障診斷，識別出故障位置（內圈、外圈、滾動體或保持架等）和故障程度。（2）自診斷功能。系統在運行過程中，能夠實時檢測器件和線路故障，并通過顯示屏進行故障提示。（3）控制輸出功能。當診斷出嚴重故障時，能夠通過硬線輸出停機信號給就地控制箱，停止風機的運行，同時將故障信號反饋給BAS系統。（4）信息顯示功能。能夠通過顯示屏模塊顯示系統狀態、故障位置、故障程度、輸出狀態等。（5）數據存儲和下載功能。診斷主機可保存每起報警前后5min內的傳感器輸出波形，且總存儲時長不低于72h（數據采樣頻率不低于400 Hz），并提供數據下載接口。

4 驗證試驗

4.1 試驗過程

（1）測點布置。以垂向為零度基準，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據，然后通過激光點蝕對軸承保持架進行局部破壞（如下圖所示），破壞后測試故障軸承的振動數據。

圖2 保持架破壞后的軸承

4.2 試驗結論

試驗匯總表如下，通過對比正常和故障數據功率譜，正常數據最高尖峰為轉頻、故障數據最高尖峰為保持架的三倍頻，可以通過振動監測方法識別NSK 軸承故障（見表1）。

表1 試驗匯總表

5 結語

本文利用包絡解調的分析方法對軸承振動信號進行分析和診斷。通過對系統框架進行設計，形成完整的診斷系統。結合現場設備布設情況，提出了適宜現場的加裝方案。最后通過試驗驗證了方案的可行性。將系統應用于地鐵風機軸承的狀態監測及故障診斷系統中，能夠有效保證風機的安全運行。