地铁站风机轴承故障诊断系统浅析

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摘要：作为通风换气的关键设备，地铁站风机的安全运行能够有效保证生命和财产的安全。本文利用包络解调的分析方法对轴承振动信号进行分析和诊断，提出了系统框架方案并进行了试验验证，能够有效识别轴承故障。

关键词：风机；轴承故障；诊断系统；包络解调

1前言

近些年来，我国轨道交通发展迅速，全国各大城市都在修建地铁、轻轨等现代化交通工程。轨道交通不仅能够缓解拥挤的交通状况，而且已经成为一个现代化城市的必备条件之一。然而地铁大部分是地下密闭空间，当建成运营时，需要地铁的同分系统保证地下空间的通风换气，满足人员新风和设备正常运行的需求。当地铁车辆在隧道间或站台层发生故障，甚至发生火灾时，需要风机正常运行保证把有害烟气及时排到地面，同时吸入新风，风机引导气流方向还能帮助乘客迅速跑到地面。如果风机在这个时候发生故障，将产生严重的后果，因此对地铁站中风机的故障诊断意义重大。风机轴承是风机重要的旋转部件，它的运行质量直接影响整台设备的工作性能。轴承在运转过程中可能会由于各种原因引起损坏，如装配不当、润滑不良、水分和异物侵入、腐蚀和过载等，都可能会导致轴承过早损坏。即使在安装、润滑和使用维护都正常的情况下，经过一段时间运转，轴承也会出现疲劳剥落和磨损而不能正常工作。常见的轴承故障包括磨损失效、疲劳失效、腐蚀失效、断裂失效、压痕失效、胶合失效。地铁站风机轴承故障诊断系统通过对轴承振动和温度信号的诊断，利用包络解调法识别风机轴承早期故障，能够有效规避因轴承故障造成的灾害。

2系统组成

本系统拓扑结构如下图所示，包括复合传感器、前置处理器、诊断主机、开关电源、显示屏模块和继电器模块，其中前置处理器、诊断主机、开关电源、显示屏模块和继电器模块放置在控制箱中。（1）复合传感器：用于实时感知温度和振动信号，信号发送给前置处理器，每个风机轴承座安装1台。（2）前置处理器：用于振动和温度信号的高速采集，信号通过RS485和模拟电压发送给诊断主机。（3）诊断主机：用于信号的处理、故障诊断、报警信号输出和数据的存储。（4）开关电源：用于电源电压转换。（5）显示屏模块：用于状态数据的显示，包括系统状态、故障位置、故障程度、输出状态等。（6）继电器模块：用于报警时输出干接点信号给就地控制箱，进而控制电机的启停。（7）变频器（非本系统供货范围）：提供电机给定频率，通过以太网MODBUS发送给诊断主机，作为诊断主机故障诊断算法的输入参数。（8）就地控制箱（非本系统供货范围）：用于控制电机的启停。

3系统功能

系统功能如下。（1）故障诊断功能。能够通过复合传感器采集轴承的温度和振动信号，对信号进行处理和故障诊断，识别出故障位置（内圈、外圈、滚动体或保持架等）和故障程度。（2）自诊断功能。系统在运行过程中，能够实时检测器件和线路故障，并通过显示屏进行故障提示。（3）控制输出功能。当诊断出严重故障时，能够通过硬线输出停机信号给就地控制箱，停止风机的运行，同时将故障信号反馈给BAS系统。（4）信息显示功能。能够通过显示屏模块显示系统状态、故障位置、故障程度、输出状态等。（5）数据存储和下载功能。诊断主机可保存每起报警前后5min内的传感器输出波形，且总存储时长不低于72h（数据采样频率不低于400Hz），并提供数据下载接口。

4验证试验

4.1试验过程

（1）测点布置。以垂向为零度基准，将振动传感器通过磁座吸附在轴承座外壁端面-90度、-45度、45度、90度位置。（2）被测对象。首先测量正常轴承的振动数据，然后通过激光点蚀对轴承保持架进行局部破坏（如下图所示），破坏后测试故障轴承的振动数据。

4.2试验结论

试验汇总表如下，通过对比正常和故障数据功率谱，正常数据最高尖峰为转频、故障数据最高尖峰为保持架的三倍频，可以通过振动监测方法识别NSK轴承故障（见表1）。

5结语

本文利用包络解调的分析方法对轴承振动信号进行分析和诊断。通过对系统框架进行设计，形成完整的诊断系统。结合现场设备布设情况，提出了适宜现场的加装方案。最后通过试验验证了方案的可行性。将系统应用于地铁风机轴承的状态监测及故障诊断系统中，能够有效保证风机的安全运行。

作者:林小杰 单位:天津轨道交通运营集团有限公司