基于振動分析的自動扶梯狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)研究應(yīng)用分析

　　摘 要:自動扶梯是特種設(shè)備，其安全性與乘客的人身安全密切相關(guān)。自動扶梯狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)警是為保證自動扶梯安全性的預(yù)測性系統(tǒng)，該系統(tǒng)由傳感器，數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)分析軟件等組成，采用振動分析原理，實現(xiàn)故障預(yù)警及維修部件指導(dǎo)，預(yù)防故障或事故的發(fā)生。該系統(tǒng)已在北京軌道交通項目中使用，通過對項目中的典型案例進行分析，詳細闡述該系統(tǒng)應(yīng)用及運行模式，并結(jié)合北京軌道交通 6 號線和大興機場線的使用情況，驗證了采用振動分析方法的自動扶梯狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的有效性及在實際工程中的意義。

　　本文源自張毅; 李欣， 都市快軌交通 發(fā)表時間：2021-06-08

　　關(guān)鍵詞：自動扶梯 振動分析 狀態(tài)監(jiān)測 預(yù)警

　　1 研究背景

　　自動扶梯廣泛應(yīng)用于軌道交通、公交樞紐、綜合性廣場等公共場所，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，自動扶梯數(shù)量已高達 4200 余臺之多，作為與乘客人身安全密切相關(guān)的特種設(shè)備，其運行安全性尤為重要。每臺自動扶梯的制造按國家法律及標準均配置多種安全保護裝置，已保證事件發(fā)生后能有效停止運行[1]。但對于事件誘因及發(fā)展趨勢的評估，缺乏利用現(xiàn)代科技手段進行診斷和研究。基于智慧技術(shù)的成熟發(fā)展，更好的優(yōu)化人工經(jīng)驗判斷，提升安全性及維修能力，是今后運營單位重點的研究方向。

　　自動扶梯狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)警作為一種預(yù)測性系統(tǒng)，可通過傳感器監(jiān)視自動扶梯機械部件的振動信息，分析數(shù)據(jù)變化，解釋監(jiān)視部件的狀態(tài)，并基于振動分析模型判斷自動扶梯的異常運行，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目中實踐應(yīng)用，取得良好的效果。本文通過對工程實踐案例進行闡述分析，以驗證該系統(tǒng)的可用性及實踐效果。

　　2 自動扶梯狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)簡介

　　2.1 基礎(chǔ)架構(gòu)

　　自動扶梯狀態(tài)監(jiān)測與預(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。振動傳感器安裝在自動扶梯的驅(qū)動主機、主機基座、主驅(qū)動輪軸承等主要部位;桁架內(nèi)安裝紅外溫度傳感器，現(xiàn)場設(shè)置數(shù)據(jù)采集器和故障診斷分析器，以收集運行狀況的數(shù)據(jù)[2]。數(shù)據(jù)采集器負責(zé)對振動傳感器和溫度傳感器采集數(shù)據(jù)進行高速模數(shù)轉(zhuǎn)換，傳送至故障診斷分析器進行運算，提取故障特征。

　　2.2 安裝方式

　　振動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，振動傳感器采用螺紋連接方式與底座固定[3]。以驅(qū)動主機測點安裝為例，振動測點分別安裝在電機、減速箱、減速箱基座，其作用分別為：

　　1)驅(qū)動電機外殼振動傳感器，用于監(jiān)測電機軸承運行狀態(tài)。

　　2)減速箱外殼水平與垂直方向振動傳感器，用于監(jiān)測齒輪、軸承運行狀態(tài)。

　　3)減速箱基座固定螺栓和基礎(chǔ)底座固定螺栓振動傳感器，用于監(jiān)測螺栓緊固和驅(qū)動主機振動信息，確保驅(qū)動裝置的穩(wěn)定狀態(tài)。

　　2.3 系統(tǒng)終端顯示

　　自動扶梯的狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)通過系統(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)人員進行針對性維護和檢查。圖 3 所示為監(jiān)控中心。

　　3 數(shù)據(jù)測試

　　自動扶梯預(yù)警系統(tǒng)主要采用旋轉(zhuǎn)機械智能診斷技術(shù)，重點對機械振動、轉(zhuǎn)動軸承等部位進行監(jiān)測，系統(tǒng)可根據(jù)模型診斷軸承內(nèi)/外圈故障、軸承滾動體故障、軸承保持架故障、軸承跑圈故障、軸承潤滑不良故障、減速器齒輪斷齒/磨損故障、主機固定架松動故障、鏈條磨損等故障。通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程監(jiān)測，同時可對異常波形進行后臺再分析，逐步完善故障特征數(shù)據(jù)庫和專家分析規(guī)則[4]。

　　4 典型案例分析

　　4.1 自動扶梯主驅(qū)動鏈故障

　　4.1.1 故障描述

　　預(yù)警系統(tǒng)檢測到某臺自動扶梯減速箱基座振動測點和基礎(chǔ)底座振動測點異常信號，加速度幅值為 1.7m/s2 左右，最大值超過 2 m/s2，如圖 5 所示，達到預(yù)警報警限，并相比較電機測點數(shù)值相差過大。初步判斷，減速器底部受到高頻外力沖擊擾動，但外力沖擊的能量較低 [5],[6];現(xiàn)場停機檢查發(fā)現(xiàn)，主驅(qū)動保護裝置機械機構(gòu)傾斜，主驅(qū)動鏈與保護裝置滑塊產(chǎn)生傾斜角度碰撞。

　　4.1.2 設(shè)備驅(qū)動原理

　　自動扶梯采用鏈傳動，驅(qū)動主機通過主驅(qū)動鏈帶動主傳動軸，主傳動軸再將驅(qū)動力向各驅(qū)動輪傳遞，如圖 6 所示。電機作為動力源，電機振動速度幅值應(yīng)最大，其他測點速度幅值依次減少，減速箱基座振動速度與基礎(chǔ)底座振動速度數(shù)值相近。

　　4.1.3 預(yù)警原因分析

　　主驅(qū)動鏈斷鏈保護機構(gòu)滑塊對鏈條下壓漲緊，由于滑塊固定角度異常，與運動鏈節(jié)產(chǎn)生碰摩，形成沿鏈條方向的沖擊阻力 F，通過受力分析，阻力 F1 分解為 F1x， F1y，如圖 8 所示。向下的 F1y 對減速器驅(qū)動軸產(chǎn)生向下振動加速度 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行傳播，被加速度傳感器采集識別[7]。

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

　　4.1.4 現(xiàn)場維修及系統(tǒng)反饋

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

　　4.2 自動扶梯驅(qū)動電機軸承故障

　　4.2.1 故障描述

　　預(yù)警系統(tǒng)檢測到，某雙驅(qū)動自動扶梯左側(cè)電機端測點達報警線，振動加速度值3.8m/s2，如圖9所示，并反映到右側(cè)驅(qū)動和主驅(qū)軸上測點，均伴有同步波動。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，并通過機械接觸式檢查判斷左側(cè)電機運行時存在噪音。

　　4.2.2 預(yù)警原因分析

　　(1)原始波形頻譜

　　電機測點加速度趨勢增長趨勢最顯著，分析該測點的振動加速度時域波形特征和頻譜，發(fā)現(xiàn)在時域中存在明顯的周期性沖擊特征，且頻譜上存在以 52.34Hz 為間隔的邊帶成分，反映了時域波形周期性沖擊發(fā)生的頻率為 52.34Hz，如圖 10 所示。

　　(2)包絡(luò)譜分析

　　滾動軸承運行時,其內(nèi)圈、外圈或滾動體的故障會引起故障點與接觸面的周期性沖擊[9]。且軸承在當(dāng)速運轉(zhuǎn)下外圈故障特征頻率為 51.693Hz，內(nèi)圈故障特征頻率為 74.607Hz。對電機測點加速度進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)波形中具有周期性的沖擊特征。對包絡(luò)波形進行頻譜分析，包絡(luò)譜中存在 52.34Hz 及其倍頻成分，和理論計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。

　　4.2.3 現(xiàn)場維修及反饋

　　現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)此自動扶梯運轉(zhuǎn)時機艙內(nèi)有明顯異常噪聲，通過傳統(tǒng)機械接觸式檢查伴有異常雜音，更換電機后異常噪聲消除;預(yù)警系統(tǒng)觀察，左驅(qū)動裝置測點的振動加速度趨勢明顯降低，恢復(fù)正常水平，且加速度波形中異常振動沖擊消失，如圖 18 所示。后續(xù)維修拆解電機后，發(fā)現(xiàn)軸承外圈處存在明顯損傷。

　　5 案例總結(jié)

　　狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的簡要設(shè)計理念為“振動位移反映了間隙的大小，振動速度反映了能量的大小，振動加速度反映了沖擊力的大小”。

　　自 2018 年以來，北京軌道交通 6 號線西延線和大興機場線共計 130 臺自動扶梯已全部配置預(yù)警系統(tǒng)。運營時段內(nèi)，共計預(yù)警故障 51 次，其中一級報警 31 次，一級預(yù)警 20 次。對報率達 96.5%，整體提高了服務(wù)保障。

　　6 結(jié)論

　　通過上述應(yīng)用案例分析，采用振動分析方法的自動扶梯狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，可以實時獲取自動扶梯主要部件的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對主要部件速度、加速度、頻譜等進行分析，從而了解部件的運行狀態(tài)并提供預(yù)警。該系統(tǒng)與自動扶梯運行本身的開關(guān)保護裝置不同，可對設(shè)備運行異常進行早期預(yù)警，進而預(yù)防事故發(fā)生，從而進一步提高自動扶梯運行安全性，保護乘客安全。繼北京軌道交通后，南京、西安、青島等城市軌道交通項目已開始試點應(yīng)用。