張 毅，李 欣

（1. 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司 城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室，北京 100068；2. 新華三技術(shù)有限公司北京研究所，北京 100102）

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4 200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，以保證事件發(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)代科技手段進行的診斷和研究?；谥腔奂夹g(shù)的成熟發(fā)展，更好地優(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)警系統(tǒng)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。通過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。

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

1.1 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的數(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。

圖1 自動扶梯狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)Figure 1 Escalator condition monitoring system

1.2 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](見圖2)。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、減速箱基座上，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)。

圖2 驅(qū)動主機構(gòu)成及測點安裝位置Figure 2 Composition of driving host and installation location of measuring point

1.3 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。

圖3 監(jiān)控中心Figure 3 Monitoring center

2 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、鏈條磨損故障等。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]。自動扶梯狀態(tài)監(jiān)測曲線圖譜見圖4。

圖4 自動扶梯狀態(tài)監(jiān)測曲線圖譜Figure 4 Escalator condition monitoring curve

3 典型案例分析

3.1 自動扶梯主驅(qū)動鏈故障

3.1.1 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1.7 m/s2左右，最大值超過2 m/s2，如圖5所示，達到預(yù)警報警限值，經(jīng)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。

圖5 故障發(fā)生測點加速度幅值波形Figure 5 Waveform of acceleration amplitude at fault measuring point

3.1.2 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。

圖6 自動扶梯傳動原理Figure 6 Escalator drive principle

3.1.3 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，F(xiàn)1y，如圖7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]。

圖7 沖擊力分析Figure 7 Impact force analysis

驅(qū)動鏈條節(jié)距為38.1 mm，驅(qū)動鏈線速度0.65 m/s，沖擊力F1周期約為 58 ms，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?，F(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]。

3.1.4 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。

圖8 檢修后測點加速度幅值變化Figure 8 Acceleration amplitude change of measuring point after maintenance

3.2 自動扶梯驅(qū)動電機軸承故障

3.2.1 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)電機端測點達到報警線，振動加速度值3.8 m/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?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，并通過機械接觸式檢查判斷左側(cè)電機運行時存在噪聲。

圖9 電機、減速箱測點加速度幅值變化Figure 9 Acceleration amplitude change of motor and gearbox measuring points

3.2.2 預(yù)警原因分析

1) 原始波形頻譜。電機測點加速度增長趨勢最顯著，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52.34 Hz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52.34 Hz，如圖10所示。

圖10 電機測點加速度波形、頻譜Figure 10 Acceleration waveform and frequency spectrum of motor measuring point

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)前速度運轉(zhuǎn)下外圈故障特征頻率為51.693 Hz，內(nèi)圈故障特征頻率為74.607 Hz。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52.34 Hz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。

圖11 電機振動加速度包絡(luò)波形和包絡(luò)譜Figure 11 Envelope wareform and envelope spectrum of motor vibration acceleration

3.2.3 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12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。

圖12 驅(qū)動裝置測點加速度趨勢Figure 12 Acceleration tendency of driving device measuring point

4 案例總結(jié)與結(jié)論

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。

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。