深圳市地铁集团有限公司运营总部
摘要:当前地铁机械设备结构及功能日趋复杂化，人们乘坐地铁图的是便捷、舒适的出行目的，对地铁机械设备的正常、安全、稳定运行的要求越来越高，以期确保自身生命财产安全。本文主要阐述地铁风机故障产生的原因进行分析，并提出诊断方法，供同行借鉴参考。
关键词:地铁风机；故障；原因；诊断方法
前言
近些年来，我国的轨道交通发展迅速，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，需要地铁的通风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。如：地下车站的站台、站厅，隧道区间，这些地方的通风一部分通过活塞风的作用，新风和排风经过风亭吸入和排出，其余大部分是经过轴流风机的机械送风形式进行室内外空气交换。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够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，因此对地铁系统中轴流风机故障原因及诊断方法的研究具有重大意义。
一、地铁轴流风机的结构
（一）轴流风机的基本结构
按照我国对通风机的分类方法，风压在 490Pa 以下，气体沿轴向流动的通风机称为轴流式风机。地铁风机大部分都是轴流风机。轴流风机的主要部件有集流器、流线罩、导叶、叶轮、扩散器、风筒等。图 1 是一般轴流风机示意图。
图1 轴流风机示意图
轴流风机的叶轮由轮毂和叶片组成。轮毂和叶片的联接一般为焊接结构。一般叶片数为4~8 个，其极限范围则在 2 个和 50 个之间，在很多场合下，由于效率上的考虑和方便起见，叶轮直径必须小于管道直径（收缩管道和扩张管道）。为调节叶片安装角度，叶片和轮毂的联接为可调式。可停机调节叶片安装角度，有的可在运转中调节叶片安装角，称为动叶可调式。
（1）传动形式，轴流风机的传动形式通常有电动机直联、带轮、联轴器等3 中形式。
（2）风口位置，轴流风机的风口位置，用入（出）若干角度表示，基本风口位置有4 个，特殊用途可补充增加。
由于流经风机的气流是轴对称的，在圆柱形任意截面上的流动都是均匀的，所以可将圆柱形截面展成平面。导叶和动叶变成无限长叶片的叶栅。叶片截面就其长度、形状和角度而论都与外径处的不同，因为圆周速度是随半径的改变而改变的。
二、地铁风机系统故障分析
当风机发生故障时，都会引起风机的强烈振动，根据对现场使用的轴流风机进行调查与分析，结合多年的经验总结归纳出使风机产生振动的故障原因有：动静摩擦、转子不平衡、油膜涡动、轴系不对中、轴承失效、连接件松动、叶片故障、喘振、油膜振荡、裂轴等。
从振动产生的部位可以看出，风机振动故障发生在：电机方面、通风管道方面、风机方面还有基础方面。如图 2 所示,其中引起振动故障主要出现在风机本身方面，例如：轴承磨损，轴承损坏等。
图 2 风机振动因果图
三、滚动轴承的主要故障形式及产生原因
滚动轴承是风机的主要部件之一，也是风机最容易出现故障的地方。任何一个滚动轴承不可能无限期转动下去。在转动过程中，由于各种原因，可使轴承损坏。如安装不正确，润滑不充分，其中混杂杂质、灰尘等，都可使轴承过早损坏。在安装、润滑、维护都正常的情况下，绝大多数滚动轴承是由于承受反复应力的作用而疲劳破坏。因此，滚动轴承的故障十分复杂，主要故障形式见下表1。
四、故障信息的提取及分析处理
（一）传统故障特征提取方法
1.时域平均技术
时域同步平均技术是从混有噪声干扰的复杂信号中提取特定周期分量的有效方法，也称相干检波法。把信号以给定的周期 T 为间隔截取若干段，然后将所截得的信号段叠加平均，这样可以消除信号中的非周期分量和随机干扰，能将给定周期信号从复杂信号分离出来，提高信号的信噪比。时域同步平均的结果于一个梳型滤波器，在平均次数很大时，通带宽度变得很窄，因此时频同步平均能有效提取与旋转频率相关的周期信号，消除噪声及非相关信号。若选择适当的平均次数就能达到提取相应周期信号，消除噪声干扰的目的。时域平均的关键是按特定整周期截取信号，通常在测量振动加速度信号的同时，测量一个转速同步脉冲信号，一次脉冲信号来触发 A/D 转换器，确保旋转周期截取信号。
2.包络分析技术
包络分析又称解调分析，目的是提取载附在高频信号上的低频信号。从时域看，就是取时域波形的包络轨迹。对于含轴承等部件的旋转机械故障诊断常常用到包络分析。当旋转机械的轴承元件出现局部损伤时，伴随设备运转这些故障会产生周期性瞬时冲击，激起设备的高频固有振动。选择瞬时冲击激起的高频固有振动为研究对象，通过滤波将其从信号中分离出来，然后通过包络检波，提取载附在高频固有振动上的与周期脉冲对应的包络信号，对包络信号进行频谱分析便可提取滚动轴承的故障特征信息。
3.倒频谱分析技术
倒频谱分析是在一般频谱分析的基础上发展起来的分析技术，又称为二次频谱分析技术，在故障诊断中得到了十分广泛的应用。倒频谱分析与对时域信号进行频谱分析相似，对于复杂的功率谱也可以作为进一步的谱分析，以查清功率谱的主要频率成分和变化。
（二）基于小波包算法进行特征提取及分析处理
1.小波包分解是把信号分解成低频(1,0)和高频(1,1)两个部分，在下一层的分解中，将(1,0)分解成低频(2,0)和高频(2,1)两部分，将(1,1)分解成低频(2,2)和高频(2,3)两部分，如此类推，可以进行更深层次的分解。其分解结构如图3所示，共分为 3 层，即尺度数为 3，每个结点都代表一定的信号特征，总信号 S 可以表示为。
S=S30+S31+S32+S33+S34+S35+S36+S37 （1）
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向量T即为归一化后的相对小波包能量特征向量。
五、结束语
故障诊断技术经过几十年的迅速发展，目前已经提出了许多的诊断方法，尤其小波变换在故障诊断中的应用是目前比较流行应用的。同时，基于多种诊断技术的融合也是新的发展趋势。上文提出的小波包分析方法，通过实际实践取得不错的效果，可以准确诊断出故障原因，方便采取相对应措施进行处理。
参考文献:
[1]毛军，薛琳，土丹，李晓.关于地铁轴流风机叶片发生断裂和出现裂纹的分析[J].中国安全科学学报，2003,5(5):75一80.
论文作者:石科
论文发表刊物:《防护工程》2017年第19期
论文发表时间:2017/12/12
标签：风机论文; 轴流论文; 信号论文; 故障论文; 地铁论文; 叶片论文; 包络论文; 《防护工程》2017年第19期论文;