一种高速铁路隧道通风风机安全监测装置以及方法与流程

本发明涉及高速铁路隧道领域，具体为一种高速铁路隧道通风风机安全监测装置以及方法。

背景技术：

近年来，国内轨道交通事业蓬勃发展，高铁、城际、动车、地铁在全国各省市内均得到大力推动，也取得了很大的进步，而隧道是贯穿城市、山川、河流等阻碍的重要通道，由于隧道需要空气交换、尤其是火灾时更是需要排烟换气，故均安装通风风机按需进行通风工作。

隧道通风风机主要用于公路、铁路及地铁等隧道的纵向通风系统中，提供全部的推力；也可用于半横向通风系统或横向通风系统中的敏感部位，如隧道的进、出口，起诱导气流或排烟等作用。由于通风风机的通风功能、效果和安全性要求，高速铁路隧道中的通风风机一般安装在隧道的两侧，并用坚固的钢结构进行固定。

通风风机经常启停、旋转产生振动、分布离散，风机一旦出现故障，不易为检修员察觉，依靠定期人工巡检，效率低、正确性差，不能及时预警，造成巨大的人工负担。由于高速铁路隧道中列车速度快、活塞风力强，对风机及其安装可靠性要求非常高，风机的故障及结构安全问题将直接威胁着高速列车和乘客人生安全。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高速铁路隧道通风风机安全监测装置以及方法，通过对通风风机的紧固状态、振动状态以及倾斜状态的监测，实现其安全模型构建和安全分析，对安全问题进行预警、判别，减小对通行列车的威胁隐患，降低了人工成本，提升了通风风机的安全可靠性。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种高速铁路隧道通风风机安全监测装置，包括框架、安装在所述框架内的通风风机以及用于承载所述通风风机的底座，还包括用于获取所述框架的紧固状态以及所述底座的紧固状态的应变传感器，用于获取所述通风风机的振动状态的振动传感器，用于获取所述通风风机倾斜状态的倾角传感器，以及可接收且处理所述应变传感器、所述振动传感器以及所述倾角传感器获取的数据的至少一个监测器。

进一步，还包括用于管理所述监测器的远程中控平台。

进一步，所述通风风机、所述底座以及所述框架通过若干螺栓紧固在一起；所述应变传感器安装在所述螺栓上。

进一步，所述通风风机安装有通风风机消声器，所述振动传感器有两个，且均安装在所述通风风机消声器一侧壁上，其中一个所述振动传感器竖直设置，另一个所述振动传感器水平设置且垂直于所述通风风机的轴线。

本发明实施例提供另一种技术方案：一种高速铁路隧道通风风机安全监测方法，可用于上述的装置，所述方法包括：由所述应变传感器获取所述框架的紧固状态以及所述底座的紧固状态，由所述振动传感器获取所述通风风机的振动状态，由所述倾角传感器获取所述通风风机的倾斜状态，由所述紧固状态、所述振动状态以及所述倾斜状态建立安全状态模型；将所述紧固状态、所述振动状态以及所述倾斜状态传递给所述监测器，所述监测器根据所述安全状态模型进行模型初始化，再给所述监测器导入危险状态模型；所述监测器处理所述紧固状态、所述振动状态以及所述倾斜状态，并进行模型分析，当出现所述危险状态模型中的危险特征时，所述监测器发出预警。

进一步，所述所述监测器发出预警具体为将所述危险特征显示并上传至远程中控平台。

进一步，所述再给所述监测器导入危险状态模型包括：预先设置多种危险状态模型，以及所述监测器学习并记录实际危险特征后再补充建立危险状态模型。

进一步，所述由所述应变传感器监测所述框架以及所述底座的紧固状态，具体包括：所述螺栓有八个，所述应变传感器有两个，八个所述螺栓呈4x2的矩形分布，两个所述应变传感器分别安装在其中两个所述螺栓上；另外六个所述螺栓均安装有垫圈，各所述垫圈的高度均小于各所述应变传感器的高度；拧紧八个所述螺栓，所述通风风机的重力值记为fg，位于所述矩形长上的四个所述螺栓的紧固力值按顺序依次记为f1、f2、f3以及f4，得到的其中一个所述应变传感器所受的紧固力的计算式为fn＝f1'+f2+f3'+f4'+fg/2，其中，fn'为fn(n＝1、2、3...8)的一个分量；当任一所述螺栓出现松动，所述fn的值会出现变化。

进一步，所述由所述振动传感器监测所述通风风机的振动状态，具体包括：所述振动传感器有两个，分别监测所述通风风机水平和垂直方向上的振动波形；将测得的振动波形传入所述监测器，所述监测器具有可分别进行波形记录和频率分析的ad采集转换；所述监测器实时采集、处理以及分析所述振动状态，当所述振动状态超出所述安全状态或符合所述危险状态时，所述监测器发出预警。

进一步，所述由所述倾角传感器监测所述通风风机的倾斜状态，具体包括：所述通风风机安装有通风风机消声器，所述倾角传感器水平安装在所述通风风机消声器底部，可以分别监测通风风机轴向和径向的倾斜状态；所述监测器对所述倾斜状态进行采集处理，当所述倾斜状态超出所述安全状态或符合所述危险状态时，所述监测器发出预警。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种高速铁路隧道通风风机安全监测装置，通过监测风机框架和风机底座的紧固状态、风机振动状态及风机倾斜状态等三维参数信息，进行实时分析安全状态，可对多种安全故障进行远程预警，并可通过分析协助排查故障、修复，大大降低了高速铁路隧道中的安全事故风险，降低人工定期检修成本及遗漏风险。一种高速铁路隧道通风风机安全监测方法，安全合理，实施安装方便，具有可实施性，不需要定期人工巡检，降低了人工成本；效率、准确率高，且能及时预警。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种高速铁路隧道通风风机安全监测装置以及方法的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种高速铁路隧道通风风机安全监测装置以及方法的应变传感器第一视角安装示意图；

图3为本发明实施例提供的一种高速铁路隧道通风风机安全监测装置以及方法的应变传感器第二视角安装示意图；

图4为本发明实施例提供的一种高速铁路隧道通风风机安全监测装置以及方法的应变传感器以及各螺栓的力学分布示意图；

图5为本发明实施例提供的一种高速铁路隧道通风风机安全监测装置以及方法的振动传感器安装示意图；

图6为本发明实施例提供的一种高速铁路隧道通风风机安全监测装置以及方法的频域分析原则示意图；

图7为本发明实施例提供的一种高速铁路隧道通风风机安全监测装置以及方法的倾角传感器安装测量示意图；

图8为本发明实施例提供的一种高速铁路隧道通风风机安全监测装置以及方法的安全监测分析原理框图；

图9为本发明实施例提供的一种高速铁路隧道通风风机安全监测装置以及方法的故障分析逻辑框图；

附图标记中：1-框架；2-通风风机；3-底座；4-应变传感器；40-螺母垫片；5-振动传感器；6-倾角传感器；7-监测器；8-通风风机消声器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供一种高速铁路隧道通风风机安全监测装置，包括框架1、通风风机2以及底座3，通风风机2安装在框架1内，然后底座3承载着通风风机2，在框架1的左右两侧可以容纳两台通风风机2，框架1与周围混凝土中的预埋螺丝连接，框架1为通风风机2提供支撑和保护，底座3及框架1在风机工作时会振动。还包括应变传感器4、振动传感器5以及倾角传感器6，应变传感器4用来获取框架1安装好后的紧固状态和底座3安装好后的紧固状态，振动传感器5用来获取通风风机2工作时的振动状态，倾角传感器6用来获取通风风机2工作时的倾斜状态，换句话说，就是获取其姿态是否端正。最后还包括监测器7，利用监测器7来接收上述三种传感器获取的数据，并由其处理。应变传感器4、振动传感器5以及倾角传感器6均通过电缆将所获取的数据传给监测器7。一个监测器7可处理一台通风风机2的振动状态和倾斜状态，以及与此通风风机2配套的框架1和底座3的紧固状态。可根据实际通风风机2的数量来设置一个或多个监测器7。通过对通风风机2全方位状态的监测，即对通风风机2进行三维监测，不仅解放了劳动力，降低了人工监控的成本，且具有极高的精准性。

以下为具体实施例：

优化上述方案，还包括远程中控平台，远程中控平台可以管理监测器7，并将得到的信息呈现给相关工作人员。远程中控平台可以管理多台监测器7，因此可实现对高速铁路隧道中所有的通风风机2的监控，做到安全性能的最大化。

进一步优化上述方案，请参阅图1，应变传感器4是用来获取框架1和底座3的紧固状态的，获取的方式有很多，首先，通风风机2、底座3还有框架1都通过若干螺栓紧固在一起，所以我们将应变传感器4安装在这些螺栓上，即可直接感应是否紧固；还可以直接将多个应变传感器4分别安装在框架1和底座3的固定处附近，若出现松动，应变传感器4也可以迅速感应出来。

进一步优化上述方案，请参阅图1、图2以及图3，通风风机2采用卧式安装，我们采用的用于紧固的螺栓有八个，应变传感器4采用两个，应变传感器4做成通孔螺母结构。在实际安装布置中，在框架1的最下方安装有一横梁，底座3置于横梁的中央位置上，八颗螺栓依次穿过框架1、横梁、底座3以及通风风机2，且竖直设置，然后再将两个应变传感器4套在其中两颗螺栓上，再利用螺母锁紧。八个螺栓的分布是以2x4矩形式来分布的，长有四颗螺栓，宽有两颗螺栓，即第一排有四颗螺栓，第二排也有四颗螺栓，如图2所示，可以看到它们以一条水平中心线分成上下对称的四颗螺栓，而此水平中心线即为通风风机2的轴线。为了能够平衡测量的紧固状态，两个应变传感器4分别安装在第一排其中一个螺栓和第二排的其中一个螺栓上，两个应变传感器4以水平中心线和竖直中心线的交点对称，且均靠近交点。在安装过程中，为了避免安装了应变传感器4的螺栓与未安装应变传感器4的螺栓有太大的差异，影响后续测量，需在未安装应变传感器4的螺栓上设置比应变传感器4高度略低的螺母垫片40，这些螺母垫片40夹于底座3与横梁之间。实际工作中，两个应变传感器4受风机重力、各螺栓紧固力的共同作用，当通风风机2不稳定时，螺栓紧固力减小，应变传感器4即可测量出其状态。

进一步优化上述方案，请参阅图1和图5，通风风机2安装有通风风机消声器8，用于消除通风风机2工作时的噪音，振动传感器5设置有两个，均安装在通风风机消声器8一侧壁上，其中一个振动传感器5竖直设置，用于测量通风风机2振动的垂直方向的振动状态，另一个振动传感器5水平设置且垂直于通风风机2的轴线，用于测量通风风机2水平方向的振动状态。还可以将振动传感器5直接安装在通风风机2上进行测量。两个振动传感器5均为振动速度传感器或者是加速度传感器，它能够准确测量通风风机2振动的原始波形。得到的这一原始波形会被监测器7进行高速采集、模数转换、时域记录、频域分析。通风风机2在工作时，由于旋转产生振动，当通风风机2运行正常、结构紧固，其振动分量满足理论安全范围，当通风风机2本体以及结构部分产生异常时，时域振动波形、频域振动波形的分布都将发生变化，因此监测器7就通过监测、分析振动情况，依靠动态信息分析风机的振动安全状态。

进一步优化上述方案，请参阅图1和图7，倾角传感器6水平安装在通风风机消声器8底部，能够测量通风风机2各个方向上的倾角角度。还可以安装在靠近通风风机消声器8底部的其他位置。在初次安装固定好通风风机2后，先得确认好通风风机2安装得可靠、规范，即保证其实端正的，然后再安装好倾角传感器6，此时倾角传感器6获取的通风风机2的倾斜状态信号是基础值，当倾角传感器6信号发生变化时，监测器7通过与基础值的比对，得出通风风机2或者是整个装置的倾斜状态是否正常。

进一步优化上述方案，请参阅图8和图9，监测器7具备信号采集功能，它能够接收上述三种传感器获取的数据；同时具备高速采样信号功能，能够实现信号的波形记录、频域转换；同时具备风机安全模型信息采集功能，能够建立风机安全模型并初始化安全信息；同时具备危险模型记录功能，能够预先存储非安全状态下各类故障模型；同时具备安全状态监测分析功能，能够根据监测信号进行处理、分析，并根据危险程度进行警示、原因推送，协助维护人员排查故障。其中，应变传感器4获取的数据通过监测器7的采集功能进入力学分析计算，振动传感器5获取的数据通过监测器7的采集功能进入振动分析计算，倾角传感器6获取的数据通过监测器7的采集功能进入姿态(即倾斜角度)分析计算；监测器7的核心处理单元集中力学分析、振动分析、姿态(即倾斜角度)分析结果进行通风风机2安全模型构建，初次运行时采集通风风机2安全数据，并由所得安全数据建立风机安全模型，监测器7内置故障模型特征库，将常规故障特征记录在特征库，并且具备特征学习记忆功能，使用过程中可更新故障特征库。当系统工作过程中，通风风机2或框架1或底座3发生异常时，三种传感器可将异常信号数据传入监测器7，由其分析故障危险程度和故障原因，并及时上传至中控平台。监测器7的核心处理单元采用plc编程实现，其逻辑图如图9所示，当其单项异常时，①应变传感器4中，得知紧固松动，②振动传感器5中，通过振动分析，得知风机(为通风风机2的简称)摩擦加剧、通风风机2动不平衡、风机组件松动、轴承故障等等，③倾斜传感器，得知框架1松动，而出现多项异常时，比如①应变传感器4和②振动传感器5同时出现异常时，得知紧固松动，①应变传感器4与③倾斜传感器同时出现异常时，也得知紧固松动，②振动传感器5与③倾斜传感器同时出现异常时，得知框架1松动，①应变传感器4、②振动传感器5以及③倾斜传感器同时出现异常时，得知松动或其他故障。能够实现实时监测通风风机2安全状态，并且可以就地分析、远程预警和故障推送，实现高速铁路隧道中设备安全的远程化、智能化，贴补国内该应用领域的空白。

本发明实施例提供一种高速铁路隧道通风风机2安全监测方法，可以运用在上述的装置的操作中，本方法包括由应变传感器4获取框架1的紧固状态以及底座3的紧固状态，由振动传感器5获取通风风机2的振动状态，由倾角传感器6获取通风风机2的倾斜状态，由紧固状态、振动状态以及倾斜状态建立安全状态模型；将紧固状态、振动状态以及所述倾斜状态传递给所述监测器7，所述监测器7根据所述安全状态模型进行模型初始化，再给所述监测器7导入危险状态模型；所述监测器7处理所述紧固状态、所述振动状态以及所述倾斜状态，并进行模型分析，当出现所述危险状态模型中的危险特征时，所述监测器7发出预警。采用本方法，能够全方位的监测风机的状态，实现三维建模，减轻了劳动力且具有极高的准确度。

进一步优化上述方案，监测器7发出预警具体为将危险特征显示并上传至远程中控平台。上传的方法包括有无线网络上传、有线网络上传以及通过手机app的方式。采用这种方式，能够便于管理人员及时发现故障信息，并及时消除危险因素。

进一步优化上述方案，再给监测器7导入危险模型具体包括为两个，一是预先设置多种危险状态模型，二是监测器7学习并记录实际危险特征后再补充建立危险状态模型。采用这两种方式，可以使得监测器7在初期就具有识别基本危险状态的能力，而且会随着通风风机2运行的时间变长，监测器7实时学习并记录的危险状态特征就越多，其监测分析越来越精准。

进一步优化上述方案，请参阅图1、图2、图3以及图4，由应变传感器4监测框架1以及底座3的紧固状态，具体包括：采用的用于紧固的螺栓有八个，应变传感器4采用两个，应变传感器4做成通孔螺母结构。在实际安装布置中，在框架1的最下方安装有一横梁，底座3置于横梁的中央位置上，八颗螺栓依次穿过框架1、横梁、底座3以及通风风机2，且竖直设置，然后再将两个应变传感器4套在其中两颗螺栓上，再利用螺母锁紧。八个螺栓的分布是以2x4矩形式来分布的，长有四颗螺栓，宽有两颗螺栓，即第一排有四颗螺栓，第二排也有四颗螺栓，如图2，可以看到它们以一条水平中心线分成上下对称的四颗螺栓，而此水平中心线即为通风风机2的轴线。为了能够平衡测量的紧固状态，两个应变传感器4分别安装在第一排其中一个螺栓和第二排的其中一个螺栓上，两个应变传感器4以水平中心线和竖直中心线的交点对称，且均靠近交点。在安装过程中，为了避免安装了应变传感器4的螺栓与未安装应变传感器4的螺栓有太大的差异，影响后续测量，需在未安装应变传感器4的螺栓上设置比应变传感器4高度略低的螺母垫片40，这些螺母垫片40夹于底座3与横梁之间。拧紧八个螺栓，如图4，通风风机2的重力值记为fg，位于矩形长上的四个螺栓的紧固力值按顺序依次记为f1、f2、f3以及f4，f2是安装了应变传感器4的螺栓的紧固值，得到的其中一个应变传感器4所受的紧固力的计算式为：fn＝f1'+f2+f3'+f4'+fg/2，其中，fn'为fn(n＝1、2、3...8)的一个分量，当任一螺栓出现松动，fn的值会出现变化。具体为：当应变传感器4安装位置松动，f2急剧减小，当非传感器监测位置松动，fn减小导致fn'减小，最终应变传感器4受力fn减小。通过对两处应变传感器4的实时监测，可实现对多处紧固状态的检测分析。

进一步优化上述方案，请参阅图5和图6，由振动传感器5监测通风风机2的振动状态，具体包括：振动传感器5有两个，分别监测通风风机2水平和垂直方向上的振动波形；将测得的振动波形传入所述监测器7，监测器7具有可分别进行波形记录和频率分析的ad采集转换；监测器7实时采集、处理以及分析振动状态，当振动状态超出安全状态或符合危险状态时，监测器7发出预警。工作时，通风风机2启动旋转生产振动，两个振动传感器5分别将通风风机2水平以及垂直方向的振动波形传入监测器7，就地采集装置具备高速ad采集转换，进行波形记录和频域分析，初次安装风机及调试时，确认风机完好、安装紧固，进行安全数据采集。波形频域分析的原则可参考图6的波形变化来分析，图中具体为：x1-y1是初始频域波形，x2-y2是故障特征频域波形，两个波形图上下正对着来看，a1-i1与a2-i2一一对应，当出现故障时，可明显看出波峰a2-i2要比波峰a1-i1高，从左往右来看，a2代表油旋，b2代表保持器或摩擦，c2代表动不平衡，d2代表轴不对心或组件松动，e2和f2均代表组件松动的谐波，g2代表轴承的边频，h2代表轴承。初始化数据采集记录于监测器7，同时监测器7预存储多种故障特征库，系统工作时，监测器7实时采集、处理、分析振动传感器5采集的振动信息，当振动发生异常，并超出设置异常阈值，系统将发出警示，当异常满足一种或多种故障特征，系统将通过中控平台推送故障原因供维护检修人员参考，帮助快速排查故障、恢复通风风机2安全状态。

进一步优化上述方案，请参阅图1和图7，由倾角传感器6监测通风风机2的倾斜状态，具体包括：通风风机2安装有通风风机消声器8，倾角传感器6水平安装在通风风机消声器8底部，可以分别监测通风风机2轴向和径向的倾斜状态；监测器7实时对输送倾斜状态进行采集处理，当倾斜状态超出安全状态或符合危险状态时，监测器7发出预警，并将危险特征显示并上传至远程中控平台。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。