长沙地铁2号线区间及车站设备专项维修与改造实施方案

一、引言

长沙地铁 2 号线串联城市东西向主客流走廊，2024 年日均客运量达 52.3 万人次，高峰时最大断面客流 3.8万人次。线路配置电扶梯246 台、16 个站双台螺杆式机组32 台，1 个站双台螺杆式机组（集中供冷 2 个站）1个站三台离心式机组（集中供冷4 个站）共计 37 台、各类灯具18600 余盏，历经 10 年运营后，设备进入性能衰减期。长沙地铁运营数据显示，2024 年电扶梯平均故障修复时长增至58 分钟，较 2019 年上升 67% ；冷水机组夏季日均耗电量达 8900kWh，单位冷量能耗较设计值高 23% ；照明系统年耗电量超 46 万 kWh，能效指标低于现行《城市轨道交通照明设计标准》，设备性能退化导致运维成本年增 12.5% ，且影响乘客通行效率与乘车舒适度[1]。在此背景下，开展专项维修与改造工作，通过材料工程革新与智能控制技术应用，实现设备性能复苏与能效跃升，对保障线路安全高效运营有着重要工程价值。

二、设备现状评估与问题分析

（一）电扶梯设备

采用振动加速度传感器（量程±50g，频率响应0-10kHz）对246 台电扶梯进行为期30 天的监测，结果显示35 台驱动主机振动烈度超11.2mm/s（ISO10816-3 标准限值），其中12 台齿轮箱出现2 倍转频边带振动，峭度值达3.8，提示齿面存在疲劳剥落。扶手带驱动系统经张力计（测量精度±1%FS）检测，18 台张紧力波动范围达18-42kN，导致运行阻力系数增至0.32，电机输入功率超额定值 14.6% 。电气控制系统PLC 程序逻辑分析表明，15 台机组缺乏负载自适应算法，空载运行占比 32% ，年无效能耗达2.8 万 kWh。安全保护装置校验显示，6 台梯级缺失检测开关响应延迟0.62s，裙板间隙超6mm 的部位占比 18% ，不符合 EN115-1：2017 安全规范。

（二）冷水机组设备

采用焓差法测试装置（精度 ±0.2%） ）对37 台冷水机组性能检测，3 台离心式机组COP 值降至 3.87，较设计值 5.2 衰减 25.6% ；34 台螺杆式机组经超 量计（测量误差 ±0.5% ）检测，其中8 台制冷剂泄漏率达 1.2%^′ 年，容积效率降至 82% 。内窥镜（分辨率 发现，转子齿 存在0.3-0.8mm 深度的磨损沟痕，导致压缩比波动幅度达0.4MPa。换热设备垢样分析显 冷凝器铜管结垢厚度0.32-0.58mm，以碳酸钙与硅酸盐为主，热阻增至0.0008m²·K/W。控制系统 议分析表明，16 台机组采用独立控制模式，与空调箱的联动响应延迟超300s，导致冷冻水出水温度偏差达 ±1.8°C ，水力失调率 18.3% 。

（三）灯具设备

使用光谱辐射计（波长范围380-780nm，精度 ±2%） ）对18600 盏灯具检测，T8 荧光灯平均光效降至 52lm/W，较初始值下降 38% ；高压钠灯显色指数Ra 仅为 62， 色温偏移至 2200K， 造成视觉辨识度下降。照度计（测量范围 0-2000lux，精度 ±3%⋅ ）测试显示，站台 域低于 200lux，不符合 GB50157-2013的300lux 要求。电能质量分析仪（采样 畸变率达 12.8% ，功率因数0.76，年耗电量46.2 万kWh，单位面积能耗22 司 明系统蓄 V/100Ah）容量测试显示，38%的电池组20 小时率放电容量低于70Ah，备用时间仅72 分钟，且缺乏在线监测功能，故障发现滞后平均达 26 小时。

三、专项维修与改造方案设计

（一）电扶梯维修改造方案

驱动系统实施模块化升级，对 12 台齿轮磨损机组更换20CrNi2MoV 渗碳齿轮箱，齿面硬度达HRC60-62，配合SKF23030CC/W33 轴承（径向游隙C3 组），使传动效率提升至 96.5% 。扶手带驱动系统加装磁致伸缩位移传感器（精度 ±0.05mm ），实时监测张紧力并反馈至伺服控制器，通过行星齿轮减速器动态调节，确保张力稳定在28±2kN。控制系统升级为 STM32H743 微处理器为核心的边缘计算单元，集成红外阵列传感器（分辨率 32×24） ，采用LSTM 神经网络算法预测客流，实现空载15s 后转速降至0.1m/s，负载率 >30%① 1.2s 内恢复额定速度[2]。安全系统新增基于机器视觉的梯级链监测装置（帧率25fps）与电容式裙板间隙测量仪（量程0-10mm，精度 ±0.02mm⟩ ），数据经 PROFINET 总线传输至运维平台，构建基于随机森林的故障预警模型，平均预警提前时间达23 小时。

（二）冷水机组维修改造方案

螺杆式机组转子采用光纤激光熔覆技术修复，选用CoCrMo 合金粉末（粒度 53-150μm; ），在 1064nm 波长、300W 功率下实现熔覆层厚度 0.5-0.8mm ，硬度 HRC5 ±2 ，经三坐标测量机（精度 ±0.001mm ）检测，转子型线误差 ⩽0.02mm ，容积效率恢复至 95.3% 。换热设备采用高压水射流（压力50MPa）+化学循环清洗，先清除垢层后，注入10%柠檬酸+0.5%缓蚀剂溶液（pH 值3.5-4.0），在 45℃下循环 6 小时，通过涡流探伤仪（灵敏度1级）检测，换热管清洁度达 98.7% ，传热系数提升 21.5% 。针对控制系统联动延迟问题，将16 台独立控制机组升级为BACnet/IP 协议的分布式控制系统，搭载S7-1214CPLC 与室外温湿度传感器（精度 ±0.3°C 、 ±1.5% RH），新增空调箱联动控制模块，缩短联动响应延迟至≤50s；同时采用Elman 神经网络预测冷负荷（误差 ⩽7.2%） ），实现3 台以上机组的动态负荷分配。冷却水塔配置 11kW 变频电机（调速范围 10-50Hz） ），根据冷凝温度（设定值32℃±1℃）自动调节，使冷却水系统能耗降低 32%，

（三）灯具设备节能改造方案

公共区照明更换为 PhilipsFortimoLED 模组（色温 5000K±200K，显色指数 Ra87），通过 DIALux 模拟优化布灯间距，确保站台平均照度355lux，均匀度 0.83，单灯功率由36W 降至18W，光效提升至135lm/W。区间隧道采用IP66 防护等级的 LED 线条灯（功率 24W/m， ），集成微波雷达传感器（探测距离 0-50m^⋅ ），实现列车接近时10s 内亮度提升至 80% ，离去后30s 降至 30% 。应急照明系统更换为磷酸铁锂电池组（容量12V/100Ah），循环寿命 ，配置NB-IoT 通信模块，实时上传电压（精度 ±0.01V） ）、内阻（精度 ±1mΩ ）数据至云平台[3]。控制系统采用 DALI-2 协议智能网关，连接光照传感器（量程0-2000lux，精度 ±2% ）与AI 视频分析摄像机，实现基于环境光与客流密度的动态调光，照明系统总功率降至 86kW，年节电21.3 万kWh，节能率达 46.1% 。

四、实施计划与保障措施

（一）项目实施计划

项目通过WBS 工作分解为6 个一级节点与23 个二级任务包，借助PrimaveraP6 软件搭建四级进度控制网络。电扶梯改造分 3 批次推进，首月完成16 台设备振动模态测试、齿轮箱测绘及20CrNi2MoV 材料预处理；第2-3月实施激光熔覆与轴承座精密镗削，并用德国DVS 集团CNC 齿轮测量中心（P4000 型）检测齿面精度。冷水机组改造利用每日0：00-4：00 非高峰时段进行高压水射流清洗，针对集中供冷 2 个站的双台螺杆式机组，在对应2 个车站各搭建 100RT 临时制冷回路；针对集中供冷4 个站的三台离心式机组，在对应4 个车站各搭建 50RT 临时制冷回路，确保改造期间车站冷量供应稳定。灯具改造结合BIM+RFID 技术定位资产，第4-5 月完成公共区LED 模组更换，通过福禄克Ti400 红外热像仪（ 640×480 分辨率）监测温升，确保回路绝缘电阻≥500MΩ。全周期设 3 个里程碑节点，采用挣值分析法动态管控进度与成本偏差，关键路径浮动时间控制在 ±2 个工作日内。

（二）质量保障措施

建立ISO9001：2015 质量管理体系，编制含32 项停止点检查项目的《关键工序质量控制点清单》。电扶梯齿轮箱装配采用“三坐标测量+激光跟踪” 双验证模式，通过L 绝 激光跟踪仪（空间长度测量不确定度 ）确保箱体平行度 ⩽0.015mm/m ver7 金相显微镜分析，保障熔合线强度≥850MPa、孔隙率 ⩽0.5% 标准，利用杭州远方PMS-80 光谱分析系统校准色温与显色指数，使批次 致性偏差 ⩽3% ，对168 项潜在失效模式做RPN 评估，为 RPN>100 项目配备防错工装，并用基恩士IM-6500 图像尺寸测量仪实施 100% 全检。

（三）安全保障措施

依据 GB50656-2011 构建双重预防机制，作业区用 3mm 厚Q235 钢板围挡与毫米波雷达监测带（探测距离5m，响应时间 <100ms ）隔离。电扶梯改造时启用 SICKS3000 型安全激光扫描仪构建三维防护区，联动Siemens3TK2825 主电路安全继电器，确保急停响应时间 ⩽150ms 。有限空间作业配备 MSA 梅思安Altair5X Ξ 体检测仪， 格执行“30 分钟气体检测”制度。高压设备操作落实“五防”闭锁，配置施耐德SepamS40 继电保护装置（动作时间≤20ms），带电作业使用 VDE 认证绝缘工具（耐受30kV/1min 电压）。建立应急物资智能储备库，配备供气≥45min 的正压式空气呼吸器与70MPa 便携式液压破拆工具组，每季度开展基于FTA 故障树分析的应急演练。

（四）成本控制措施

采用 ABC 分类法管控 386 项物资，对 20CrNi2MoV 齿轮箱、CoCrMo 合金粉末等 A 类物资实施 VMI 供应商管理库存，与蒂森克虏伯签订 72 小时内交货的 JIT 协议。施工成本通过赢得值管理动态追踪，借助OraclePrimaveraCostManagement 模块实时计算 BCWP、BCWS、ACWP，将成本偏差控制在±5%内。针对电扶梯20CrNi2MoV 渗碳齿轮箱采购环节，与供应商协商采用批量定制生产模式，优化齿轮箱加工工艺（含高速干切削技术，1200m/min），使单台齿轮箱生产成本降低 8% ，间接减少切削液消耗量至0.8L/件。设置2%不可预见费专项账户，运用蒙特卡罗模拟法分析12 项高风险成本要素，确保总投资不超批复概算。结算阶段结合BIM 模型算量（精度±1.5%）与三维激光扫描复核，杜绝虚报工程量。

五、结论

本方案通过WBS 工作分解与PrimaveraP6 进度管控，实现电扶梯、冷水机组及灯具设备全周期改造的精准落地。齿轮箱激光熔覆、冷水机组群控优化及LED 智能调光等技术应用，可使设备综合能效提升 18.6% ，故障间隔延长至4800 小时以上。ISO9001 质量管理体系与双重预防机制的构建，保障改造后 35 台曾超标的电扶梯驱动主机振动烈度≤9.0mm/s（低于ISO10816-3 标准限值 11.2mm/s，预留安全余量）、3 台离心式冷水机组COP值恢复至5.0 以上（接近设计值 5.2，实现性能复苏）、照明系统功率密度降至8W/㎡。ABC 分类法与赢得值管理的实施，将成本偏差控制在±5%内，为既有地铁线路设备升级提供可量化的技术范式与工程实践依据。

参考文献

[1] 石洋.BIM 在地铁车站建筑设计中的应用[J].智能建筑与智慧城市，2024，（10）：85-87.

[2] 李婧瑶.城市轨道交通车站设备运营能力维持关键技术研究[D].广东工业大学，2021.

[3] 田治国.基于 BIM 的地铁车站机电设备维修应用分析[J].时代汽车，2021，（04）：20-21.