基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的電力機車牽引變壓器油泵監(jiān)測系統(tǒng)

□ 張龍波 □ 陳文聯(lián) □ 張其強 □ 黎賢鈦

浙江爾格科技股份有限公司 浙江臺州 317113

1 課題背景

我國鐵路事業(yè)正在“客運高速、貨運重載”的主題下飛速發(fā)展。隨著列車運營速度的提高、單列機車牽引噸位的增加，車輛裝備的檢修和維護也面臨著更高的要求［1］。牽引變壓器是電力機車的動力核心，牽引變壓器工作時，會產(chǎn)生大量熱量，如果不能及時將這些熱量傳遞出去，變壓器內(nèi)部溫度過高，會導致線圈老化、絕緣失效等嚴重后果［2］。

當前，發(fā)達國家在鐵路機車檢修領域中通過應用互聯(lián)網(wǎng)信息技術，采用狀態(tài)修與定期修相結合，以狀態(tài)修為主的檢修體制，大大提高了機車的檢修效率及質量。如德國城際特快列車機車檢修信息系統(tǒng)、日本列車檢修信息系統(tǒng)等，都是利用列車上先進的檢測設備、故障診斷設備，以及與維修中心聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸系統(tǒng)，準確預知列車設備狀態(tài)和故障情況，有針對性地進行檢修作業(yè)［3-4］。相比發(fā)達國家，互聯(lián)網(wǎng)信息技術在我國機車檢修領域中的應用較晚，目前也只針對關鍵運行部件開發(fā)了實時信息監(jiān)測系統(tǒng)，多數(shù)機車設備還是處在計劃修加故障修的維修狀態(tài)下。

油泵作為動力部件，應用于電力機車牽引變壓器的強迫油循環(huán)風冷系統(tǒng)中。變壓器冷卻系統(tǒng)工作原理如圖1所示，油泵為變壓器油循環(huán)提供動力，使變壓器達到冷卻效果。如果油泵在運行中出現(xiàn)故障，就會直接影響牽引變壓器的正常運行。但是，油泵的運行狀態(tài)目前尚無法實時監(jiān)測，只能靠定期檢修，事后維修更換，給機車變壓器運行帶來一定的風險。

互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展使工業(yè)設備遠程狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷成為可能。隨著分布式計算、并行計算，以及網(wǎng)格計算等技術的不斷完善和發(fā)展，云計算隨之產(chǎn)生［5］。因此，筆者基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術設計了一種應用主元分析法的電力機車牽引變壓器油泵監(jiān)測系統(tǒng)。

▲圖1 變壓器冷卻系統(tǒng)工作原理

2 總體設計方案

當前，機車變壓器配套使用的油泵多為Y型電機油泵，定子與轉子之間氣隙小，單側氣隙一般為0.3～0.7 mm。轉子軸兩端由軸承支承，且軸的一端裝有葉輪，葉輪隨之轉動使變壓器油循環(huán)流動。變壓器油泵多是潛油運轉，即所有的零部件都浸在變壓器油中。變壓器油的絕緣效果好，可以帶走油泵電機運轉時產(chǎn)生的熱量。正常情況下，油泵電機的運行非?？煽?，因此油泵的壽命決定于軸承的運行壽命，這就要求油泵轉子軸及與之配合安裝的軸承座加工精度、定位精度和安裝精度要高。機車在線路上運行時會受振動、加速度等因素影響，在油泵長期運轉中，軸承會提前發(fā)生磨損甚至失效，進而轉化為定子與轉子間氣隙的變化。若未能及時監(jiān)測軸承的磨損，并在軸承失效前進行預報，就會導致定子與轉子之間發(fā)生摩擦。輕微的定轉子間摩擦會造成油泵工作效率降低，冷卻效果變差，產(chǎn)生異常聲，變壓器油溫升高，變壓器油色譜異常。嚴重的定轉子間摩擦會產(chǎn)生金屬顆粒，若金屬顆粒隨變壓器油循環(huán)進入變壓器中，會導致變壓器燒毀，直至機車停運的重大事故。

因此基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術，筆者設計了電力機車牽引變壓器油泵監(jiān)測系統(tǒng)。這一系統(tǒng)的總體結構如圖2所示，將運行數(shù)據(jù)存儲、故障監(jiān)測、分析計算等核心任務都交由云計算平臺來完成。在云平臺采用基于主元分析法的故障診斷算法，通過對歷史運行數(shù)據(jù)的學習和訓練建立主元模型，再通過對比主元模型與實測樣本的偏離程度來判斷油泵運行時是否發(fā)生故障［6-7］。客戶端負責數(shù)據(jù)的收集和發(fā)送，不再需要負責設備運行信息的分析和存儲，減輕了傳統(tǒng)遠程監(jiān)測系統(tǒng)中客戶端的工作量，降低了整個系統(tǒng)結構的復雜性，同時也增強了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為了便于用戶體驗及訪問，這一系統(tǒng)提供多種客戶訪問方式，可以通過互聯(lián)網(wǎng)方式查詢，也可以在安卓設備上通過定制應用軟件訪問，現(xiàn)場工程師可以通過使用客戶端掃碼的方式查看相關油泵的狀態(tài)信息。

3 關鍵技術

▲圖2 電力機車牽引變壓器油泵監(jiān)測系統(tǒng)總體結構

定轉子之間的氣隙是油泵故障的間接反映，但不適合直接用于故障判斷，因此設計一種基于主元分析法的油泵故障診斷方法。主元分析法常采用的統(tǒng)計指標有霍特林（T2）統(tǒng)計量和平方預測誤差（SPE）統(tǒng)計量。在線監(jiān)測時，將新的采樣數(shù)據(jù)與建立的主元模型進行比較，判斷是否超出了控制限，如果超出，則說明有故障發(fā)生，否則無故障發(fā)生?；谥髟治龇ǖ妮S承故障檢測方法已有學者做過相關研究。許麗等［8］利用主元分析法建立滾動軸承振動信號數(shù)據(jù)模型，采用加速度傳感器獲得軸承振動數(shù)據(jù)，使用T2統(tǒng)計量和SPE統(tǒng)計量進行數(shù)據(jù)處理，從而檢測軸承故障，通過試驗表明這一方法可以有效分辨出軸承的運轉狀態(tài)，實現(xiàn)故障檢測。于達等［9］應用主元分析法建立了挖掘機故障檢測模型，試驗表明該方法對樣本的正確識別率達到95%以上，可有效對挖掘機液壓系統(tǒng)進行故障檢測。

定轉子之間的氣隙變化是油泵軸承故障的間接反映，但變壓器油泵工作環(huán)境特殊，定轉子間氣隙小，安裝位置有限，需要浸入變壓器油中運行，不適合直接采用商用位移傳感器進行故障判斷。油泵軸承失效形式通常有滾動體磨損、滾道磨損和保持架斷裂等，而保持架斷裂通常是由于軸承磨損后，未及時發(fā)現(xiàn)而繼續(xù)運行所引起的。軸承的磨損有徑向磨損與軸向磨損，Eguchi的專利［10］針對普通屏蔽電機的軸承磨損提出了一種基于檢測線圈的監(jiān)測方法，這一方法在定子鐵心中對稱嵌入測量線圈，通過測量線圈的信號變化來監(jiān)測油泵轉子位移的變化，如圖3所示。線圈C1、C3、C5、C7 用于監(jiān)測徑向位移，線圈 C2、C4、C6、C8 用于監(jiān)測軸向位移，然后通過電壓表的輸出值變化獲得轉子徑向和軸向位移。但是這一方法只能獲得Z軸方向的徑向位移變化及X軸方向的軸向位移變化，當油泵轉子在Y軸方向產(chǎn)生位移時則無法監(jiān)測，且并不能獲得監(jiān)測信號的數(shù)字化，只能現(xiàn)場監(jiān)測和預警，無法實現(xiàn)遠程監(jiān)測預警和互聯(lián)網(wǎng)信息化管理。

在筆者所設計的監(jiān)測系統(tǒng)中，電機定子的兩端安裝C1～C8共八個監(jiān)測線圈。前端將C1～C4四個監(jiān)測線圈分為兩對安裝，C1、C3面對面對稱布置，C2、C4 與 C1、C3 分別成 90°夾角面對面布置。后端C5～C8四個監(jiān)測線圈的布置方法與前端基本相同。為了實現(xiàn)軸承的全方位位移監(jiān)測，且不增加監(jiān)測線圈數(shù)量， 對 C2、C4、C6、C8 線圈進行了復用，這四個線圈既用于軸向位移監(jiān)測，也用于徑向位移監(jiān)測。由于油泵軸承故障并非偶發(fā)性故障，故障狀態(tài)會重復性呈現(xiàn)，因此不需要連續(xù)進行監(jiān)測。采用分時組合的方法實現(xiàn)線圈的復用，監(jiān)測線圈的連接方案如圖4所示， 其中C2、C4、C6、C8這四個監(jiān)測線圈采用了 K1～K8共八個電子開關進行切換，以形成C2-C4、C6-C8、C2-C6、C4-C8的監(jiān)測線圈對組合，分時進行功能復用。

▲圖3 文獻［10］測量線圈安裝示意圖

監(jiān)測線圈安裝時，在定子齒中刻一個槽，監(jiān)測線圈的骨架套入定子齒槽。骨架制作時，按照齒槽尺寸設計自鎖掛鉤，當線圈套入齒槽時可自動鎖緊，并使用粘合劑進一步加強線圈與定子齒槽之間的鎖緊強度。

油泵轉子在軸向只有一維自由度X軸，C2-C4及C6-C8監(jiān)測線圈對用于軸向位移檢測。筆者所設計的監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測線圈安裝示意圖如圖5所示，當定轉子之間出現(xiàn)軸向位移Δx時，監(jiān)測線圈所圍面積的磁阻會發(fā)生改變。以C2-C6線圈對為例，轉子軸向位移后，C2線圈輸出基本不變，而C6線圈輸出減小，磁阻變大。對C2及C6線圈輸出的信號進行差動處理，消除其它干擾量的影響，經(jīng)過處理的差動信號即可反映油泵轉子的軸向位移。

▲圖4 監(jiān)測線圈連接方案

與軸向位移相比，徑向位移自由度較大，轉子任何一端都可在YZ平面內(nèi)發(fā)生位移。以轉子發(fā)生Z軸正方向位移為例進行說明，設定子與轉子之間的正常氣隙為d，當轉子在Z軸正方向產(chǎn)生Δz偏移時，C1、C5監(jiān)測線圈側氣隙變小，磁阻減小，而C3、C7側磁阻變大，因此轉子的Z軸徑向位移將導致監(jiān)測線圈C1、C3、C5、C7輸出信號發(fā)生變化。同樣，對C1-C3監(jiān)測線圈對與C5-C7監(jiān)測線圈對的輸出信號進行差動處理，消除油泵負載、電壓等干擾信號的影響，處理后的信號即可反映油泵轉子的徑向位移。

信號從引出端輸出后進入現(xiàn)場監(jiān)測儀的信號調(diào)制電路，信號調(diào)制的主要功能為交流放大，將信號幅值調(diào)整為適合模數(shù)信號采樣的范圍。然后進行模數(shù)信號轉換，轉換后進入后端計算和存儲單元。對于徑向位移監(jiān)測信號，采用高通濾波，濾除50 Hz低頻信號。對于軸向位移監(jiān)測信號，采用低通濾波，濾除高頻信號。再對輸出的信號計算其有效值，并將監(jiān)測線圈對輸出的有效值信號進行合成。通過以上處理，可得到轉子在X、Y、Z軸方向的偏移。系統(tǒng)通過第三代移動通信模塊接入蜂窩通信網(wǎng)絡，進而進入互聯(lián)網(wǎng)獲取云計算的服務。將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)云平臺服務器的數(shù)據(jù)庫中，通過對比主元模型和實時發(fā)送到云端的實測樣本偏離程度，即可判斷油泵是否發(fā)生故障。當油泵轉子出現(xiàn)徑向或軸向位移時，對應現(xiàn)象與監(jiān)測線圈的輸出信號之間有確定性關系，且輸出信號會重復出現(xiàn)。為防止系統(tǒng)誤報警，設置監(jiān)測指標中的任何一個連續(xù)超過控制限次數(shù)即表示出現(xiàn)故障，控制限次數(shù)設置為十次。主元分析法在單一工況下具有較好的性能，且計算量不大，適合用于電力機車油泵軸承的故障監(jiān)測。

▲圖5 監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測線圈安裝示意圖

4 實例分析

在一臺油泵的電機定子上，按上述設計方案安裝監(jiān)測線圈及現(xiàn)場監(jiān)測儀，將油泵安裝在油泵試驗臺上，如圖6所示。連接相關電纜線，接通電源使油泵在額定工況下運行。使油泵正常運轉15 min以上，再通過客戶端發(fā)送學習命令，將此時間段油泵的運行數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，用于訓練主元模型，獲得此油泵的控制限。

▲圖6 油泵運行監(jiān)測試驗

此時，油泵正常運轉，通過客戶端查看油泵的各方向監(jiān)測指標，如圖7所示。油泵各方向監(jiān)測指標均在控制限以下，表明油泵運行狀態(tài)正常。

之后，調(diào)整電機的運行狀態(tài)，采用在一端安裝墊片的方法模擬軸承故障，使油泵轉子發(fā)生偏移，以Z軸方向偏移為例。拆解油泵，在轉子豎直方向的上端加一個0.2 mm厚的墊片，使其發(fā)生單側0.1 mm的偏移，其余參數(shù)不變。組裝油泵完成后，裝在試驗臺上，在額定工況下運行15 min，此時查看油泵運行狀態(tài)，如圖8所示。

由圖8可以看出：監(jiān)測線圈數(shù)據(jù)變化反應靈敏，增加墊片后豎直徑向Z軸數(shù)據(jù)增大明顯，曲線處于控制限上方，數(shù)值超過控制限40%；水平徑向數(shù)據(jù)有所增大，兩個數(shù)據(jù)采樣點的數(shù)值超過控制限；徑向綜合數(shù)據(jù)超過控制限，數(shù)值超過控制限10%；軸向數(shù)據(jù)較正常工況變化不大。由于豎直徑向及綜合徑向的監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)超過控制限十次以上，因此應用軟件會推送故障報警，提醒查看。由此可以看出，轉子運行狀態(tài)的改變可以通過監(jiān)測線圈較靈敏地反映出，進而可以判斷油泵軸承是否發(fā)生故障，實現(xiàn)油泵軸承的故障監(jiān)測。

5 總結

▲圖7 油泵正常運行時各方向監(jiān)測指標

▲圖8 油泵轉子豎直方向偏移0.2 mm時各方向監(jiān)測指標

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術設計電力機車牽引變壓器油泵監(jiān)測系統(tǒng)，可實時監(jiān)測油泵轉子的運轉情況，并將檢測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)皆破脚_，通過云平臺自主學習計算、對比訓練樣本，進而判斷油泵軸承的工作狀態(tài)，做到油泵軸承工作狀態(tài)的在線監(jiān)測。云技術的使用，可以使目前機車變壓器油泵維修由計劃修加故障修向計劃修加狀態(tài)修的方向發(fā)展，可預防油泵故障所產(chǎn)生的人力、物力損失，也可為后期在其它油泵上推廣使用軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)提供參考。