用于大功率永磁直驅(qū)電力機車驅(qū)動系統(tǒng)的PHM系統(tǒng)研究

原志強，張佳峰，宋安東

(中車大同電力機車有限公司 技術(shù)中心，山西 大同 037038)

2018年12月，中車大同電力機車有限公司研制的國際首臺大功率永磁直驅(qū)電力機車下線，目前該車永磁直驅(qū)驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵部件試驗和整車型式試驗都已經(jīng)完成，表明大功率永磁直驅(qū)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實用化階段。后續(xù)該機車將在正線進(jìn)行運行考核，在線路運用考核期間需利用PHM系統(tǒng)跟蹤驅(qū)動系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)，本文針對大功率永磁直驅(qū)電力機車永磁直驅(qū)驅(qū)動單元和牽引電動機的PHM系統(tǒng)開展了研究。

1 大功率永磁直驅(qū)電力機車驅(qū)動系統(tǒng)

大功率永磁直驅(qū)電力機車驅(qū)動系統(tǒng)主要由永磁直驅(qū)電動機、撓性板聯(lián)軸器組成。永磁直驅(qū)電動機具有高功率密度的特點，采用多極結(jié)構(gòu)，空間、材料利用率高[1]，是未來軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展方向。大功率永磁直驅(qū)電力機車用永磁直驅(qū)電動機結(jié)構(gòu)為全新設(shè)計，采用臥式安裝及空心軸結(jié)構(gòu)，散熱采用定子強迫風(fēng)冷、轉(zhuǎn)子密封的冷卻方式，電動機通過端面齒形傳力盤與撓性板聯(lián)軸器傳力盤連接。聯(lián)軸器穿過電動機內(nèi)轉(zhuǎn)子，一端通過傳力盤與電動機轉(zhuǎn)子連接，另一端與輪對連接，輪軸穿過空心的撓性板聯(lián)軸器，實現(xiàn)了電動機直接驅(qū)動輪對。驅(qū)動系統(tǒng)采用直驅(qū)技術(shù)，取消了傳統(tǒng)的齒輪箱，具有維護(hù)周期長、降低噪聲、減少油污染等優(yōu)點。

永磁直驅(qū)電動機控制采用的MTPA及弱磁控制技術(shù)、驅(qū)動單元采用的直驅(qū)技術(shù)，均為大功率機車上首次應(yīng)用，目前該項目機車已通過型式試驗，試驗結(jié)果證明了各項新技術(shù)應(yīng)用良好。由于取消齒輪箱，電動機扭矩通過聯(lián)軸器傳遞到車輪，因此機車與軌道的作用力與采用齒輪箱方式時不同，對電動機控制的精度、響應(yīng)時間要求及驅(qū)動單元機械結(jié)構(gòu)存在影響。軌道交通裝備關(guān)鍵系統(tǒng)的可靠性直接影響列車的整體安全性和可用性[2]，通過PHM系統(tǒng)持續(xù)關(guān)注永磁直驅(qū)電動機及驅(qū)動單元的過程數(shù)據(jù)，為驗證永磁直驅(qū)技術(shù)的可靠性提供依據(jù)。

2 驅(qū)動系統(tǒng)的PHM系統(tǒng)

2.1 基本方案

PHM系統(tǒng)即故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)，是綜合運用傳感器、人工智能、計算機、監(jiān)測和故障診斷等各種先進(jìn)技術(shù)獲取裝備狀態(tài)和故障信息，預(yù)測故障發(fā)展趨勢，以采取有針對性的維修措施[3]。永磁直驅(qū)電力機車驅(qū)動系統(tǒng)的PHM系統(tǒng)由車載PHM系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及地面平臺系統(tǒng)3部分組成，實現(xiàn)車輛及關(guān)鍵部件的故障預(yù)警、故障分析、故障診斷、故障預(yù)測、健康評估及運維決策，實現(xiàn)機車從計劃修到狀態(tài)修的轉(zhuǎn)變，節(jié)約維護(hù)成本。車載PHM系統(tǒng)實現(xiàn)各部件數(shù)據(jù)的采集、本地存儲、實時數(shù)據(jù)融合、清洗和特征提取等；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將車載PHM數(shù)據(jù)以規(guī)范的格式傳輸?shù)降孛嫫脚_系統(tǒng)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要包括原始數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、預(yù)警和報警信息、故障信息等；地面平臺系統(tǒng)接收傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，同時接入設(shè)計數(shù)據(jù)、運維數(shù)據(jù)和檢修數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)上述數(shù)據(jù)的處理和存儲。

大功率永磁機車的每臺永磁電動機及驅(qū)動單元的關(guān)鍵部位安裝了傳感器，用來監(jiān)測電動機軸承溫度、振動、關(guān)鍵部位應(yīng)力及位移等數(shù)據(jù)，同時記錄主要接觸器動作次數(shù)；由PHM車載單元接收傳感器信號并對其進(jìn)行處理、存儲等，同時連接車載天線通過4G/5G信號將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嫫脚_系統(tǒng)。

PHM系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容如表1所示，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 PHM系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容

圖1 PHM系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 PHM系統(tǒng)設(shè)備組成

PHM系統(tǒng)設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)處理設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備及地面平臺設(shè)備。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備即由各類傳感器基于數(shù)據(jù)采集技術(shù)進(jìn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集。永磁直驅(qū)機車PHM系統(tǒng)傳感器主要包括復(fù)合傳感器、無線振動傳感器、無線應(yīng)變傳感器、位移傳感器。傳感器是獲取驅(qū)動系統(tǒng)運行參數(shù)及變化的主要方式，其配置與布局是參數(shù)獲取的關(guān)鍵，傳感器需適應(yīng)機車振動的環(huán)境，同時需具備很強的抗干擾能力。傳感器做為獲取數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，直接影響驅(qū)動系統(tǒng)故障預(yù)測、診斷和健康評估的效率和準(zhǔn)確性。

數(shù)據(jù)處理設(shè)備主要指PHM車載單元。接收數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集的牽引電動機軸承及驅(qū)動單元關(guān)鍵數(shù)據(jù)，剔除錯誤或無效數(shù)據(jù)，從牽引控制單元接收接觸器動作次數(shù)、速度、電壓、電流等信號，為后續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。數(shù)據(jù)進(jìn)入運算單元進(jìn)行處理，通過預(yù)制的特征識別邏輯進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和特征提取，其中數(shù)據(jù)預(yù)處理包括數(shù)據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換處理、去噪處理、濾波處理、壓縮處理和自相關(guān)處理等；特征提取的目的是為了進(jìn)行故障識別和故障隔離。數(shù)據(jù)處理的過程為對初始模式向量進(jìn)行維數(shù)壓縮，去除初始模式中的噪聲和無用信息，融合來自各個信道的故障信息。

數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備主要包括遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸裝置和車載天線，利用4G/5G傳輸技術(shù)將車載PHM系統(tǒng)狀態(tài)信息、故障信息、預(yù)警報警信息等傳輸至地面平臺系統(tǒng)，或者在機車入庫后通過數(shù)據(jù)下載接口進(jìn)行數(shù)據(jù)信息本地下載。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有延時傳輸功能，機車如果在隧道或偏遠(yuǎn)地區(qū)無法實時傳送數(shù)據(jù)時，可在有信號時完成數(shù)據(jù)的延時傳輸。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)性能的好壞決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、實時性，將直接影響數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。

地面平臺設(shè)備主要由數(shù)據(jù)接收服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器及應(yīng)用平臺組成。地面平臺設(shè)備接收到各種數(shù)據(jù)后，依靠永磁直驅(qū)電力機車PHM軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。PHM軟件是整個地面平臺的核心，通過與硬件配合實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控。同時采用基于數(shù)據(jù)的故障預(yù)測技術(shù)，結(jié)合歷史故障數(shù)據(jù)，制定故障閾值，實現(xiàn)接觸器壽命預(yù)測、關(guān)鍵部件故障預(yù)測和維修決策等功能。狀態(tài)監(jiān)控及故障預(yù)測等信息通過永磁直驅(qū)電力機車PHM系統(tǒng)人機界面進(jìn)行展示，并將信息推送至云端實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。PHM系統(tǒng)地面平臺電動機監(jiān)測界面如圖2所示。

圖2 PHM系統(tǒng)地面平臺電動機監(jiān)測界面

2.3 試驗驗證

PHM系統(tǒng)開發(fā)成功后進(jìn)行了地面試驗驗證。試驗按照PHM系統(tǒng)與TCU間通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信調(diào)試，保證數(shù)據(jù)傳輸及解析的正確性；將TCU數(shù)據(jù)、電動機振動數(shù)據(jù)、特征結(jié)果等數(shù)據(jù)按照存儲機制進(jìn)行存儲，通過查看硬盤確定數(shù)據(jù)存儲正確；按照PHM系統(tǒng)與地面平臺間通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸通信調(diào)試，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程回傳及地面展示。試驗結(jié)果顯示，PHM系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸、顯示等功能正常。

PHM系統(tǒng)裝車后，需在機車運行一段時間并積累一定PHM數(shù)據(jù)量后，結(jié)合工況分析數(shù)據(jù)變化趨勢給出合理的故障預(yù)警閾值，即可實現(xiàn)故障預(yù)判，防止故障擴(kuò)大。

3 結(jié)束語

由于大功率永磁直驅(qū)電動機及直驅(qū)技術(shù)為首次在機車上應(yīng)用，對驅(qū)動單元溫度、受力等情況需進(jìn)一步研究。通過PHM系統(tǒng)實時監(jiān)測運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并結(jié)合機車運行的環(huán)境、歷史數(shù)據(jù)等，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等推理算法，預(yù)測各關(guān)鍵部件運行的狀態(tài)，對系統(tǒng)進(jìn)行有效的健康評估，進(jìn)而實現(xiàn)運維決策。PHM系統(tǒng)對永磁直驅(qū)技術(shù)的推廣提供了數(shù)據(jù)支撐，具有重要意義。