動車組牽引電機的故障預(yù)測與健康管理技術(shù)的研究

徐博

(遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 遼寧錦州 121000）

動車組系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，包含了牽引系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)，構(gòu)成動車基礎(chǔ)的各個系統(tǒng)的健康狀況，對動車基礎(chǔ)的安全運行起到了關(guān)鍵作用，為了保證動車機組的各個部件能夠安全穩(wěn)定運行，目前針對動車機組主要采用計劃檢修的方式對動車機組進行檢測，這種檢修方式會造成動車機組的零部件的過度檢修，以及存在動車機組的零部件檢修不足的情況。同時隨著我國動車組數(shù)量的增多，工作量也大大增加。目前，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)與PHM技術(shù)的不斷發(fā)展，通過對動車組的各個子系統(tǒng)進行全面的智能監(jiān)測與故障預(yù)測來判定各個子系統(tǒng)的健康狀態(tài)，為檢修人員提供參考數(shù)據(jù)，使檢修方式有計劃修逐步向狀態(tài)修轉(zhuǎn)變，這樣有利于延長動車組使用壽命，降低運維成本。牽引電機是動車組的關(guān)鍵設(shè)備之一，其健康狀況直接影響了動車組的安全運行。

1 電氣故障診斷及絕緣健康管理

1.1 絕緣老化機理研究

動車機組的零部件絕緣老化主要是針對動車機組的電機結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)存在老化絕緣以及存在過熱情況下，導(dǎo)致機組絕緣系統(tǒng)的電機性能降低，引起機組的電機在運行情況下發(fā)生故障。對于機組電機，電機的絕緣系統(tǒng)熱老化主要是由于電機長期的使用造成的，并且對于動車基礎(chǔ)而言，若運行狀態(tài)中存在過熱的情況，會導(dǎo)致繞組以及連接線的絕緣部分發(fā)熱老化。動車機組在過載運行情況下，容易導(dǎo)致機組的局部存在燒毀的情況，當(dāng)動車機組的軸承等機械零部件發(fā)生故障的時候，會造成動車機組電機定轉(zhuǎn)子中心不對稱運行，電機的鐵芯位置出現(xiàn)局部過熱導(dǎo)致鐵芯的絕緣層被破壞。此外，在機組電機運行過程中，由于機械應(yīng)力等原因，會使得動車機組的牽引電機在運行過程中產(chǎn)生線圈振動以及互相摩擦等情況，會導(dǎo)致絕緣機組的外部絕緣層產(chǎn)生磨損，破壞電機絕緣性能為了對電機的電氣故障進行有效的診斷，通常采用對交流電機的故障信號進行交直流分解的方式，對電機產(chǎn)生的各種故障頻率成分進行動態(tài)分析，實現(xiàn)電機的故障類型檢測，通過對電氣中流過的電流峰值以及電流的均方根值對電機中的電信號進行處理，對電機產(chǎn)生的故障進行判定,如表1所示。

表1 電機故障信號中的各種頻率成分

1.2 絕緣試驗方案設(shè)計

通過對電機的表面絕緣層進行絕緣實驗，可以有效對動車機組的電氣絕緣材料以及絕緣零部件和動車基礎(chǔ)的電機運行特性進行模擬仿真，通過電機基礎(chǔ)的絕緣材料的絕緣老化性能以及電機在不同狀態(tài)下的電流變化情況進行模擬，可以為電機的故障診斷提供有效的判據(jù)。在對電機的故障絕緣位置進行診斷的過程中，主要針對電機的絕緣材料分層故障，絕緣材料不分層故障，以及短路故障和整車材料斷條等故障類型進行分析。針對電機的整車性能，可以將電機置于熱環(huán)境，強電環(huán)境，機械環(huán)境，以及耦合環(huán)境中對動車基礎(chǔ)的整臺電機進行實驗測試。其中針對電機的分層故障措施，根據(jù)橫截面積寬度分成小于20%，20%～50%分層和50%以上三個分層階段分別進行測試，對電機的泄漏故障主要按照電機轉(zhuǎn)速分為低速、中速、高速3種不同的轉(zhuǎn)速工況分別進行測試。

1.3 信號處理分析

當(dāng)動車機組的電機發(fā)生故障的時候，動車機組的母線耦合電容信號會產(chǎn)生突變信號，結(jié)合耦合電容器的突變信號和相位信號，電流信號，電壓信號可以對動車機組運行故障過程中電機的故障類型進行有效的識別，如圖1所示。

圖1 故障信號處理分析

1.4 健康管理

牽引電機絕緣健康管理架構(gòu)如圖2所示

圖2 牽引電機絕緣健康管理架構(gòu)

2 牽引電機機械故障診斷及軸承健康管理

2.1 轉(zhuǎn)子與軸承故障機理研究

在動車機組的牽引電機設(shè)計中，牽引電機的機械故障主要包括電機的轉(zhuǎn)子故障，軸承故障等等，其中轉(zhuǎn)子故障和軸承故障這兩類故障為常見故障高發(fā)部件，并且損傷率較高。因此在對牽引電機進行故障分析的時候，主要通過分析振動時域以及頻率中對應(yīng)的特性頻率，從而對牽引電機中的軸承具體位置進行故障判別。

其中動車機組的牽引電機轉(zhuǎn)子故障主要包括不平衡故障，不對中故障等等，當(dāng)牽引電機的轉(zhuǎn)子發(fā)生故障時，故障的特征頻率為轉(zhuǎn)子頻率的整數(shù)倍，因此當(dāng)電機的軸承發(fā)生損傷故障的時候，損傷位置可能出現(xiàn)在電機轉(zhuǎn)子的內(nèi)圈、外圈或者是滾動體上，甚至可能同時出現(xiàn)在多個元件位置，因此得到的牽引電機的故障信號較為復(fù)雜，需要對電機的軸承振動信號與各個故障特征信號的頻率分別進行分析，才能對牽引電機的軸承的故障類型進行診斷，如表2所示。

表2 軸承各種故障特征頻率

2.2 轉(zhuǎn)子與軸承故障模擬實驗方案設(shè)計

針對動車機組不同類型的轉(zhuǎn)子型號，發(fā)生不同類型的故障，以及轉(zhuǎn)子軸承位置在不同的載荷條件下，分別對牽引電機進行實驗，對牽引電機的軸承力學(xué)模型特性進行驗證分析，可以獲得牽引電機軸承在不同的條件下的實驗數(shù)據(jù)，為電機的故障類型和使用壽命預(yù)測進行數(shù)據(jù)支撐，在牽引電機的前后端軸承當(dāng)中常見的軸承故障主要有12類。常見的包括外圈微弱故障，外圈嚴重故障，內(nèi)圈微弱故障，內(nèi)圈嚴重故障等等，將每一種故障類型采用多個樣本在真實環(huán)境進行模擬實驗，可以得到較為準確的故障類型判定數(shù)據(jù)結(jié)果，對牽引電機在實際發(fā)生故障條件下的運行工況提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

2.3 轉(zhuǎn)子與軸承健康管理模塊

健康管理模塊主要包括兩個部分：第一是狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷模塊，第二是壽命預(yù)測模塊，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子與軸承健康管理模塊

3 其他關(guān)鍵技術(shù)

3.1 車載硬件系統(tǒng)

車載監(jiān)測診斷硬件系統(tǒng)的框架如圖4所示。它通過PXI總線形式進行數(shù)據(jù)交互，便于多通道的信號采集的擴展。

圖4 車載監(jiān)測診斷硬件系統(tǒng)的框架

3.2 大數(shù)據(jù)健康管理平臺

引入新一代物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算以及移動化等信息技術(shù)，實現(xiàn)運行設(shè)備的全面監(jiān)測、診斷與狀態(tài)預(yù)示。牽引電機大數(shù)據(jù)健康管理平臺包括如下五個關(guān)鍵組成部分：（1）智能化物聯(lián)平臺。實現(xiàn)一張機車健康傳感數(shù)據(jù)網(wǎng)，從而實現(xiàn)全面感知與可靠傳遞；（2）智慧化大數(shù)據(jù)分析中心。智慧化大數(shù)據(jù)分析中心利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)維修維護海量數(shù)據(jù)精準分析；（3）健康管理示范應(yīng)用。涵蓋產(chǎn)品生命周期管理、維修維護過程管理、人員協(xié)同調(diào)度等全方位應(yīng)用支撐；（4）私有云數(shù)據(jù)中心。私有云數(shù)據(jù)中心是靈活高效、性能穩(wěn)定、多樣化的彈性資源池和數(shù)據(jù)資源基礎(chǔ)設(shè)施；（5）端到端安全體系。構(gòu)建全局化的安全保障鏈條。

4 結(jié)語

目前動車機組的PHM系統(tǒng)主要完成了動車機組的系統(tǒng)搭建以及運行數(shù)據(jù)采集和運行狀況分析等。其中各個子系統(tǒng)運行工況較為穩(wěn)定，通過對已有的大量有用數(shù)據(jù)進行采集分析為后續(xù)動車機組的牽引電機的維修狀況提供了有效的數(shù)據(jù)支撐，隨著新一代智能高鐵技術(shù)的PHM檢驗技術(shù)的逐漸應(yīng)用，對動車機組的牽引電機的安全運行提出了新的要求，因此對牽引電機的故障檢測和健康管理技術(shù)研究具有重要的意義，隨著傳感器技術(shù)，大數(shù)據(jù)技術(shù)，人工智能技術(shù)的不斷應(yīng)用，針對動車基礎(chǔ)的牽引電機故障檢測技術(shù)應(yīng)用范圍將會不斷的擴大，為實現(xiàn)動車機組的返修機制的完善，以及對動車機組電機由計劃維修向狀態(tài)維修的轉(zhuǎn)變提供有效的數(shù)據(jù)支撐，能夠有效保證動車機組的運行效率。