摘 要:針對飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的故障檢測問題,提出了一種基本范數(shù)稀疏采樣配合距離判別的故障檢測方法。對機(jī)械軸承式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了分析,給出了其典型的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式、關(guān)鍵參數(shù)和可能的故障類型。進(jìn)而依據(jù)稀疏采樣和距離判別構(gòu)建了故障檢測方法。以飛輪轉(zhuǎn)速為測試量,展開故障檢測試驗(yàn),結(jié)果表明:轉(zhuǎn)子的振動(dòng)故障發(fā)生于對應(yīng)的轉(zhuǎn)速區(qū)域有關(guān),在特定轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)速越大飛輪轉(zhuǎn)子的應(yīng)力越高,出現(xiàn)故障的可能性越大。
關(guān)鍵詞:機(jī)械軸承飛輪;飛輪轉(zhuǎn)子;故障檢測
中圖分類號:TH 133" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
隨著我國經(jīng)濟(jì)從常規(guī)模式向高質(zhì)量發(fā)展模式轉(zhuǎn)變,生態(tài)環(huán)境的保護(hù)得到了日益廣泛的重視,使用清潔型能源代替污染能源也成為大勢所趨[1]。在各種儲(chǔ)能技術(shù)中,飛輪儲(chǔ)能是一種綠色的儲(chǔ)能模式,它打破了化學(xué)儲(chǔ)能的污染模式,建立了一種基于動(dòng)能轉(zhuǎn)換的物理儲(chǔ)能無污染新方案。從儲(chǔ)能過程來看,飛輪轉(zhuǎn)子的持續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn),可以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),從而完成儲(chǔ)能[2]。飛輪儲(chǔ)能的儲(chǔ)能過程綠色無污染,而且還具有儲(chǔ)能量大、儲(chǔ)能密度高和設(shè)備使用壽命長都優(yōu)點(diǎn)。不僅如此,飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用范圍也非常廣泛,例如新能源的高速鐵路系統(tǒng)、高能耗的航空航天任務(wù)和高可靠性的UPS電源等。在飛輪儲(chǔ)能的整套設(shè)備中,轉(zhuǎn)子部件是最容易出現(xiàn)故障的部件,需要高度重視[3]。轉(zhuǎn)子部件是飛輪儲(chǔ)能設(shè)備中的主要運(yùn)動(dòng)部件,為了滿足能量儲(chǔ)備需求,轉(zhuǎn)子需要持續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)并攜帶較大負(fù)載。在工作環(huán)境中溫度條件惡劣、振動(dòng)干擾多和應(yīng)力分布不均勻等因素影響下,轉(zhuǎn)子部件可能出現(xiàn)各種問題。因此本文以轉(zhuǎn)子部件為主要對象,進(jìn)行飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)故障檢測的相關(guān)研究。
1 飛輪轉(zhuǎn)子的工作原理和故障分類
1.1 工作原理
本文研究的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)采取的是機(jī)械軸承式飛輪,其機(jī)械結(jié)構(gòu)包括5個(gè)主要組成部分。第一部分,儲(chǔ)能系統(tǒng)中的飛輪轉(zhuǎn)子;第二部分,儲(chǔ)能系統(tǒng)中的滾珠軸承;第三部分,儲(chǔ)能系統(tǒng)中的磁軸承;第四部分,電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換一體機(jī);第五部分,儲(chǔ)能系統(tǒng)的外殼體。機(jī)械軸承式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。
機(jī)械軸承式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)一般在3種狀態(tài)下工作。第一種狀態(tài),充電狀態(tài);第二種狀態(tài),保持狀態(tài);第三種狀態(tài),放電狀態(tài)。在第一種狀態(tài)下,儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)的電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換一體機(jī)具有電動(dòng)機(jī)功能,將外部輸入電能轉(zhuǎn)換為飛輪系統(tǒng)內(nèi)部的機(jī)械能并進(jìn)行儲(chǔ)能;在第二種狀態(tài)下,儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)的電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換一體機(jī)具有電動(dòng)機(jī)功能,但是飛輪轉(zhuǎn)速極低,儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部能量不再顯著增加;在第三種狀態(tài)下,儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)的電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換一體機(jī)具有發(fā)電機(jī)功能,可以利用飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)向外輸送電能。
在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充電或放電過程中,能量的大小與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān),也與轉(zhuǎn)子的最大角速度和最小角速度有關(guān)。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大,最大角速度和最小角速度間的差異越大,飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠儲(chǔ)存和釋放的能量就越大。在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存的全部能量中,能夠釋放出去的能量比例取決于放電深度。該參數(shù)與最小角速度和最大角速度的比值有關(guān)。可見,飛輪轉(zhuǎn)子是影響儲(chǔ)能系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部件,其關(guān)鍵參數(shù)見表1。
1.2 故障分類
實(shí)際工作場景不同,機(jī)械軸承式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的部件也具有不同配置,因此可能發(fā)生多種不同類型的故障,對整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)影響最大的部件是飛輪轉(zhuǎn)子,因此飛輪轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的故障會(huì)成為影響整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)正常工作的最大危險(xiǎn)因素。
飛輪轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)是持續(xù)旋轉(zhuǎn),尤其在高速旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)伴隨產(chǎn)生高溫和強(qiáng)應(yīng)力場,從而產(chǎn)生疲勞損耗,進(jìn)而降低飛輪轉(zhuǎn)子的使用壽命。飛輪轉(zhuǎn)子常見的故障形態(tài)主要包括機(jī)械故障、熱故障和振動(dòng)故障。
第一類,機(jī)械故障。機(jī)械故障產(chǎn)生原因主要是飛輪轉(zhuǎn)子的加工制造誤差,例如其主軸存在一定程度的彎曲,或飛輪轉(zhuǎn)子和定子間的裝配間隙過大等。該類故障一般在飛輪轉(zhuǎn)子出廠或裝配后即存在,需要以機(jī)械手段加以消除。
第二類,熱故障。在高速旋轉(zhuǎn)過程中,飛輪轉(zhuǎn)子自身的溫度場也會(huì)隨之發(fā)生改變,進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力場改變。溫度場和應(yīng)力場伴隨發(fā)生后,會(huì)導(dǎo)致飛輪轉(zhuǎn)子從機(jī)械結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生熱彎曲。這種故障雖然是由溫度場改變引起的,但是根本原因是高速轉(zhuǎn)動(dòng)。
第三類,振動(dòng)故障。因?yàn)轱w輪轉(zhuǎn)子和定子間存在裝配間隙,因此在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,飛輪轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生振動(dòng),持續(xù)振動(dòng)又會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和周圍其他部件發(fā)生碰撞,甚至增加飛輪轉(zhuǎn)子出現(xiàn)裂紋破損的概率。振動(dòng)故障產(chǎn)生的根本原因也是飛輪轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)。
2 飛輪儲(chǔ)能的故障檢測方法設(shè)計(jì)
為了有效檢測飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中的飛輪轉(zhuǎn)子故障,本文構(gòu)建了一種基于稀疏采樣理論的故障檢測方法。稀疏采樣的核心思想是降低采樣頻率、減少采樣點(diǎn),從而降低采樣數(shù)據(jù)量及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。構(gòu)建稀疏數(shù)據(jù)集合后,再利用插值等處理進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)和比較,從而完成故障檢測。對飛輪轉(zhuǎn)子來說,持續(xù)的溫度場溫度信息、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信息、轉(zhuǎn)子振動(dòng)信息和轉(zhuǎn)子應(yīng)力信息都是可以進(jìn)行稀疏采樣的原始數(shù)據(jù)。
稀疏采樣的關(guān)鍵是對待檢測故障信息進(jìn)行重構(gòu),一般可以采用0型范數(shù)進(jìn)行處理,結(jié)果如公式(1)所示。
式中:x為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中待檢測的故障信息的原始信號,為根據(jù)0型范數(shù)重構(gòu)出的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中待檢測故障信息的估計(jì)數(shù)據(jù);argmin|| ||0為0型范數(shù)的函數(shù)體;y為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中待檢測的故障信息的觀測信號;φ為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中待檢測的故障信息的觀測矩陣。
同樣地,待檢測故障信息重構(gòu)也可以采用1型范數(shù)進(jìn)行處理,結(jié)果如公式(2)所示。
式中:為根據(jù)1型范數(shù)重構(gòu)出的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中待檢測故障信息的估計(jì)數(shù)據(jù);argmin|| ||1為1型范數(shù)的函數(shù)體。
利用稀疏采樣的2個(gè)范數(shù)完成信號重構(gòu)后,需要將其與故障數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,這種比對主要依據(jù)距離函數(shù)進(jìn)行判定。歐式距離是數(shù)學(xué)領(lǐng)域常用的距離計(jì)算方式,對本文要解決的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)故障診斷同樣適用,其形式如公式(3)所示。
式中:a為重構(gòu)信號值;b為故障標(biāo)準(zhǔn)值;ai為重構(gòu)信號值在歐式空間中的第i維坐標(biāo);bi為故障標(biāo)準(zhǔn)值在歐式空間中的第i維坐標(biāo);d(a,b)為重構(gòu)信號值和故障標(biāo)準(zhǔn)值間的歐式距離。
曼哈頓距離的計(jì)算方法和歐式距離的計(jì)算方法有一定不同,一個(gè)是采用差絕對值,一個(gè)是采用差方再開根號,但是二者內(nèi)涵基本一致。曼哈頓距離的計(jì)算形式如公式(4)所示。
式中:a'i為重構(gòu)信號值在曼哈頓空間中的第i維坐標(biāo);b'i為故障標(biāo)準(zhǔn)值在曼哈頓空間中的第i維坐標(biāo);d'(a,b)為重構(gòu)信號值和故障標(biāo)準(zhǔn)值間的曼哈頓距離。
3 飛輪儲(chǔ)能的故障檢測試驗(yàn)研究
上文對機(jī)械軸承式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了分析,給出了其典型的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式、關(guān)鍵參數(shù)和可能的故障類型。進(jìn)而根據(jù)稀疏采樣和距離判別構(gòu)建了故障檢測方法。下文將針對本文提出的方法進(jìn)行故障檢測效果驗(yàn)證。
考慮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要故障均與飛輪轉(zhuǎn)速有關(guān),本文進(jìn)行振動(dòng)故障與飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系驗(yàn)證,檢測結(jié)果如圖2所示。
從圖2可以看出,當(dāng)本文試驗(yàn)對象中的飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2300r/min時(shí),飛輪轉(zhuǎn)子的振動(dòng)偏移量為峰值0.5。在1500r/min~3500r/min、7500r/min~9000r/min這2個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),飛輪轉(zhuǎn)子出現(xiàn)振動(dòng)故障的可能性也比較高。
進(jìn)一步檢測不同轉(zhuǎn)速條件下飛輪轉(zhuǎn)子整體的應(yīng)力場變化,從受力的角度考察其發(fā)生故障的可能性,結(jié)果如圖3~圖5所示。
比較圖3~圖5可知,隨著轉(zhuǎn)速不斷提高,飛輪轉(zhuǎn)子整體承受的應(yīng)力也不斷增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí),飛輪轉(zhuǎn)子承受的最大應(yīng)力為7.821MPa;當(dāng)轉(zhuǎn)速為2000r/min時(shí),飛輪轉(zhuǎn)子承受的最大應(yīng)力為70.39MPa;當(dāng)轉(zhuǎn)速為2300r/min時(shí),飛輪轉(zhuǎn)子承受的最大應(yīng)力為782.1MPa??梢?,隨著轉(zhuǎn)速提升,飛輪轉(zhuǎn)子的受力以幾倍甚至10倍的速度在增加。轉(zhuǎn)速越高,飛輪轉(zhuǎn)子發(fā)生故障的概率越大。
4 結(jié)語
本文以飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究對象,研究核心是對飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的故障檢測。為了提升故障檢測的準(zhǔn)確率和效率,本文在距離判別的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一種新的故障檢測方法。該方法以機(jī)械軸承式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)為特定對象,根據(jù)其工作原理進(jìn)行了基本范數(shù)稀疏采樣并配合距離判別的故障檢測流程設(shè)計(jì)。在整個(gè)過程中,對飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)、參數(shù)構(gòu)成和可能的故障進(jìn)行了分類刻畫,對應(yīng)設(shè)置了不同的距離判別模式。在試驗(yàn)過程中,以飛輪轉(zhuǎn)速這一關(guān)鍵參數(shù)為故障檢測對象,進(jìn)行了飛輪轉(zhuǎn)速-振動(dòng)偏移量的分析,并繪制了不同飛輪轉(zhuǎn)速情況下的飛輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力云圖。試驗(yàn)結(jié)果顯示,飛輪轉(zhuǎn)速越大,轉(zhuǎn)子需要承受的應(yīng)力越大,也更容易發(fā)生故障。
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