智能运维与健康管理-第10章

第十章：高铁故障预测与健康管理引言1系统架构2牵引电机故障诊断与健康管理关键技术3牵引电机故障诊断与健康管理的系统实现4思考题与习题5讲义提纲引言引言高速铁路动车组列车（下文简称“高铁”）是中国高端制造业崛起的重要标志以及“制造强国”、“一带一路”的一张靓丽名片。引言高铁车辆属于典型复杂机电系统，由于缺乏有效技术装备和系统长期运行的经验积累，我国铁路部门普遍沿用劳动力密集型计划维修（即定期维修）体制。造成维修量大、工作强度高、准确性不足的局面。引言《中国制造2025》轨道交通的示范项目中提出：以绿色智能轨道交通车辆为“移动终端”，集成车载智能化状态监测、故障灾害监测系统等网络化、智能化技术，探索建立“基于物联网的轨道交通装备全寿命周期服务体系”。实现我国高铁高效、准确、低成本的运行维护是未来高铁技术的发展重点。引言必要性主机企业提升产品服务能力与水平的需求轨道交通行业可持续发展的迫切需求轨道交通装备技术发展的迫切需求“中国制造2025”、“走出去”战略需求上述4项需求决定了高铁故障预测与健康管理技术的重要性和迫切性。系统架构系统架构参考IS013374标准，健康管理（PHM）体系结构主要由8个模块组成，因此，从功能划分和模块化设计的角度，高铁故障预测与健康管理系统至少应实现数据采集、数据处理、状态监测、健康评估、故障预测、决策支持6个功能。任务计划轨道交通装备故障预测●基于模型●基于经验……决策支持●维修决策●备件管理……数据采集●传感器1●传感器2……数据处理●预处理●降维……●特征提取状态监测●阈值判断●偏离度……●状态判断健康评估●特征提取●异常检测……●诊断推理-人机接口-与其它系统接口……物理模型系统架构10在综合考虑PHM功能需求，用户使用需求，主机厂、供应商需求和顶层技术要求的基础上，确定了轨道交通装备故障预测与管理系统总体架构。轨道交通装备故障预测与健康管理系统总体架构■车载PHM系统■车地数据传输系统■地面PHM系统PHM功能需求用户使用需求主机厂/供应商需求顶层技术要求系统架构状态显示、故障预警制动系统空调系统牵引系统车体转向架...车载PHM系统卫星信号接收装置数据存储主机厂/供应商基站3G/4G/LTE/WIFI卫星传输车地数据传输系统设计数据运维数据地面感知数据网关故障分析、故障诊断、健康评估、故障预测、运维决策地面PHM系统报警预警诊断分析健康管理高铁PHM系统架构包含三个主要子系统：车载PHM系统、车地数据传输系统、地面PHM系统。三个网络：车载传输网络车地传输网络地面传输网络二套系统：车载硬件和软件地面硬件和软件一个平台：应用平台系统架构2.1车载PHM系统制动系统空调系统牵引系统车体转向架...子系统PHM单元加速度传感器温度传感器速度传感器压力传感器车厢节点车厢节点车厢节点车载传输环网隔离装置列车既有控制网络既有控制网络设备车载天线地面数据中心3G/4G/LTE/卫星/WIFI远程数据传输装置防火墙基站车载PHM系统包括两大部分：车载传输网络和车载软硬件•车载传输网络主要利用工业以太网进行数据信息的传输。•车载软硬件包括车载PHM单元、子系统PHM单元、远程数据传输装置。系统架构2.2车-地数据传输系统车-地数据传输系统采用包含卫星、3G/4G/LTE移动通讯网络、近场WiFi等多渠道将车上数据传输到地面数据中心。车载传输网络主要利用工业以太网进行数据信息的传输。地面数据中心接入网关基站基站数据接收服务器卫星3G/4G/LTEWIFI接入网关接入网关系统架构2.3地面PHM系统地面PHM系统接收车辆传输到地面的数据和接入设计数据、运维数据、地面监测系统数据，进行数据处理、存储和应用展示。实现以下的功能：状态监控、故障预警、故障诊断、故障分析、健康评估、故障预测、运维决策数据处理服务器数据接收服务器运行动车组车载采集数据设计数据运维数据地面监测站感知数据应用平台状态显示故障预警故障分析故障诊断健康评估故障预测运维决策基础数据库实时数据库诊断数据库故障数据库健康数据库数据融合数据挖掘数据解析数据清洗数据建模数据存储服务器地面PHM系统设计部门制造部门检修部门运维部门运用段/所管理部门检修基地主机厂/供应商用户3G/4G/LTE/WIFI数据接入服务器光纤光纤卫星系统架构2.3地面PHM系统实现功能状态监控故障预警故障预测健康评估故障诊断故障分析运维决策应用平台牵引电机故障诊断与健康管理关键技术牵引电机故障诊断与健康管理关键技术牵引电机是高铁列车的关键设备，对高铁安全至关重要，牵引电机故障诊断与健康管理是高铁健康管理的重要子系统及子模块。。电气故障诊断及绝缘健康管理机械故障诊断及轴承健康管理车载硬件系统大数据健康管理平台1234牵引电机故障诊断与健康管理关键技术18牵引电机故障诊断与健康管理关键技术3.1电气故障诊断及绝缘健康管理•1.绝缘老化机理研究绝缘系统是电机结构中较薄弱的环节，老化、磨损、过热、受潮、污染、电晕都可以导致绝缘系统的电气性能降低，从而引发其它故障的发生。牵引电机故障诊断与健康管理关键技术绝缘的热老化：电机长年累月的使用经常过载运行，由于过热导致绕组及其连接线的绝缘发生热老化，从而使得绝缘材料的绝缘强度降低或丧失。局部烧损：由于轴承等机械零件发生故障，造成电机定转子中心不对称发生扫膛，铁芯出现局部高温导致主绝缘被破坏而接地。3.1电气故障诊断及绝缘健康管理•1.绝缘老化机理研究牵引电机故障诊断与健康管理关键技术机械损伤：由于外伤，机械应力等原因使得牵引电动机在运行中产生线圈振动、互相摩擦挤压、局部位移导致绝缘损坏。铁磁损坏：由于在槽内或线圈上附有铁磁物质而产生振动，导致绝缘磨损。若铁磁物质较大，还会产生涡流，导致绝缘的局部热损坏。3.1电气故障诊断及绝缘健康管理•1.绝缘老化机理研究牵引电机故障诊断与健康管理关键技术为了诊断绝缘引起的电气故障，最有效的方法是通过分解交流电机故障信号中的各种频率成分来揭示动态波形中所包含的反映故障类型，并通过电流峰值或均方根值的大小对故障程度进行评定3.1电气故障诊断及绝缘健康管理•1.绝缘老化机理研究牵引电机故障诊断与健康管理关键技术3.1电气故障诊断及绝缘健康管理•1.绝缘老化机理研究典型故障中心频率（CF）定子机械的（如线圈松动、铁心位移等）CF=RS×定子槽数线频边带定子短路（绕组短路）CF=RS×定子槽数线频边带伴随转频边带转子指示CF=RS×转子条数线频边带静态偏心CF=RS×转子条数线频和两倍线频边带动态偏心CF=RS×转子条数线频和两倍线频边带伴随转频边带机械不平衡（和不对中）CF=RS×转子条线频边带，4倍线频间隔，然后是2倍线频峰值牵引电机故障诊断与健康管理关键技术3.1电气故障诊断及绝缘健康管理•2.绝缘试验方案设计进行绝缘实验可递进式对绝缘材料、绝缘部件和整体电机的真实情况进行模拟，了解绝缘材料、绝缘部件的老化性能，收集不同老化状态下的电流变化情况数据为故障诊断做数据支持。牵引电机故障诊断与健康管理关键技术3.1电气故障诊断及绝缘健康管理•2.绝缘试验方案设计分别针对绝缘材料、绝缘部件以及整机，预制九类故障（绝缘材料分层故障、绝缘部件分层故障、绝缘部件匝间短路、绝缘部件对地短路、绝缘部件端部泄露、整机绝缘材料分层故障、整机匝间短路、整机对地短路、整机端部泄露、整机断条），每类故障提供5个样本。牵引电机故障诊断与健康管理关键技术3.1电气故障诊断及绝缘健康管理•2.绝缘试验方案设计针对绝缘材料和绝缘部件，分别开展四种环境下（热环境、强电环境、机械环境、耦合环境）的老化性能试验；牵引电机故障诊断与健康管理关键技术3.1电气故障诊断及绝缘健康管理•2.绝缘试验方案设计针对整机，开展台架实验测试。分层故障分为横截面宽度的20%以下分层、20%-50%分层以及50%以上面积分层；整机端部泄露按额定转速分低速-中速-高速（低速为额定转速20%以下，时间占比20%；中速为额定转速20-50%，时间占比40%；高速为额定转速50%以上，时间占比40%）三种工况测试；牵引电机故障诊断与健康管理关键技术3.1电气故障诊断及绝缘健康管理•3.绝缘实验步骤规划（1）绝缘材料性能试验，为绝缘部件性能试验提供数据支持。做绝缘材料在热环境中的分层老化故障试验。做绝缘材料在强电环境中的分层老化故障试验。做绝缘材料在机械动态环境中的分层老化故障试验。做绝缘材料在热、电和机械耦合环境中的分层老化故障试验。牵引电机故障诊断与健康管理关键技术3.1电气故障诊断及绝缘健康管理•3.绝缘实验步骤规划（2）绝缘部件性能试验，为牵引电机整机绝缘性能试验提供数据支持。做绝缘部件分层故障环境试验。做绝缘部件匝间短路故障环境试验。做绝缘部件对地短路故障环境试验。做绝缘部件端部泄露故障环境试验。牵引电机故障诊断与健康管理关键技术3.1电气故障诊断及绝缘健康管理•3.绝缘实验步骤规划（3）牵引电机整机绝缘性能试验。做牵引电机整机绝缘材料分层台架故障试验。做牵引电机整机绝缘匝间短路台架故障试验。做牵引电机整机绝缘对地短路台架故障试验。做牵引电机整机端部泄露台架故障试验。做牵引电机整机绝缘断条台架故障试验。牵引电机故障诊断与健康管理关键技术3.1电气故障诊断及绝缘健康管理•4.信号处理分析电机发生绝缘故障时母线电容耦合器信号会产生突变，结合相位信息、电流、电压信息可对常见故障进行故障判别。电流电压电容耦合器信号采集电容耦合器信号预处理信号时域分析信号频域分析信号时频域分析故障特征提取故障诊断结果各类绝缘故障信号特征滤波降噪牵引电机故障诊断与健康管理关键技术3.1电气故障诊断及绝缘健康管理•5.健康管理牵引电机绝缘健康管理架构如图所示。绕组对地绝缘试验绕组匝间绝缘试验绕组相间绝缘试验不同载荷不同转速启停机数据采集与存储故障信号分析绝缘故障信号特征电容耦合器信号采集信号处理特征提取设备运行状态大数据健康管理平台离线试验在线监测不同试验条件下的故障信号特征信息在线监测信号的特征信息牵引电机故障诊断与健康管理关键技术3.2牵引电机机械故障诊断及轴承健康管理在牵引电机中，机械故障主要包括转子及轴承故障，这两类故障属于典型的故障高发部件，在牵引电机中作用重大而且损伤率高，可通过分析振动时域特征及频谱中相对应的特定频率来确认轴承具体位置的故障类型。机械故障诊断及轴承健康管理主要包含五个步骤，分别为转子与轴承故障机理研究、试验方案设计、试验步骤规划、信号处理分析与健康管理模块设计。牵引电机故障诊断与健康管理关键技术3.2牵引电机机械故障诊断及轴承健康管理•1.转子与轴承故障机理研究转子故障主要包括不对中与不平衡，故障特征频率为转频及其倍频，而当轴承发生损伤类故障时，损伤点可能出现在内圈、外圈、保持架或是滚动体上，或同时出现在不同的元件上，损伤点越多振动信号就越复杂。对比轴承振动信号特征与各个故障特征频率便可对轴承的各类故障进行诊断。牵引电机故障诊断与健康管理关键技术3.2牵引电机机械故障诊断及轴承健康管理•1.转子与轴承故障机理研究故障特征频率中心频率（CF）外圈故障特征频率𝑓0     =     𝑍 ×𝑛1201−𝑑cos𝛽𝐷内圈故障特征频率𝑓𝑡     =     𝑍×𝑛1201+𝑑cos𝛽𝐷滚动体故障特征频率𝑓𝑟     =     𝑍×𝑛120𝑑1−𝑑cos𝛽𝐷2保持架故障特征频率𝑓𝑐    =     𝑍1201−𝑑cos𝛽𝐷动态偏心与机械不平衡（和不对中）转频及倍频牵引电机故障诊断与健康管理关键技术3.2牵引电机机械故障诊断及轴承健康管理•2.转子与轴承故障模拟实验方案设计对不同型号、不同损伤类型、不同故障类型与程度的轴承在不同载荷环境下进行试验，了解不同轴承在各种条件下的运行特点，验证轴承动力学模型，收集不同的试验数据为故障诊断和寿命预测做数据支持。牵引电机故障诊断与健康管理关键技术3.2牵引电机机械故障诊断及轴承健康管理•2.转子与轴承故障模拟实验方案设计在牵引电