智能运维与健康管理第10章.pptx

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,第十章：

高铁故障预测与健康管理,主讲人：

智能运维与健康管理,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牵引电机故障诊断与健康管理的系统实现思考题与习题,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,轨道交通装备技术发展的迫切需求,“中国制造2025”、“走出去”战略需求轨道交通行业可持续发展的迫切需求主机企业提升产品服务能力与水平的需求,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,任务计划,轨道交通装备,特征提取,状态判断,诊断推理,统接口,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。

物理模型,系统架构,10,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,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。

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,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。

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,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,1,2,3,4,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,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,电气故障诊断及绝缘健康管理1.绝缘老化机理研究绝缘的热老化：

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。

牵引电机故障诊断与健康管理关键技术,电气故障诊断及绝缘健康管理1.绝缘老化机理研究机械损伤：

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。

牵引电机故障诊断与健康管理关键技术,电气故障诊断及绝缘健康管理1.绝缘老化机理研究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,牵引电机故障诊断与健康管理关键技术,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,定子机械的（如线圈松动、铁心位移等）,中心频率（CF）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,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,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,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,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,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,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,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,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。

牵引电机故障诊断与健康管理关键技术,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。

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,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,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,内圈故障特征频率,滚动体故障特征频率,保持架故障特征频率,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,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,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机的前后端轴承，每个型号轴承预制十二类故障（外圈微弱故障、外圈中度故障、外圈严重故障、内圈微弱故障、内圈中度故障、内圈严重故障、滚动体微弱故障、滚动体中度故障、滚动体严重故障、保持架微弱故障、保持架中度故障、保持架严重故障），每类故障轴承提供8个样本，并在模拟真实环境的轴承试验台上进行实验。

牵引电机故障诊断与健康管理关键技术,牵引电机机械故障诊断及轴承健康管理3.试验步骤规划轻载工况（额定载荷20%以下）条件下分别开展低速-中速-高速试验（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%）。

中载工况（额定载荷20-50%）条件下分别开展低速-中速-高速试验（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%）。

牵引电机故障诊断与健康管理关键技术,牵引电机机械故障诊断及轴承健康管理3.试验步骤规划重载工况（额定载荷50%以上）条件下分别开展低速-中速-高速试验（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%）。

试验数据采集，分别在电机前、后轴承处分别布置一个三向加速度传感器或三个单向加速度传感器，并在输出轴处布置转速传感器，全流程采集试验数据。

牵引电机故障诊断与健康管理关键技术,牵引电机机械故障诊断及轴承健康管理4.转子与轴承健康管理模块健康管理模块主要包括两个部分：

第一是状态监测与故障诊断模块，第二是寿命预测模块。

牵引电机故障诊断与健康管理关键技术,3.3车载硬件系统车载监测诊断硬件系统的框架如图所示。

它通过PXI总线形式进行数据交互，便于多通道的信号采集的扩展。

牵引电机故障诊断与健康管理关键技术,3.3大数据健康管理平台引入新一代物联网、大数据、云计算以及移动化等信息技