(中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司,湖南株洲,412001)
牽引電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)列車高速運(yùn)行的主要部件之一,實(shí)現(xiàn)機(jī)-電能量相互轉(zhuǎn)換與傳遞,對(duì)列車安全、可靠和穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要作用。在軌道交通特有運(yùn)行環(huán)境下,牽引電機(jī)受溫濕度、負(fù)載沖擊和工況轉(zhuǎn)換等復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境的影響,在電、磁、熱和力等復(fù)合交變載荷長(zhǎng)期作用下,其軸承性能存在退化和疲勞損傷,影響列車平穩(wěn)運(yùn)行,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電機(jī)鎖軸,拉傷軌道,甚至導(dǎo)致列車脫軌。實(shí)現(xiàn)軌道交通復(fù)雜運(yùn)行工況下牽引電機(jī)軸承故障的精準(zhǔn)診斷,具有極大的工程應(yīng)用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前,電機(jī)軸承故障診斷技術(shù)主要有2 類方法,即振動(dòng)分析法[1-2]和電信號(hào)分析法[3-4]。受列車高速運(yùn)行的影響,振動(dòng)信號(hào)呈現(xiàn)出非平穩(wěn)性[5]和非高斯性等特征[6],故障特征信號(hào)微弱且容易受到外界因素的影響,從而導(dǎo)致漏報(bào)率和誤報(bào)率較高;同時(shí),該方法新加裝的振動(dòng)加速度傳感器等監(jiān)測(cè)設(shè)備的可靠性及使用壽命難以達(dá)到軌道車輛的要求,導(dǎo)致出現(xiàn)更高的故障率。電信號(hào)分析法是一種非侵入式的軸承故障診斷法,基于已有控制信號(hào)完成診斷,不需要額外增加傳感器,具有易于工程化實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)。這類方法主要是通過轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩[7]和電流[8]等電氣參數(shù)進(jìn)行頻譜分析,進(jìn)一步提取軸承故障特征分量,研究最為廣泛的是基于電流信號(hào)的故障診斷方法[9-11]。然而,由于牽引電機(jī)是PWM(pulse width modulation)變頻供電,受到調(diào)速復(fù)雜工況等的影響,牽引電機(jī)電流諧波相對(duì)于定頻、正弦波供電的工業(yè)電機(jī)而言,諧波成分更加豐富,軸承故障微弱特征分量容易被電流基頻諧波等強(qiáng)背景噪聲淹沒,這增加了電流分析的難度,傳統(tǒng)方法難以有效識(shí)別出牽引電機(jī)電流中的軸承故障特征分量。為此,本文作者在分析基于電信號(hào)軸承故障診斷機(jī)理的基礎(chǔ)上,提出一種改進(jìn)磁鏈峰值能量法的牽引電機(jī)軸承故障診斷方法。首先,建立牽引電機(jī)全階磁鏈觀測(cè)器模型,根據(jù)電機(jī)三相電流、轉(zhuǎn)速等信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算磁鏈;其次,對(duì)磁鏈信號(hào)進(jìn)行峰值平方整流和包絡(luò)解調(diào)處理,進(jìn)一步計(jì)算磁鏈峰值能量法;最后,通過提取軸承故障特征分量實(shí)現(xiàn)軸承故障診斷。此外,開展了故障模擬試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例驗(yàn)證。
當(dāng)電機(jī)發(fā)生軸承故障時(shí),滾動(dòng)體每次經(jīng)過故障點(diǎn)時(shí)會(huì)引起感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向位移[12],導(dǎo)致感應(yīng)電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間的氣隙長(zhǎng)度發(fā)生變化,這種變化將會(huì)影響磁導(dǎo),引起電機(jī)磁鏈產(chǎn)生一種周期性脈沖。具體故障機(jī)理如下。
根據(jù)軸承外圈固定的電機(jī)結(jié)構(gòu),BLODT 等[13]提出了軸承故障狀態(tài)下的氣隙偏心模型,即當(dāng)滾動(dòng)體經(jīng)過故障點(diǎn)時(shí),電機(jī)氣隙長(zhǎng)度將發(fā)生短暫的靜態(tài)偏心。假設(shè)電機(jī)軸承正常,且不考慮定轉(zhuǎn)子開槽的影響,此時(shí),在定轉(zhuǎn)子完全對(duì)中狀態(tài)下氣隙長(zhǎng)度為定常數(shù)g0。相對(duì)地,當(dāng)軸承發(fā)生缺陷且滾動(dòng)體每次經(jīng)過缺陷點(diǎn)時(shí),氣隙長(zhǎng)度可以近似地表示為g(θ,t)=g0[1-eccos(α)]。其中,ec為定轉(zhuǎn)子相對(duì)偏心率,這將導(dǎo)致氣隙動(dòng)態(tài)偏心,此時(shí),氣隙長(zhǎng)度可表示為
式中:θ為定子參考坐標(biāo)系下的軸承缺陷的初始相位;k為整數(shù);fc為對(duì)應(yīng)軸承缺陷位置的通過頻率,其表達(dá)式如下:
式中:φ(t)為滾動(dòng)體與軸承缺陷接觸時(shí)的角相位[13]:
fr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角頻率;fcage為保持架旋轉(zhuǎn)角頻率;Nb為滾動(dòng)體個(gè)數(shù);Db為滾動(dòng)體直徑;Dc為軸承中徑;β為滾動(dòng)體接觸角。
以外圈缺陷為例進(jìn)行說明,外圈缺陷一般發(fā)生在電機(jī)承載區(qū)位置,因此,參考坐標(biāo)系可選擇承載區(qū)為坐標(biāo)零相位點(diǎn)。此時(shí),θ=0,φ(t)=0,滾動(dòng)體每次經(jīng)過外圈缺陷點(diǎn)將會(huì)引起氣隙長(zhǎng)度變化,如圖1所示。在定轉(zhuǎn)速下滾動(dòng)體經(jīng)過外圈是等周期的,其周期為其中,fo對(duì)應(yīng)式(2)中考慮外圈情況時(shí)fc的定義,為滾動(dòng)體相對(duì)外圈的通過頻率,則氣隙長(zhǎng)度變化也是等周期,如圖2所示。
圖1 軸承缺陷引起轉(zhuǎn)子徑向位移Fig.1 Bearing defects cause rotor radial displacement
圖2 氣隙長(zhǎng)度變化規(guī)律Fig.2 Air gap length variation law
由于磁導(dǎo)與氣隙長(zhǎng)度呈反比,則軸承故障時(shí),磁導(dǎo)Λ可以表達(dá)式為
式中:Λ0=μ/g0,為無偏心狀態(tài)下電機(jī)氣隙磁導(dǎo);μ為氣隙磁導(dǎo)率。
對(duì)式(4)進(jìn)行傅里葉分解可得磁導(dǎo)的簡(jiǎn)化表達(dá)式[14-16]:
式中:c0和ck為傅里葉奇數(shù)系數(shù)。
當(dāng)只考慮驅(qū)動(dòng)電源中的基頻磁動(dòng)勢(shì)的影響時(shí),感應(yīng)電機(jī)的總磁動(dòng)勢(shì)Ftot可以表示為
式中:p為電機(jī)極對(duì)數(shù);?為電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的初始角度;F為磁動(dòng)勢(shì)基頻幅值。
據(jù)式(5)和式(6),可得磁通密度的表達(dá)式:
式中:Bk為磁通密度的幅值;fs為電機(jī)電流基頻。
此時(shí),磁鏈ψ則可用磁通密度為
式中:S為磁場(chǎng)面積;N為線圈匝數(shù)。
從式(8)可知,由軸承故障引起的轉(zhuǎn)子偏心將作用在電機(jī)磁鏈上,即磁鏈包含因軸承故障導(dǎo)致的特定故障頻率分量,這種特定的故障頻率分量可表達(dá)為
將式(2)和式(3)代入式(9),則可得到磁鏈中的軸承故障特征分量:
式中:fi和fb分別對(duì)應(yīng)式(2)中考慮內(nèi)圈和滾動(dòng)體情況下的通過頻率。
峰值能量法是由Emerson公司提出的一項(xiàng)新型信號(hào)采集與處理技術(shù),它用于解調(diào)機(jī)械設(shè)備激勵(lì)出的周期性沖擊信號(hào),可以有效檢測(cè)出軸承和齒輪箱故障[17]。相對(duì)于傳統(tǒng)共振解調(diào)法,它能夠發(fā)現(xiàn)故障初期潛在的低能量異常信號(hào),從而能夠準(zhǔn)確地反映故障根源及其嚴(yán)重程度。改進(jìn)峰值能量法的優(yōu)化及實(shí)現(xiàn)過程具體如下。
1)選擇合適的濾波器。一般選擇高通或者帶通濾波器,將機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)的低頻分量濾除,保留中高頻段信號(hào),傳統(tǒng)濾波器帶寬的選擇主要依賴于專家經(jīng)驗(yàn),若濾波器選擇不合理,則難以檢測(cè)出微弱的異常信號(hào)分量。為此,本文引入快速峭度譜指標(biāo)(式(11)),獲得實(shí)時(shí)信號(hào)的沖擊信號(hào)較強(qiáng)的頻段,并以此頻段作為帶通濾波器的頻帶范圍,實(shí)現(xiàn)濾波器參數(shù)的自適應(yīng)選擇。
式中:cik(n)為信號(hào)通過第k個(gè)分解層的第i個(gè)濾波器的復(fù)包絡(luò)。
2)提取濾波后的信號(hào)峰值,即選用固定時(shí)長(zhǎng)的移動(dòng)窗將原始信號(hào)截?cái)酁镸個(gè)大小相同的數(shù)據(jù)序列,并在每個(gè)數(shù)據(jù)序列上計(jì)算峰值。在固定時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)序列上保留峰值[18-20]。固定時(shí)長(zhǎng)一旦選定,就直接確定了峰值能量的分辨率,一般取1/(2.56fmax),其中,fmax為待提取特征頻率的最大頻率。
3)進(jìn)一步對(duì)峰值提取信號(hào)在整個(gè)波形上進(jìn)行平方整流,獲得全波整流信號(hào)。
4)對(duì)全波整流信號(hào)進(jìn)行Hilbert 變換,其目的是檢測(cè)全波整流信號(hào)中的調(diào)制信號(hào),這也是峰值能量法的關(guān)鍵組成部分。具體實(shí)現(xiàn)原理如下。
假設(shè)原始窄帶信號(hào)x(t)為
式中:fs為載波頻率;a(t)為x(t)的包絡(luò)(即調(diào)幅信號(hào));φ(t)為x(t)的相位調(diào)制信號(hào)。由于x(t)是窄帶信號(hào),因此,a(t)也是窄帶信號(hào),由此可設(shè)為
式中:fm為調(diào)幅信號(hào)a(t)的頻率分量;γm為fm的各初始相位。
對(duì)x(t)進(jìn)行Hilbert變換,求其解析信號(hào)z(t),得到
設(shè)
則解析信號(hào)z(t)可重新表達(dá)為
對(duì)比x(t)表達(dá)式,得
進(jìn)一步采用相位解調(diào)求解頻率解調(diào)f(t)信號(hào)
由此可知,采用Hilbert 可以求解解析信號(hào),獲得原始信號(hào)中的幅值解調(diào)a(t)、相位解調(diào)φ(t)及解頻率解調(diào)f(t)信號(hào)。
軸承缺陷時(shí)引起定轉(zhuǎn)子氣隙產(chǎn)生等周期的偏心沖擊,轉(zhuǎn)子氣隙偏心又引起電機(jī)氣隙長(zhǎng)度變化,導(dǎo)致氣隙磁通受到幅值調(diào)制作用,調(diào)制后磁通又在磁鏈上感應(yīng)出相應(yīng)的中高頻諧波脈沖分量。為了提取磁鏈中特定的軸承故障特征分量,首先,通過磁鏈觀測(cè)器模型實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)磁鏈信號(hào);然后,通過改進(jìn)峰值能量譜,從磁鏈信號(hào)中提取微弱軸承故障諧波脈沖分量,實(shí)現(xiàn)軸承故障診斷,其原理如圖3所示。
以采集獲得的電機(jī)電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速以及重構(gòu)電壓信號(hào)作為模型輸入,采用磁鏈觀測(cè)器模型,實(shí)時(shí)計(jì)算獲得電機(jī)磁鏈觀測(cè)值。采用異步電機(jī)全階U-N模型對(duì)磁鏈進(jìn)行觀測(cè)。
首先,采用PARK變換對(duì)實(shí)測(cè)的電機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,獲得α/β軸電流,其表達(dá)式為
圖3 基于改進(jìn)磁鏈峰值能量法的軸承故障診斷流程圖Fig.3 Flow chart of bearing fault diagnosis based on improved flux peak energy spectrum
然后,將α/β軸電流帶入牽引電機(jī)觀測(cè)器模型,結(jié)合異步電機(jī)閉環(huán)狀態(tài)觀測(cè)器表達(dá)式,如式(22),
反饋矩陣取
進(jìn)一步將反饋矩陣式(23)代入式(22),可得[5]
對(duì)應(yīng)的全階磁鏈觀測(cè)器框圖如4所示。
圖4 全階磁鏈觀測(cè)器模型結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of full-order flux linkage observer model
1)計(jì)算電機(jī)磁鏈觀測(cè)信號(hào)的峭度譜指標(biāo),選取峭度譜指標(biāo)最大的頻段作為帶通濾波器參數(shù),并對(duì)磁鏈觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波,將低頻高幅的電機(jī)電流基頻及其等低頻諧波分量濾除,保留有效的中高頻諧波脈沖信號(hào)。
2)選用固定時(shí)長(zhǎng)的移動(dòng)窗,提取每個(gè)移動(dòng)窗內(nèi)的峰值作為波形的1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),獲得全波信號(hào)。
3)對(duì)全波信號(hào)進(jìn)行平方處理,獲得整流信號(hào),并對(duì)平方整流后的信號(hào)進(jìn)行Hilbert 變換,獲得包絡(luò)解調(diào)信號(hào)。
4)對(duì)包絡(luò)解調(diào)信號(hào)進(jìn)行FFT 變換,獲得磁鏈峰值能量法,提取出軸承故障的特征頻率分量,實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)軸承內(nèi)圈、外圈和滾動(dòng)體故障診斷。
軸承故障模擬試驗(yàn)采用牽引電機(jī)傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),電機(jī)選用某地鐵用異步牽引電機(jī),額定功率為192 kW,磁極對(duì)數(shù)為2,采用Y型接法。電機(jī)非傳動(dòng)端軸承型號(hào)為HC6215,傳動(dòng)端軸承型號(hào)為NU216。
電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速及中間電壓等信號(hào)由牽引控制單元(driver control unit,DCU)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集?;谏鲜霾杉盘?hào),DCU 首先對(duì)電機(jī)三相電壓進(jìn)行重構(gòu)獲得三相重構(gòu)電壓,同時(shí)對(duì)三相電流進(jìn)行PARK變換獲得α/β電流;然后,采用式(24)中的全階電機(jī)磁鏈觀測(cè)器模型計(jì)算獲得電機(jī)磁鏈信號(hào)。
本次試驗(yàn)?zāi)M2類軸承缺陷,分別是非傳動(dòng)端軸承滾動(dòng)體和非傳動(dòng)端軸承內(nèi)圈故障。滾動(dòng)體故障軸承為現(xiàn)場(chǎng)搜集的電腐蝕故障軸承,內(nèi)圈故障為人為在內(nèi)圈滾道表面預(yù)置缺陷孔,軸承故障缺陷圖片如圖5所示。
圖5 軸承故障缺陷圖片F(xiàn)ig.5 Bearing fault picture
根據(jù)上述試驗(yàn)方案,對(duì)牽引電機(jī)滾動(dòng)體缺陷工況下的實(shí)時(shí)磁鏈信號(hào)進(jìn)行峰值能量譜分析。以電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 400 r/min為例,按照式(10)計(jì)算軸承滾動(dòng)體故障特征頻率,牽引電機(jī)非傳動(dòng)端軸承滾動(dòng)體故障時(shí)磁鏈中的特征頻率為227.98,164.57,291.39,131.39,324.57,392.56,519.37,552.56和620.53 Hz。
采用本文所提出的磁鏈峰值能量法算法對(duì)磁鏈信號(hào)進(jìn)行變換,即首先對(duì)磁鏈原始波形進(jìn)行帶通濾波,然后對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行峰值檢波處理,每個(gè)階段的波形圖如圖6所示。
圖6 磁鏈信號(hào)濾波及峰值檢波后的波形圖Fig.6 Waveform diagram after flux signal filtering and peak detection
對(duì)峰值檢波后的信號(hào)進(jìn)行FFT 變換獲得磁鏈峰值能量法,如圖7(a)所示。從圖7(a)可知:磁鏈峰值能量法中出現(xiàn)明顯的非傳動(dòng)端滾動(dòng)體故障特征頻率|fs+fcage+fb|和|fs-fcage+fb|分量。
為了進(jìn)一步說明本文所提方法的有效性,選取正常的相同型號(hào)軸承在同轉(zhuǎn)速同負(fù)載工況下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),同樣采用本文所提方法計(jì)算磁鏈峰值能量E,如圖7(b)所示。從圖7(b)中沒有出現(xiàn)明顯的非傳動(dòng)端軸承故障特征頻率分量,表明利用磁鏈信號(hào)分析軸承故障結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。
同樣地,對(duì)牽引電機(jī)內(nèi)圈缺陷工況下的實(shí)時(shí)磁鏈信號(hào)進(jìn)行峰值能量譜分析。當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 740 r/min 時(shí),根據(jù)式(10),計(jì)算出牽引電機(jī)非傳動(dòng)端軸承內(nèi)圈故障在磁鏈中的特征頻率為157.0,248.37,294.0,339.73,431.09,451.05,542.41,633.78,725.14和745.10 Hz。
通過分析磁鏈信號(hào),獲得的峰值能量譜如圖7(c)所示。從圖7(c)可見:在294.7 Hz和340.7 Hz處出現(xiàn)明顯內(nèi)圈故障特征分量,正常電機(jī)在磁鏈峰值能量法中沒有出現(xiàn)該頻率分量,說明這些特征分量是內(nèi)圈缺陷導(dǎo)致轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)偏心引起的,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。
圖7 不同故障工況下的磁鏈峰值能量法Fig.7 Peak energy spectrum of flux linkage under different fault conditions
為進(jìn)一步驗(yàn)證本方法的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果,先后在CR400AF 滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)和某地鐵線城軌車輛上進(jìn)行盲測(cè)驗(yàn)證。相對(duì)于軸承故障模擬試驗(yàn)臺(tái)而言,CR400AF 滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)和地鐵城軌車輛現(xiàn)場(chǎng)裝車驗(yàn)證工況更接近實(shí)際工程應(yīng)用場(chǎng)景,更能夠驗(yàn)證算法的實(shí)際應(yīng)用效果。
基于CR400AF 滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),開展了5 次盲測(cè)試驗(yàn),根據(jù)本文所提方法分析盲測(cè)過程中所采集數(shù)據(jù),在電機(jī)軸承不同故障模式下,分別求取磁鏈觀測(cè)信號(hào)的峰值能量譜,如表1所示。然后,提取軸承內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架故障特征頻率處的幅值,以此作為軸承故障診斷的判據(jù)。
1)若軸承某部位故障特征頻率處出現(xiàn)明顯偏高的幅值,則說明軸承該位置出現(xiàn)缺陷。
2)若在峰值能量譜中發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)體故障特征頻率處幅值明顯偏大,則診斷為滾動(dòng)體故障。
3)若在峰值能量譜中發(fā)現(xiàn)內(nèi)圈故障特征頻率處幅值明顯偏大,則診斷為內(nèi)圈故障。
4)若在峰值能量譜中同時(shí)發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)體和內(nèi)圈故障特征頻率處幅值明顯偏大,則診斷為滾動(dòng)體和內(nèi)圈混合故障。最后,對(duì)比診斷結(jié)果與軸承真實(shí)故障情況,驗(yàn)證診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。盲測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明:本文所提方法的5次診斷結(jié)果均與實(shí)際故障結(jié)果一致。
此外,2020-01-06—2020-04-10,在某地鐵線上完成36 列城軌車輛裝車應(yīng)用,涉及144 輛動(dòng)車,采用本文所提方法計(jì)算車載實(shí)時(shí)磁鏈數(shù)據(jù)的峰值能量譜,并自動(dòng)檢測(cè)軸承故障特征頻率處的幅值明顯程度,總計(jì)診斷出3輛動(dòng)車牽引電機(jī)非傳動(dòng)端軸承外圈和滾動(dòng)體混合故障特征,如表2所示,診斷結(jié)果為上述3輛動(dòng)車牽引電機(jī)非傳動(dòng)端軸承出現(xiàn)外圈和滾動(dòng)體混合故障。經(jīng)軸承拆解,發(fā)現(xiàn)軸承外圈出現(xiàn)明顯的“搓衣板”狀故障缺陷,滾動(dòng)體表面出現(xiàn)明顯的局部剝落,3次診斷結(jié)果均與真實(shí)故障一致,進(jìn)一步驗(yàn)證了本算法在實(shí)際工程應(yīng)用中的診斷準(zhǔn)確性和有效性。
表1 CR400AF滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)軸承故障盲測(cè)結(jié)果Table 1 Blind test results of bearing faults on CR400AF rolling test bench
表2 城軌車輛現(xiàn)場(chǎng)裝車驗(yàn)證結(jié)果Table 2 Results of on-site loading verification of urban rail vehicles
針對(duì)軌道交通大功率牽引電機(jī)軸承故障診斷難題,本文提出了一種改進(jìn)磁鏈峰值能量法的新型軸承故障診斷方法。首先分析了軸承故障機(jī)理,構(gòu)建了軸承故障與磁鏈特征譜的映射關(guān)系,采用牽引電機(jī)全階狀態(tài)觀測(cè)器進(jìn)行磁鏈等信號(hào)的實(shí)時(shí)觀測(cè)和計(jì)算,通過對(duì)磁鏈信號(hào)進(jìn)行峰值平方整流和包絡(luò)解調(diào)等處理,提取軸承故障磁鏈峰值能量法特征,解決了軸承故障微弱信號(hào)的提取難題,實(shí)現(xiàn)了對(duì)軸承外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體等部位的精確診斷,并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明,本文所提的方法可有效實(shí)現(xiàn)軸承故障的精準(zhǔn)診斷。