周志宇，何成昭，朱文龍

（中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

礦用電動輪自卸車（簡稱“電動輪自卸車”）在我國的使用始自于20世紀(jì)70年代中期，是大型露天礦山普遍采用的一種運(yùn)載裝備。礦山地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，電動輪自卸車應(yīng)用環(huán)境嚴(yán)酷、復(fù)雜，一旦其關(guān)鍵部件（如電驅(qū)系統(tǒng)）出現(xiàn)故障，不僅維護(hù)周期長而且維修成本高。隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)水平及科技水平的提高，電動輪自卸車正朝著大型化、高性能及高作業(yè)強(qiáng)度的方向發(fā)展；大噸位電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)技術(shù)路線也逐漸從傳統(tǒng)的“柴油發(fā)電機(jī)+電驅(qū)系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)向混合動力、純電動以及高壓架線的低碳排放方向發(fā)展，其電驅(qū)系統(tǒng)組成由傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)、變流器、輪邊減速器以及電動機(jī)等向大容量電池、接觸網(wǎng)拓展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日漸復(fù)雜，自動化程度愈來愈高。電動輪作為礦用卡車（簡稱“礦卡”）的傳動、行走部件和主要承載機(jī)構(gòu)，在礦車行駛作業(yè)過程中承受巨大的車身載荷以及來自路面的復(fù)雜沖擊，是最容易發(fā)生故障的關(guān)鍵部件之一［1］。一旦電驅(qū)系統(tǒng)關(guān)鍵部件發(fā)生故障，將對礦山生產(chǎn)造成重大損失，甚至影響人員安全。

目前國內(nèi)常見的電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的故障診斷方案是基于車載CAN網(wǎng)絡(luò)對整車各部件的狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)控，通過故障發(fā)生時刻各部件的性能及狀態(tài)數(shù)據(jù)并結(jié)合歷史故障處理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定因分析與診斷，本質(zhì)上仍是一種以數(shù)據(jù)監(jiān)控為主的故障診斷輔助系統(tǒng)。該方法雖然能在一定程度上提升故障檢修效率，但由于缺乏對部件失效機(jī)理的深入分析，無法進(jìn)一步評估部件的健康狀態(tài)與壽命情況。為此，本文以牽引系統(tǒng)關(guān)鍵部件故障失效機(jī)理與壽命研究為基礎(chǔ)，提出了一種電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)狀態(tài)修技術(shù)及智能運(yùn)維方案，其基于牽引系統(tǒng)變流器既有的采集信息對電驅(qū)系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行故障診斷與健康狀態(tài)評估，推動礦山用戶維護(hù)方式由傳統(tǒng)故障修、計劃修向狀態(tài)修轉(zhuǎn)變，有效提升了電動輪電驅(qū)系統(tǒng)故障維護(hù)效率。

1 基于狀態(tài)修的電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)智能運(yùn)維技術(shù)架構(gòu)

1.1 電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)設(shè)備維修現(xiàn)狀

礦用電動輪自卸車是一種用于大型露天礦（年產(chǎn)1 000萬噸級及以上）或大型水利工程的非公路用交流傳動自卸車，其電驅(qū)動系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、變頻器、輪邊減速器、電動機(jī)和制動電阻器構(gòu)成，見圖1。當(dāng)電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)工作時，柴油機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)輸出額定電壓交流電至變流器。變流器由整流器和2組可獨(dú)立控制的變壓變頻（variable voltage and variable frequency，VVVF）逆變單元組成，分別驅(qū)動2臺交流牽引電機(jī)。制動能量被制動電阻器所消耗。

圖1 重型礦用電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of electric drive system of heavy-dutymine electric-wheel truck

露天礦運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備維護(hù)檢修是一項長期的工作，目前絕大部分用戶對電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)均采用日常維護(hù)與預(yù)防性檢修相結(jié)合的模式［2］。根據(jù)礦場統(tǒng)計的實(shí)際使用維護(hù)數(shù)據(jù)，電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)部件日常維修成本占比情況如表1［3］所示。

表1 電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)部件日常維修成本占比Tab.1 Daily maintenance cost proportion of components of drive system of electric-wheel dump truck

可以看到，在電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)的日常維修成本中，機(jī)械部件的維修成本占比最高，而其中發(fā)電機(jī)和電動機(jī)為易損件。在礦卡日常行駛過程中，很容易因?yàn)楣收蠜]有被及時發(fā)現(xiàn)致使故障造成的影響被逐步擴(kuò)大，最終導(dǎo)致電動輪部件的損壞。電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)常見故障主要如表2所示。

表2 電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)常見故障Tab.2 Common faults of drive system for electricwheel dump truck

1.2 電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)智能運(yùn)維方案架構(gòu)

電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)智能運(yùn)維方案由邊緣計算單元、整車故障預(yù)測與健康管理（prognostic and health management，PHM）單元及地面平臺這3部分構(gòu)成（圖2）。邊緣計算單元的功能由牽引變流器既有的傳動控制單元（drive control unit，DCU）承擔(dān)，其利用變流器控制平臺的強(qiáng)大算力，實(shí)現(xiàn)對牽引系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時分析與特征量提取。整車PHM單元負(fù)責(zé)對實(shí)時計算的特征量進(jìn)行分析整合，并結(jié)合電動輪多個子部件的狀態(tài)對故障進(jìn)行評估；同時，考慮到礦山信號弱，無法與地面系統(tǒng)建立良好的實(shí)時通信，整車PHM單元還負(fù)責(zé)特征狀態(tài)信息的存儲與網(wǎng)絡(luò)外發(fā)功能。地面平臺是整套方案的終端，其利用海量、長時間維度的電動輪實(shí)時運(yùn)行特征量及評估數(shù)據(jù)，并綜合關(guān)鍵部件的故障失效機(jī)理與歷史故障數(shù)據(jù)樣本，對電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行健康狀態(tài)評估、大數(shù)據(jù)展示與運(yùn)維數(shù)據(jù)交互。

圖2 電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)智能運(yùn)維方案示意Fig.2 Schematic diagram of intelligent operation and maintenance system for the drive system of mine electricwheel dump truck

該方案通過邊緣計算單元、整車PHM單元以及地面平臺形成“云邊端”結(jié)構(gòu)的車地協(xié)同控制；同時基于礦山特殊應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)功能的設(shè)計，可實(shí)現(xiàn)對電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)的精準(zhǔn)狀態(tài)評估與健康診斷。

2 電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的狀態(tài)修技術(shù)

同步發(fā)電機(jī)、牽引變流器及電動機(jī)為電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其故障后會對整車的運(yùn)行產(chǎn)生重大的影響，甚至危及駕乘人員的安全。本文基于電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)既有控制用電氣信號，結(jié)合對該系統(tǒng)關(guān)鍵部件故障失效機(jī)理的研究以及對大量不同時期不同退化程度的故障樣本數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析與總結(jié)，并以電機(jī)、電容器、開關(guān)及傳感器為例提出一種關(guān)鍵部件狀態(tài)修技術(shù)，構(gòu)建了牽引部件健康狀態(tài)與壽命評估模型，以實(shí)現(xiàn)對電動輪牽引系統(tǒng)關(guān)鍵部件的故障診斷與健康狀態(tài)評估。圖3示出電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)智能運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)。

圖3 電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)智能運(yùn)維方案功能架構(gòu)Fig.3 Function architecture of intelligent operation and maintenance system for the drive system of mine electricwheel dump truck

2.1 電機(jī)類產(chǎn)品狀態(tài)修關(guān)鍵技術(shù)

電機(jī)類產(chǎn)品包括同步發(fā)電機(jī)及電動機(jī)，其主要故障表現(xiàn)為軸承損壞及電機(jī)絕緣性能退化。

導(dǎo)致電機(jī)軸承損壞原因一般有兩種：生產(chǎn)制造工藝的缺陷和電機(jī)軸電流對軸承的電腐蝕。制造缺陷會導(dǎo)致電機(jī)軸承在運(yùn)行過程中產(chǎn)生不當(dāng)磨損；而軸電流腐蝕主要是因?yàn)楦袘?yīng)電機(jī)在運(yùn)行過程，當(dāng)電機(jī)軸上存在軸電壓時，發(fā)動機(jī)曲軸軸頸與軸瓦之間會發(fā)生電容放電現(xiàn)象，引發(fā)的放電電弧不僅可能燒蝕曲軸軸頸和軸瓦表面，而且會破壞油膜，使?jié)櫥吞蓟?，從而降低潤滑性能。這幾種現(xiàn)象一旦交互作用，會加劇磨損，軸瓦迅速被損壞；嚴(yán)重時會致使發(fā)動機(jī)曲軸報廢甚至損壞機(jī)體，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞［4］。傳統(tǒng)的軸承故障振動分析法由于需要在電機(jī)本體內(nèi)部布置振動傳感器，存在制造難度大且難以應(yīng)用于既有車輛的缺點(diǎn)。為此，本文提出一種基于電驅(qū)系統(tǒng)既有的實(shí)時采集與控制系統(tǒng)的軸承在線故障診斷方法。由于損傷滾動體發(fā)生徑向位移時會對定、轉(zhuǎn)子氣隙產(chǎn)生周期性擾動，該方法通過檢測和分析該擾動引發(fā)的磁鏈能量譜的特征分量，對電機(jī)軸承內(nèi)外圈、滾動體的故障狀態(tài)進(jìn)行評估。目前采用該方法已開展了百余次電機(jī)軸承在不同故障工況及磨損程度下的故障模擬實(shí)驗(yàn)，均已實(shí)現(xiàn)對軸承狀態(tài)的精準(zhǔn)評估。圖4示出采用該方法對某電機(jī)軸承進(jìn)行故障診斷情況，當(dāng)軸承出現(xiàn)輕微缺陷時，在通過算法提取的頻域特征曲線上可以看到明顯的故障特征頻率，從而實(shí)現(xiàn)對故障的早期預(yù)警。

圖4 電機(jī)軸承故障診斷情況Fig.4 Fault diagnosis of the motor bearing

電機(jī)絕緣性能退化有可能引起電機(jī)內(nèi)部局部放電，進(jìn)而引發(fā)短路故障的發(fā)生，對變流器內(nèi)部關(guān)鍵功率器件、動力電纜等部件造成損壞，嚴(yán)重時會引發(fā)部件燒損或失效。對于發(fā)電機(jī)及電動機(jī)絕緣的檢查，目前普遍采用的是手動絕緣檢查的方式，需要對整車電驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)行部分甚至大范圍拆解，會耗費(fèi)大量的時間與人力來完成。本文提出一種基于電信號的電機(jī)匝間絕緣狀態(tài)評估方法，其通過分析與提煉電機(jī)匝間絕緣異常時電信號中特定次諧波分量來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)絕緣狀態(tài)的評估。通過打孔、破壞線圈絕緣等方式預(yù)制出不同匝間短路程度的故障樣機(jī)，見圖5（a）；采用本文方法對這些電機(jī)絕緣故障情況進(jìn)行診斷，并通過試驗(yàn)利用電信號檢測方法提取不同故障特征樣機(jī)的特征曲線，見圖5（b），從而實(shí)現(xiàn)對故障電機(jī)絕緣狀態(tài)的評估。

圖5 電機(jī)絕緣故障診斷情況Fig.5 Fault diagnosis of the motor insulation

2.2 電容器狀態(tài)修關(guān)鍵技術(shù)

電容器是變流器內(nèi)部關(guān)鍵部件之一，主要起濾波及主回路電壓支撐的作用。電容器在長期使用過程中會出現(xiàn)性能退化情況，在極端工況下甚至出現(xiàn)鼓包和開裂現(xiàn)象，輕則因容值變化而導(dǎo)致變流器直流環(huán)節(jié)欠壓或者啟機(jī)失敗，重則會對其他部件造成次生危害。目前行業(yè)內(nèi)對電容器的維護(hù)模式主要有以下2種：

（1）通過定期拆解設(shè)備，離線測試電容器參數(shù)，判斷其是否發(fā)生故障；

（2）出現(xiàn)因電容器鼓包、炸裂等而影響變流器功能的故障時進(jìn)行故障修［5］。

在礦用電動輪的使用與維護(hù)過程中，由于電容器部件難以被直接檢測，往往是進(jìn)行事后排查與維護(hù)，造成高故障成本。本文提出一種基于電容器工作電壓特征分析的方法。其根據(jù)大量電容器加速退化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場故障樣本數(shù)據(jù)，并結(jié)合環(huán)境及列車運(yùn)行工況等數(shù)據(jù)，建立電容器標(biāo)準(zhǔn)放電特性曲線，并通過實(shí)際放電特性數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)放電特性數(shù)據(jù)的殘差，實(shí)現(xiàn)對電容器性能的在線評估。圖6示出支撐電容器容值衰減情況診斷，其中TCU1電容器放電電壓曲線明顯異常于正常放電電壓曲線。

圖6 支撐電容器容值衰減情況診斷Fig.6 Diagnosis of the support capacitance degradation

2.3 開關(guān)類部件狀態(tài)修關(guān)鍵技術(shù)

對接觸器、斷路器等開關(guān)類部件，傳統(tǒng)的做法是通過對該類器件控制指令與狀態(tài)反饋的閉環(huán)監(jiān)測來判斷器件是否損壞，這種方法往往只能在器件徹底喪失功能時才能發(fā)現(xiàn)。本文提出的系統(tǒng)通過對開關(guān)開合動作時間曲線與次數(shù)的統(tǒng)計分析，結(jié)合開關(guān)類器件故障失效機(jī)理的研究，可在故障早期發(fā)現(xiàn)開關(guān)類器件異常，并對故障品進(jìn)行預(yù)警和更換，避免進(jìn)一步擴(kuò)大故障影響。通過對大量接觸器故障返回品和新品的數(shù)百萬次加速壽命試驗(yàn)，并采集和分析接觸器動作過程信號，實(shí)現(xiàn)接觸器異常的離線狀態(tài)評估與剩余壽命預(yù)測。圖7示出充電接觸器及短接接觸器在不同使用年限下的使用壽命加速實(shí)驗(yàn)評估情況。

圖7 接觸器使用壽命加速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.7 Accelerated test data of contactor service life

2.4 傳感器部件狀態(tài)修關(guān)鍵技術(shù)

對于傳感器故障造成的異常，常規(guī)的檢測方法是在傳感器發(fā)生損壞后，由變頻器控制單元采集到異常電流電壓信號后進(jìn)行過流保護(hù)、過壓保護(hù)或者三相不平衡保護(hù)等措施。這種方式存在的問題是在故障發(fā)生的時刻，傳感器大多已徹底損壞，導(dǎo)致車輛無法繼續(xù)運(yùn)行。本文提出的方案是，通過對傳感器采集的實(shí)時電壓、電流、溫度以及速度信號進(jìn)行多個特征量的提取分析，可對其失效、偏置以及零漂異常等多種故障工況進(jìn)行識別，做到對早期異常的提前預(yù)警。圖8示出溫度傳感器的典型故障特征。該溫度傳感器同時存在偏置與零漂的問題，經(jīng)排查為傳感器絕緣層短路導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常；更換溫度傳感器后，數(shù)據(jù)正常，在列車未報警時提前預(yù)警并解決隱患。

圖8 溫度傳感器的典型故障特征Fig.8 Typical fault characteristics of the temperature sensors

3 電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)健康診斷地面平臺

電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)地面平臺作為電動輪智能運(yùn)維終端，具備健康管理、運(yùn)營管理、檢修管理等功能，實(shí)現(xiàn)了對電動輪運(yùn)營狀態(tài)的精準(zhǔn)掌控，根據(jù)狀態(tài)維修數(shù)據(jù)對檢修計劃、檢修執(zhí)行、檢修履歷、人員、物資進(jìn)行綜合管理。地面功能架構(gòu)示意如圖9所示。

圖9 地面平臺架構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of the ground platform architecture

地面平臺詳細(xì)展示所監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)以及故障診斷情況。在整套電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)智能診斷系統(tǒng)方案中，邊緣計算單元和整車PHM單元更多負(fù)責(zé)的是對所監(jiān)控的各關(guān)鍵部件進(jìn)行關(guān)鍵診斷指標(biāo)與特征量的識別和提取，診斷算法模型和歷史故障失效數(shù)據(jù)模型全部在地面平臺實(shí)現(xiàn)，以此實(shí)現(xiàn)診斷算法的快速迭代。

根據(jù)設(shè)備的故障情況，地面平臺實(shí)現(xiàn)對售后維護(hù)人員的派工管理及相關(guān)人員工時、差旅成本、維護(hù)工作匯報及閉環(huán)等工作的管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備三包維護(hù)工作的數(shù)字化；同時，根據(jù)電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)周期與關(guān)鍵部件的診斷情況，利用設(shè)備的早期故障表征對檢修與維護(hù)計劃作出合理的調(diào)整，為備品、備料提供決策支撐，有效降低礦山電動輪設(shè)備的整體維護(hù)成本。圖10示出電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)智能運(yùn)維地面系統(tǒng)PC端主界面及移動端APP界面。

圖10 電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)智能運(yùn)維系統(tǒng)地面PC端及移動端APP界面示意Fig.10 Ground system PC interface and mobile APP interface of the intelligent operation and maintenance system for the electric-wheel dump truck drive system

4 結(jié)語

隨著智能化建設(shè)的逐步深入，露天礦將逐步進(jìn)入少人化和無人化生產(chǎn)階段［6］。電動輪自卸車關(guān)鍵設(shè)備故障診斷與健康監(jiān)測技術(shù)與無人駕駛技術(shù)的高效協(xié)同是露天礦運(yùn)輸系統(tǒng)智能化、無人化發(fā)展的必然要求，是實(shí)現(xiàn)露天礦提質(zhì)增效的重要保證。本文針對電動輪自卸車電驅(qū)系統(tǒng)關(guān)鍵部件，提出一種狀態(tài)修技術(shù)，其可最大程度地利用電驅(qū)系統(tǒng)的既有信號對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時故障特征分析與診斷；同時，結(jié)合車載PHM裝置與地面大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)被監(jiān)控產(chǎn)品異常數(shù)據(jù)與海量歷史數(shù)據(jù)與故障失效機(jī)理模型相結(jié)合，達(dá)到對電驅(qū)系統(tǒng)部件的健康狀態(tài)與壽命情況進(jìn)行系統(tǒng)、準(zhǔn)確評估的目的，以指導(dǎo)用戶在故障早期介入維護(hù)，從而降低故障影響及維護(hù)成本。此外，其地面大數(shù)據(jù)系統(tǒng)可與整體礦山智能化系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動，合理指導(dǎo)用戶進(jìn)行備品備件的采購及維修計劃的制定，提升故障維護(hù)效率。

后續(xù)將針對不同噸位的電動輪自卸車產(chǎn)品，通過采集現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)并與診斷模型進(jìn)行對比，不斷迭代，使得該智能運(yùn)維方案為礦山用戶提供更大的經(jīng)濟(jì)效益。