張競

摘要：地鐵轉(zhuǎn)向架軸承的意外故障可能導致生產(chǎn)停工，昂貴的維修費用和安全問題。電動機通常用于旋轉(zhuǎn)機械，并且對其操作至關(guān)重要。因此，電動機的故障檢測和診斷在提高其可靠性和操作安全性方面起著非常重要的作用，對于安全關(guān)鍵應(yīng)用尤其如此。該研究旨在開發(fā)一種故障檢測和診斷（FDD）策略，用于在開始時檢測地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸承故障。本文考慮了兩種涉及小波和狀態(tài)估計的FDD策略。這些故障是在永磁無刷直流電機（PMBLDC）上進行物理模擬的。實驗結(jié)果表明，所提出的故障檢測和診斷方案在檢測電動機軸承和繞組故障方面非常有效。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；轉(zhuǎn)向架軸承；故障診斷

1.地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸承故障診斷的作用

地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸承在涉及高溫和過載的不利環(huán)境中運行。這些應(yīng)力與零件老化可能導致電機故障。一旦發(fā)生故障，通常會導致生產(chǎn)力下降，停機時間和昂貴的維修費用。因此，地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸承故障檢測和診斷的狀態(tài)監(jiān)測具有很大的價值，并且在過去幾年中受到了很多關(guān)注。

故障檢測和診斷（FDD）是監(jiān)控設(shè)備狀況以查找故障或惡化跡象的過程，以便可以執(zhí)行維護或修理以防止系統(tǒng)故障。儀器儀表是FDD的重要考慮因素。理想情況下，該方案應(yīng)最大限度地減少對額外傳感器的需求并使用現(xiàn)有信號。此外，它需要避免誤報，可靠并及時提供早期故障的明確指示。在這項研究中，在永磁同步電動機上開發(fā)并實施了兩種FDD方法。為了證明它們的有效性，通過物理模擬永磁無刷直流電動機的故障條件來驗證FDD方法。

2.地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸承故障診斷常用設(shè)備

2.1永磁無刷直流電動機

永磁無刷直流電動機（BLDC）廣泛用于地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸承故障。BLDC電動機通常包括具有三相電樞繞組的定子和具有永磁體的轉(zhuǎn)子。在BLDC電機中，通過使用耦合到來自霍爾傳感器的轉(zhuǎn)子位置的反饋的功率電子器件來實現(xiàn)換向。與傳統(tǒng)的有刷直流電動機相比，BLDC沒有機械換向器，它具有表面磨損和電弧。BLDC電機轉(zhuǎn)子上的稀土磁鐵產(chǎn)生恒定磁場，從而實現(xiàn)高效率和高功率因數(shù)。BLDC電機的高扭矩重量比使其非常適用于電動汽車等應(yīng)用。與直流電機和感應(yīng)電機相比，BLDC電機具有許多優(yōu)點，例如：更好的速度與轉(zhuǎn)矩特性；高動態(tài)響應(yīng)；效率高；使用壽命長；無噪音操作。

根據(jù)轉(zhuǎn)子永磁體的位置和方向，BLDC電機可分為表面安裝或內(nèi)部安裝。在定子繞組的情況下，BLDC可以基于其反電動勢（反電動勢）波形的形狀分類為梯形或正弦曲線。除了反電動勢之外，相電流還具有相應(yīng)的梯形或正弦變化。具有正弦backEMF的那個也稱為永磁同步電動機（PMSM）。對于PMSM，通過磁體的旋轉(zhuǎn)在每個相繞組中產(chǎn)生的反電動勢也是正弦的。

2.2軸承基礎(chǔ)

地鐵車輛中的大多數(shù)旋轉(zhuǎn)軸使用滾動軸承。為了確保這些軸承的有效性和堅固性，它們在各種極端苛刻條件下的性能得到了廣泛的研究。

雖然市場上有各種各樣的滾動軸承，但它們相關(guān)的故障檢測方法是類似的。因此，本研究選擇了最常用的軸承之一——單列深溝球軸承。這些軸承有一排滾珠（稱為單排），圍繞滾珠軌道旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。這些軸承由內(nèi)圈、外圈、滾動元件（滾珠）和籠子（固定器）組成。內(nèi)圈在其外徑上有一個凹槽，具有光滑的精加工表面和極其嚴格的公差，以形成滾珠的路徑。內(nèi)圈安裝在電機軸上，并與軸一起以相同的速度旋轉(zhuǎn)。外圈與內(nèi)圈相對應(yīng)，內(nèi)徑有凹槽，精度高。外環(huán)放置在電動機殼體上的殼體中，因此相對于電動機保持靜止。滾球位于內(nèi)圈和外圈之間。這些球的直徑略小于帶槽球軌道，這使得它們可以在一個點上接觸環(huán)。這種接觸使軸承能夠以最小的摩擦力旋轉(zhuǎn)。為了實現(xiàn)點接觸，公差嚴格控制在微英寸水平，以及球和環(huán)的尺寸。

3.地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸承故障診斷策略

3.1機械故障

地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸承的機械故障大致可分為兩類：軸承故障和轉(zhuǎn)子故障。轉(zhuǎn)子故障通常是轉(zhuǎn)子斷條或偏心故障。根據(jù)工業(yè)調(diào)查，軸承故障引起的電機故障遠遠超過任何其他類型。因此，選擇軸承故障的檢測和診斷是本研究的主要焦點。電客車牽引電機異響故障如圖3所示：異響電機軸承與永濟電機廠技術(shù)人員一同對測量及拆解情況進行跟進。拆解兩個軸承過程中發(fā)現(xiàn)：非傳動端球軸承，軸承內(nèi)圈約1/3軌道面有電蝕痕跡。軸承廠家初步分析現(xiàn)場異響為電蝕原因?qū)е?，目前永濟廠家現(xiàn)場對30列車進行初步普查，共發(fā)現(xiàn)59處異響情況，23處異響較嚴重。

軸承失效機理已經(jīng)研究了近四十年。因此，軸承失效模式的理論基礎(chǔ)已被全面考慮。雖然存在基于不同測量源的監(jiān)測技術(shù)，例如聲發(fā)射（AE）和電動機電流特征分析（MCSA），但振動監(jiān)測可能是最廣泛使用的方法。

電動機中的振動可以來自許多來源，包括軸承、電磁力、不平衡轉(zhuǎn)子等。每個都將在頻域中具有其自身的特征，其可以表現(xiàn)為離散頻帶。為了提取埋在來自機器的振動信號中的故障特征，通常使用先進的信號處理技術(shù)，其中包括振動數(shù)據(jù)的過濾和特征提取。

3.2電氣故障

對于BLDC電機，永磁體代替轉(zhuǎn)子繞組，因此電氣故障主要與定子相關(guān)。兩種主電源定子繞組故障是：（1）斷相故障；（2）短路轉(zhuǎn)彎或匝間絕緣故障。前者可以允許機器以減小的扭矩操作，而后者可以快速發(fā)展成絕緣故障和機器的完全故障。絕緣故障通常始于匝間短路，這會引起高電流和大量熱量，從而燒毀絕緣層?；谀Ｐ偷姆椒ㄊ茄芯侩妱訖C短路故障的最常用技術(shù)之一。開發(fā)參數(shù)模型來模擬PMSM的操作條件。作為一種新穎性，該模型考慮了由于PM通量分布引起的反電動勢中空間諧波的變化。

4.結(jié)語

地鐵車輛轉(zhuǎn)向架的安全性對于地鐵安全運行起到了重要作用，因此必須對轉(zhuǎn)向架的故障進行及時有效的檢測，本文基于地鐵車輛轉(zhuǎn)向架的故障類型，提出了相應(yīng)的檢測方法。

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（作者單位：南寧地鐵軌道交通集團有限公司運營分公司）