原志強，張佳峰，宋安東

(中車大同電力機車有限公司 技術中心，山西 大同 037038)

2018年12月，中車大同電力機車有限公司研制的國際首臺大功率永磁直驅電力機車下線，目前該車永磁直驅驅動系統(tǒng)關鍵部件試驗和整車型式試驗都已經完成，表明大功率永磁直驅技術已經進入實用化階段。后續(xù)該機車將在正線進行運行考核，在線路運用考核期間需利用PHM系統(tǒng)跟蹤驅動系統(tǒng)的過程數(shù)據，本文針對大功率永磁直驅電力機車永磁直驅驅動單元和牽引電動機的PHM系統(tǒng)開展了研究。

1 大功率永磁直驅電力機車驅動系統(tǒng)

大功率永磁直驅電力機車驅動系統(tǒng)主要由永磁直驅電動機、撓性板聯(lián)軸器組成。永磁直驅電動機具有高功率密度的特點，采用多極結構，空間、材料利用率高[1]，是未來軌道交通領域的發(fā)展方向。大功率永磁直驅電力機車用永磁直驅電動機結構為全新設計，采用臥式安裝及空心軸結構，散熱采用定子強迫風冷、轉子密封的冷卻方式，電動機通過端面齒形傳力盤與撓性板聯(lián)軸器傳力盤連接。聯(lián)軸器穿過電動機內轉子，一端通過傳力盤與電動機轉子連接，另一端與輪對連接，輪軸穿過空心的撓性板聯(lián)軸器，實現(xiàn)了電動機直接驅動輪對。驅動系統(tǒng)采用直驅技術，取消了傳統(tǒng)的齒輪箱，具有維護周期長、降低噪聲、減少油污染等優(yōu)點。

永磁直驅電動機控制采用的MTPA及弱磁控制技術、驅動單元采用的直驅技術，均為大功率機車上首次應用，目前該項目機車已通過型式試驗，試驗結果證明了各項新技術應用良好。由于取消齒輪箱，電動機扭矩通過聯(lián)軸器傳遞到車輪，因此機車與軌道的作用力與采用齒輪箱方式時不同，對電動機控制的精度、響應時間要求及驅動單元機械結構存在影響。軌道交通裝備關鍵系統(tǒng)的可靠性直接影響列車的整體安全性和可用性[2]，通過PHM系統(tǒng)持續(xù)關注永磁直驅電動機及驅動單元的過程數(shù)據，為驗證永磁直驅技術的可靠性提供依據。

2 驅動系統(tǒng)的PHM系統(tǒng)

2.1 基本方案

PHM系統(tǒng)即故障預測與健康管理系統(tǒng)，是綜合運用傳感器、人工智能、計算機、監(jiān)測和故障診斷等各種先進技術獲取裝備狀態(tài)和故障信息，預測故障發(fā)展趨勢，以采取有針對性的維修措施[3]。永磁直驅電力機車驅動系統(tǒng)的PHM系統(tǒng)由車載PHM系統(tǒng)、數(shù)據傳輸系統(tǒng)以及地面平臺系統(tǒng)3部分組成，實現(xiàn)車輛及關鍵部件的故障預警、故障分析、故障診斷、故障預測、健康評估及運維決策，實現(xiàn)機車從計劃修到狀態(tài)修的轉變，節(jié)約維護成本。車載PHM系統(tǒng)實現(xiàn)各部件數(shù)據的采集、本地存儲、實時數(shù)據融合、清洗和特征提取等；數(shù)據傳輸系統(tǒng)將車載PHM數(shù)據以規(guī)范的格式傳輸?shù)降孛嫫脚_系統(tǒng)，傳輸?shù)臄?shù)據主要包括原始數(shù)據、狀態(tài)數(shù)據、預警和報警信息、故障信息等；地面平臺系統(tǒng)接收傳輸?shù)臄?shù)據，同時接入設計數(shù)據、運維數(shù)據和檢修數(shù)據等，實現(xiàn)上述數(shù)據的處理和存儲。

大功率永磁機車的每臺永磁電動機及驅動單元的關鍵部位安裝了傳感器，用來監(jiān)測電動機軸承溫度、振動、關鍵部位應力及位移等數(shù)據，同時記錄主要接觸器動作次數(shù)；由PHM車載單元接收傳感器信號并對其進行處理、存儲等，同時連接車載天線通過4G/5G信號將數(shù)據傳輸?shù)降孛嫫脚_系統(tǒng)。

PHM系統(tǒng)監(jiān)測內容如表1所示，總體結構如圖1所示。

表1 PHM系統(tǒng)監(jiān)測內容

圖1 PHM系統(tǒng)總體結構圖

2.2 PHM系統(tǒng)設備組成

PHM系統(tǒng)設備主要包括數(shù)據采集設備、數(shù)據處理設備、數(shù)據傳輸設備及地面平臺設備。

數(shù)據采集設備即由各類傳感器基于數(shù)據采集技術進行關鍵數(shù)據采集。永磁直驅機車PHM系統(tǒng)傳感器主要包括復合傳感器、無線振動傳感器、無線應變傳感器、位移傳感器。傳感器是獲取驅動系統(tǒng)運行參數(shù)及變化的主要方式，其配置與布局是參數(shù)獲取的關鍵，傳感器需適應機車振動的環(huán)境，同時需具備很強的抗干擾能力。傳感器做為獲取數(shù)據的基礎，直接影響驅動系統(tǒng)故障預測、診斷和健康評估的效率和準確性。

數(shù)據處理設備主要指PHM車載單元。接收數(shù)據采集設備采集的牽引電動機軸承及驅動單元關鍵數(shù)據，剔除錯誤或無效數(shù)據，從牽引控制單元接收接觸器動作次數(shù)、速度、電壓、電流等信號，為后續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測和故障預測提供可靠的數(shù)據支撐。數(shù)據進入運算單元進行處理，通過預制的特征識別邏輯進行數(shù)據預處理和特征提取，其中數(shù)據預處理包括數(shù)據數(shù)模轉換處理、去噪處理、濾波處理、壓縮處理和自相關處理等；特征提取的目的是為了進行故障識別和故障隔離。數(shù)據處理的過程為對初始模式向量進行維數(shù)壓縮，去除初始模式中的噪聲和無用信息，融合來自各個信道的故障信息。

數(shù)據傳輸設備主要包括遠程數(shù)據傳輸裝置和車載天線，利用4G/5G傳輸技術將車載PHM系統(tǒng)狀態(tài)信息、故障信息、預警報警信息等傳輸至地面平臺系統(tǒng)，或者在機車入庫后通過數(shù)據下載接口進行數(shù)據信息本地下載。數(shù)據傳輸系統(tǒng)具有延時傳輸功能，機車如果在隧道或偏遠地區(qū)無法實時傳送數(shù)據時，可在有信號時完成數(shù)據的延時傳輸。數(shù)據傳輸系統(tǒng)性能的好壞決定了數(shù)據傳輸?shù)耐暾浴崟r性，將直接影響數(shù)據分析的準確性。

地面平臺設備主要由數(shù)據接收服務器、數(shù)據處理服務器、數(shù)據存儲服務器及應用平臺組成。地面平臺設備接收到各種數(shù)據后，依靠永磁直驅電力機車PHM軟件對數(shù)據進行處理。PHM軟件是整個地面平臺的核心，通過與硬件配合實現(xiàn)驅動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控。同時采用基于數(shù)據的故障預測技術，結合歷史故障數(shù)據，制定故障閾值，實現(xiàn)接觸器壽命預測、關鍵部件故障預測和維修決策等功能。狀態(tài)監(jiān)控及故障預測等信息通過永磁直驅電力機車PHM系統(tǒng)人機界面進行展示，并將信息推送至云端實現(xiàn)數(shù)據共享。PHM系統(tǒng)地面平臺電動機監(jiān)測界面如圖2所示。

圖2 PHM系統(tǒng)地面平臺電動機監(jiān)測界面

2.3 試驗驗證

PHM系統(tǒng)開發(fā)成功后進行了地面試驗驗證。試驗按照PHM系統(tǒng)與TCU間通信協(xié)議進行數(shù)據通信調試，保證數(shù)據傳輸及解析的正確性；將TCU數(shù)據、電動機振動數(shù)據、特征結果等數(shù)據按照存儲機制進行存儲，通過查看硬盤確定數(shù)據存儲正確；按照PHM系統(tǒng)與地面平臺間通信協(xié)議進行數(shù)據遠程傳輸通信調試，實現(xiàn)數(shù)據遠程回傳及地面展示。試驗結果顯示，PHM系統(tǒng)數(shù)據傳輸、顯示等功能正常。

PHM系統(tǒng)裝車后，需在機車運行一段時間并積累一定PHM數(shù)據量后，結合工況分析數(shù)據變化趨勢給出合理的故障預警閾值，即可實現(xiàn)故障預判，防止故障擴大。

3 結束語

由于大功率永磁直驅電動機及直驅技術為首次在機車上應用，對驅動單元溫度、受力等情況需進一步研究。通過PHM系統(tǒng)實時監(jiān)測運行狀態(tài)數(shù)據，并結合機車運行的環(huán)境、歷史數(shù)據等，利用大數(shù)據分析技術和神經網絡等推理算法，預測各關鍵部件運行的狀態(tài)，對系統(tǒng)進行有效的健康評估，進而實現(xiàn)運維決策。PHM系統(tǒng)對永磁直驅技術的推廣提供了數(shù)據支撐，具有重要意義。