謝中東 楊蒙

摘要：為保證電驅(qū)總成系統(tǒng)開發(fā)進度，及時發(fā)現(xiàn)電驅(qū)總成系統(tǒng)在耐久試驗中發(fā)生的故障類型及故障位置，避免樣品過度損壞和保護測試設(shè)備，保證研發(fā)周期。以某型號電驅(qū)總成系統(tǒng)為研究對象，在耐久試驗采用德爾塔分析儀對電驅(qū)總成系統(tǒng)進行實時監(jiān)控其振動信號，并結(jié)合時域分析、頻域分析、階次分析等理論快速分析出其故障發(fā)生的位置以及故障類型。

關(guān)鍵詞：德爾塔分析儀；電驅(qū)總成系統(tǒng)；故障診斷

中圖分類號：U469 ?收稿日期：2023-12-13

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.02.023

1 前言

隨著能源危機和全球溫室效應(yīng)的日益嚴重，近年來國家逐步推廣新能源，使之替代傳統(tǒng)能源[1-2]。其中電動車作為目前新能源行業(yè)中的代表，已經(jīng)是各個車企主要的發(fā)展方向。新能源汽車在結(jié)構(gòu)及動力方面的改革與創(chuàng)新，使其對故障診斷技術(shù)要求更高[3]。故障診斷技術(shù)常用于診斷機械設(shè)備運行的狀態(tài)以及故障狀況，其原理是借助于檢測設(shè)備，通過診斷方案識別與判斷出設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，并針對存在的故障現(xiàn)象展開詳細的研究，分析得出引發(fā)故障的因素、形式以及故障大小、未來發(fā)展趨勢等[4-6]。故障診斷技術(shù)研究分為以下三種類型：

a.故障機理研究。重要之處就是確定引發(fā)故障的原因，并對原因進行區(qū)分，對主要原因與次要原因進行定位，基于此可以為進一步的診斷工作提供依據(jù)。

b.故障信息的研究。故障信息的分析處理是診斷故障的關(guān)鍵核心。通過對信息進行整體性分析、處理，采集其中對診斷故障有用的信息，并展開研究，最終將獲得故障的信息特征。

c.故障診斷理論和方法的研究。根據(jù)發(fā)生故障的原因，將定量分析法和定性分析的方法結(jié)合起來，對得到的故障信號進行處理，并輸入到故障診斷模型中，得到故障診斷結(jié)果。

電驅(qū)總成系統(tǒng)是電動汽車的動力來源[7]。電驅(qū)總成系統(tǒng)的運行性能和電氣特性直接決定電動汽車的性能，電驅(qū)總成系統(tǒng)的研發(fā)是各大車企的重要任務(wù)，一套成熟的電動總成系統(tǒng)需要進行性能、環(huán)境和耐久等一系列測試。其中多種不同工況的耐久測試是檢驗其可靠性的重要依據(jù)，在長時間的耐久測試時，電驅(qū)總成系統(tǒng)經(jīng)常會出現(xiàn)內(nèi)部齒輪、軸齒及外殼的損壞失效等，因此在測試過程中對電驅(qū)總成系統(tǒng)進行故障監(jiān)控及實時分析十分重要。

2 電驅(qū)總成系統(tǒng)耐久測試故障診斷系統(tǒng)

2.1 德爾塔分析儀

德爾塔分析儀由本地PC（含顯示器、鍵盤機及鼠標）、測量單元、速度盒、UPS及測量組件（傳感器、電纜與電荷放大器）組成。在常見的耐久測試中，電驅(qū)總成系統(tǒng)的內(nèi)部故障被發(fā)現(xiàn)時，其內(nèi)部部件往往出現(xiàn)嚴重損壞或者失效。在早期出現(xiàn)細微點蝕或者裂紋時并沒有明顯特征。樣機出現(xiàn)故障往往是以振動異常的形式表現(xiàn)，因此德爾塔分析儀通過分析軟件能夠基于測得的振動特性數(shù)據(jù)分析確定故障位置，并能從中推斷故障的發(fā)生和演化過程，盡快確認故障原因并有效解決問題[8-9]。

該系統(tǒng)應(yīng)用于傳動系耐久試驗中，在耐久性試驗過程中能夠基于被測對象，如變速箱、驅(qū)動橋、電驅(qū)總成系統(tǒng)等的機械振動特性變化并結(jié)合時域分析、頻域分析、階次分析等理論分析被測樣品特性，監(jiān)控并自學(xué)習(xí)樣品在整個試驗過程中的工作狀態(tài)，在故障發(fā)生初期及時發(fā)現(xiàn)故障并及時向試驗臺發(fā)出報警信號，實現(xiàn)及時終止試驗進程，防止出現(xiàn)樣品嚴重失效或損傷試驗臺架等不可挽回的損失。德爾塔分析儀提供關(guān)于額外關(guān)于故障開始和故障原因的說明，因此它可以為研發(fā)工程師提供用于結(jié)果優(yōu)化的有價值信息。

2.2 故障診斷系統(tǒng)搭建

圖1所示為電驅(qū)總成系統(tǒng)耐久測試故障診斷系統(tǒng)，整個系統(tǒng)首先通過振動、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流、電壓等傳感器采集到電信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦β史治鰞x，經(jīng)過功率分析儀的計算及整合傳輸?shù)脚_架上位機，以此得到各類測試數(shù)據(jù)并保存在臺架上位機中。德爾塔分析儀則通過安裝在電驅(qū)總成系統(tǒng)上的振動傳感器采集到振動信號數(shù)據(jù)（其中振動傳感器分別安裝于電機端、減速器端以及控制器上，方向垂直于水平方向），經(jīng)過一定時間的自學(xué)習(xí)得到電驅(qū)總成系統(tǒng)處于正常狀態(tài)時數(shù)據(jù)模式[10-11]。當后續(xù)耐久測試時，采集到數(shù)據(jù)超出一定的區(qū)間范圍，德爾塔分析儀通過臺架上位機控制整個測試停止。測試停止后，根據(jù)德爾塔分析儀采取的各類數(shù)據(jù)分析其故障原因及故障位置。

2.3 德爾塔分析儀配置

在進行耐久測試前，需要根據(jù)實際耐久工況對德爾塔分析儀進行配置，具體配置方法如下：

a.打開軟件dARun，點擊主界面上autoExpert，即可開始創(chuàng)建新的試驗文件。

b.點擊Learning/Monitoring選項卡，出現(xiàn)如圖2中的界面。在該界面中設(shè)置Loadstep delay為1 000 ms，learning length為2 000和Motoring Depth為3。

c.先點擊Diagnosis Settings，再選擇Alarm Settings選項卡，在該界面中設(shè)置報警限值，設(shè)置Threshold為6 000。

d.點擊Loadstep Setup選項卡，根據(jù)試驗規(guī)范設(shè)置步長（數(shù)據(jù)卡）。設(shè)置Torque_Eng為[-500，500]，Speed_Eng為[0，15 000]，TrsmOilT為[30，150]（樣品參數(shù)改變，參數(shù)值設(shè)置相應(yīng)改變）。

e.點擊crash-Preventer（CP）勾選上德爾塔分析儀的采集通道，CP通道報警設(shè)置，延遲設(shè)置為400 ms。

報警類型分為兩類：dA報警與CP報警（兩種類型同時運行）。

①dA報警：dA報警基于當前報警振動譜線與自學(xué)習(xí)后的振動上下限譜線進行對比，計算出的趨勢值與設(shè)定的閥值進行比較，若連續(xù)兩個分析的趨勢值（軟件默認設(shè)置為2個分析）大于設(shè)定的閾值，則軟件輸出dA報警。dA報警通常針對于小能量故障。

②CP報警：全稱Crash Preventer報警，快速沖擊保護。大能量故障導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損壞，軟件輸出CP報警信號。

f.點擊Save Testlist按鈕，出現(xiàn)以下窗口設(shè)置文件名，一般輸入電驅(qū)總成系統(tǒng)名、試驗名、臺架號、日期等，點擊open/打開按鈕保存此次試驗配置。保存完畢后回到了主界面，如圖3所示。

g.找到對應(yīng)文件，點擊Start Testlist，即開始對耐久測試進行實時監(jiān)控。

2.4 故障診斷及分析

以某型號電驅(qū)總成系統(tǒng)為研究對象，在進行耐久測試驗證其可靠性時，德爾塔分析儀檢測到被測對象機械結(jié)構(gòu)上故障的始發(fā)或加劇，觸發(fā)dA報警（dA為delta分析報警，為一般報警）。測試臺架接收到dA報警時，向臺架發(fā)出警報信號并觸發(fā)臺架聲光報警，實現(xiàn)臺架停機。

幾種典型故障的振動及特征頻率如下：

a.定子故障。如定子匝間短路、相間短路等，特征頻率一般以倍頻的形式出現(xiàn)：[f0、2f0、4f0、6f0]。

b.軸承故障。軸承故障通常出現(xiàn)損壞的部件為外圈、內(nèi)圈、滾動體和保持架等，當部件出現(xiàn)磨損會帶來的沖擊引起的振動[12]。

軸承內(nèi)圈、軸承保持架：[0.5Zn60（1-dDcosβ）]；

軸承外圈：[0.5Zn60（1+dDcosβ）]；

軸承滾動體：[Ddn601-（dDcosβ）2]。

式中，Z為滾動體個數(shù)；n為轉(zhuǎn)速，r/min；d為滾動體直徑，mm；D為滾動體分布直徑，mm；[β]為軸承壓力角，（°）；p為極對數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率[13]。

c.轉(zhuǎn)子故障。轉(zhuǎn)子損壞導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子不平衡：[k（1-s）/p±sf0，k=1，2，…]。

式中，[f0]為電源頻率，Hz。

d.氣隙不均勻。分為靜態(tài)偏心和動態(tài)偏心，常導(dǎo)致轉(zhuǎn)子動不平衡等故障：[2f0、2sf0]。

打開delta Evaluation數(shù)據(jù)分析軟件，得到如圖4頻譜圖，頻譜明顯超差，QI指標不合格。頻譜中8階、16階、24階、32階、48階存在異常偏差即代表定子存在故障。通過拆機檢查后發(fā)現(xiàn)如圖5定子跨槽現(xiàn)象，更換定子后故障排除。

打開delta Evaluation數(shù)據(jù)分析軟件，得到圖6所示的頻譜圖，頻譜明顯超差，QI指標不合格。頻譜中3.6階，20～60階明顯升高。通過拆機檢查后發(fā)現(xiàn)圖7所示的膠圈破損現(xiàn)象，更換膠圈后故障排除。

綜合以上兩種情況，當測試臺架接收到來自德爾塔分析儀的報警時，通過分析其頻譜圖曲線得到其內(nèi)部存在故障情況，拆機后檢查樣機狀態(tài)與德爾塔分析儀的監(jiān)控及分析情況一致。整個故障診斷系統(tǒng)能夠及時且有效地發(fā)現(xiàn)耐久測試過程中的故障情況。

3 結(jié)語

本文以某型號電驅(qū)總成系統(tǒng)為研究對象，通過分析了解德爾塔分析儀以及整個故障診斷系統(tǒng)的工作原理，搭建故障診斷系統(tǒng)實現(xiàn)對于電驅(qū)總成系統(tǒng)在耐久測試的實時監(jiān)測，盡快發(fā)現(xiàn)其早期故障并分析其故障原因。以實際耐久測試項目為例，根據(jù)對其頻譜圖曲線進行分析，實際存在的故障情況與德爾分析儀得到的故障信號一致，證明整個故障診斷系統(tǒng)能夠有效解決電驅(qū)總成系統(tǒng)在耐久測試無法及時發(fā)現(xiàn)早期故障的問題。故障診斷系統(tǒng)能夠保證電驅(qū)總成系統(tǒng)研發(fā)周期，大大降低樣品嚴重損壞的概率，對于電驅(qū)總成系統(tǒng)驗證其可靠性存在重要意義。

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作者簡介：

謝中東，男，1996年生，工程師，研究方向為電驅(qū)測試。

基金項目：中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司科研項目“新能源電驅(qū)動總成故障測試分析研究”（202308）