用于大功率永磁直驅電力機車驅動系統的PHM系統研究

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系統跟蹤驅動系統的過程數據，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系統開展了研究。

1 大功率永磁直驅電力機車驅動系統

大功率永磁直驅電力機車驅動系統主要由永磁直驅電動機、撓性板聯軸器組成。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軸器傳力盤連接。聯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軸器，實現了電動機直接驅動輪對。驅動系統采用直驅技術，取消了傳統的齒輪箱，具有維護周期長、降低噪聲、減少油污染等優點。

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系統持續關注永磁直驅電動機及驅動單元的過程數據，為驗證永磁直驅技術的可靠性提供依據。

2 驅動系統的PHM系統

2.1 基本方案

PHM系統即故障預測與健康管理系統，是綜合運用傳感器、人工智能、計算機、監測和故障診斷等各種先進技術獲取裝備狀態和故障信息，預測故障發展趨勢，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的PHM系統由車載PHM系統、數據傳輸系統以及地面平臺系統3部分組成，實現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，實現機車從計劃修到狀態修的轉變，節約維護成本。車載PHM系統實現各部件數據的采集、本地存儲、實時數據融合、清洗和特征提取等；數據傳輸系統將車載PHM數據以規范的格式傳輸到地面平臺系統，傳輸的數據主要包括原始數據、狀態數據、預警和報警信息、故障信息等；地面平臺系統接收傳輸的數據，同時接入設計數據、運維數據和檢修數據等，實現上述數據的處理和存儲。

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，用來監測電動機軸承溫度、振動、關鍵部位應力及位移等數據，同時記錄主要接觸器動作次數；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信號將數據傳輸到地面平臺系統。

PHM系統監測內容如表1所示，總體結構如圖1所示。

表1 PHM系統監測內容

圖1 PHM系統總體結構圖

2.2 PHM系統設備組成

PHM系統設備主要包括數據采集設備、數據處理設備、數據傳輸設備及地面平臺設備。

數據采集設備即由各類傳感器基于數據采集技術進行關鍵數據采集。永磁直驅機車PHM系統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運行參數及變化的主要方式，其配置與布局是參數獲取的關鍵，傳感器需適應機車振動的環境，同時需具備很強的抗干擾能力。傳感器做為獲取數據的基礎，直接影響驅動系統故障預測、診斷和健康評估的效率和準確性。

數據處理設備主要指PHM車載單元。接收數據采集設備采集的牽引電動機軸承及驅動單元關鍵數據，剔除錯誤或無效數據，從牽引控制單元接收接觸器動作次數、速度、電壓、電流等信號，為后續的狀態監測和故障預測提供可靠的數據支撐。數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據預處理和特征提取，其中數據預處理包括數據數模轉換處理、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。數據處理的過程為對初始模式向量進行維數壓縮，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。

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

地面平臺設備主要由數據接收服務器、數據處理服務器、數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據后，依靠永磁直驅電力機車PHM軟件對數據進行處理。PHM軟件是整個地面平臺的核心，通過與硬件配合實現驅動系統狀態監控。同時采用基于數據的故障預測技術，結合歷史故障數據，制定故障閾值，實現接觸器壽命預測、關鍵部件故障預測和維修決策等功能。狀態監控及故障預測等信息通過永磁直驅電力機車PHM系統人機界面進行展示，并將信息推送至云端實現數據共享。PHM系統地面平臺電動機監測界面如圖2所示。

圖2 PHM系統地面平臺電動機監測界面

2.3 試驗驗證

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

PHM系統裝車后，需在機車運行一段時間并積累一定PHM數據量后，結合工況分析數據變化趨勢給出合理的故障預警閾值，即可實現故障預判，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系統實時監測運行狀態數據，并結合機車運行的環境、歷史數據等，利用大數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，對系統進行有效的健康評估，進而實現運維決策。PHM系統對永磁直驅技術的推廣提供了數據支撐，具有重要意義。