智能运维与健康管理第10章ppt课件

设计数据 运维数据
网关
卫星信号 接收装置
车地数据传输系统
基站
3G/4G/LTE/WIFI
卫星传输
地面感知 数据
数据存储
地面PHM系统
故障分析、故障诊断、健康评估、故障预 测、运维决策
诊断分析
Hale Waihona Puke 健康管理车载PHM系统 状态显示、故障预警
报警 预警
主机厂/供应商
制动 系统
车体
空调系 统
转向架
牵引系统 ...
三个网络：车载传输网络 车地传输网络 地面传输网络
二套系统：车载硬件和软件 地面硬件和软件
一个平台：应用平台
系统架构
2.1 车载PHM系统
车载PHM系统包括两大部 分：车载传输网络和车载 软硬件 • 车载传输网络主要利用
工业以太网进行数据信 息的传输。 • 车载软硬件包括车载PHM 单元、子系统PHM单元、 远程数据传输装置。
转频及倍频
牵引电机故障诊断与健康管理关键技术
3.2 牵引电机机械故障诊断及轴承健康管理
• 2.转子与轴承故障模拟实验方案设计 对不同型号、不同损伤类型、不同故障类型与程度的 轴承在不同载荷环境下进行试验，了解不同轴承在各 种条件下的运行特点，验证轴承动力学模型，收集不 同的试验数据为故障诊断和寿命预测做数据支持。
牵引电机故障诊断与健康管理关键技术
3.1电气故障诊断及绝缘健康管理
• 1. 绝缘老化机理研究 ➢ 机械损伤：由于外伤，机械应力等原因使得牵引
电动机在运行中产生线圈振动、互相摩擦挤压、 局部位移导致绝缘损坏。
➢ 铁磁损坏：由于在槽内或线圈上附有铁磁物质而 产生振动，导致绝缘磨损。若铁磁物质较大，还 会产生涡流，导致绝缘的局部热损坏。
1
机械故障诊
3
断及轴承健
康管理
大数据健康 管理平台
2
电气故障诊 断及绝缘健
康管理
4
车载硬件 系统
17
牵引电机故障诊断与健康管理关键技术
3.1电气故障诊断及绝缘健康管理 • 1. 绝缘老化机理研究
绝缘系统是电机结构中较薄弱的环节，老化、 磨损、过热、受潮、污染、电晕都可以导致绝缘 系统的电气性能降低，从而引发其它故障的发生。
故障分析、健康评估、故
设计部门
制造部门
障预测、运维决策
检修部门
运维部门
基础数据库 实时数据库
诊断数据库
故障数据库
健康数据库
数据解析
数据清洗
数据建模
数据融合
数据挖掘
光 纤
用户
管理部门 检修基地
地面PHM系统
应用平台 状态显示 故障预警 故障分析 故障诊断 健康评估 故障预测 运维决策
运用段/所
系统架构
CF=RS×转子条数 线频和两倍线频边带伴随转频边带
CF=RS×转子条 线频边带，4倍线频间隔，然后 是2倍线频峰值
牵引电机故障诊断与健康管理关键技术
3.1电气故障诊断及绝缘健康管理 • 2.绝缘试验方案设计
进行绝缘实验可递进式对绝缘材料、绝缘部件 和整体电机的真实情况进行模拟，了解绝缘材料、 绝缘部件的老化性能，收集不同老化状态下的电流 变化情况数据为故障诊断做数据支持。
障试验。
牵引电机故障诊断与健康管理关键技术
3.1电气故障诊断及绝缘健康管理 • 3. 绝缘实验步骤规划 （2）绝缘部件性能试验，为牵引电机整机绝缘性能试 验提供数据支持。 ➢ 做绝缘部件分层故障环境试验。 ➢ 做绝缘部件匝间短路故障环境试验。 ➢ 做绝缘部件对地短路故障环境试验。 ➢ 做绝缘部件端部泄露故障环境试验。
在综合考虑PHM功能需求，用户使用需求，主机厂、 供应商需求和顶层技术要求的基础上，确定了轨道交 通装备故障预测与管理系统总体架构。
PHM功能需求
用户使用需求
主机厂/供应商需求
顶层技术要求
轨道交通装备故障预测与健康管理系统总体架构
■ 车载PHM系统
■ 车地数据传输系统
■ 地面PHM系统
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系统架构
高铁PHM系统架构包含三个主要子系统：车载PHM系统、 车地数据传输系统、地面PHM系统。
“中国制造2025”、“走出去”战略需求 轨道交通行业可持续发展的迫切需求 主机企业提升产品服务能力与水平的需求 轨道交通装备技术发展的迫切需求
上述4项需求决定了高铁故障预测与健康管理技术的重要性和迫切性。
系统架构
系统架构
参考IS013374标准，健康管理（PHM）体系结构主要由8 个模块组成，因此，从功能划分和模块化设计的角度，高 铁故障预测与健康管理系统至少应实现数据采集、数据处 理、状态监测、健康评估、故障预测、决策支持6个功能。
既有控制网络设备 列车既有控制网络
隔离 装置 车载传输环网
车厢节点
车厢节点
车厢节点
制动系统
牵引系统
车体
空调系统
... 转向架 子系统PHM单元
速度 传感器
加速度传 感器
温度 传感器
压力 传感器
防 火 墙
远程数据传 输装置
车载天线 3G/4G/LTE/卫星 /WIFI 基站
地面数据中心
系统架构
2.2车-地数据传输系统
牵引电机故障诊断与健康管理关键技术
3.1电气故障诊断及绝缘健康管理
• 1. 绝缘老化机理研究 为了诊断绝缘引起的电气故障，最有效的方法是通 过分解交流电机故障信号中的各种频率成分来揭示 动态波形中所包含的反映故障类型，并通过电流峰 值或均方根值的大小对故障程度进行评定
牵引电机故障诊断与健康管理关键技术
物理模型
数据采集
数据处理
状态监测
健康评估
故障预测
决策支持
轨 道
●传感器1
●预处理
●阈值判断 ●特征提取
●基于模型
●维修决策
-人机接口
交 通 装 备
●传感器2 ……
●降维 ●特征提取
……
●偏离度 ●状态判断
……
●异常检测
●诊断推理 ……
●基于经验 ……
●备件管理 ……
-与其它系 统接口
……
任务计划
系统架构
2.3 地面PHM系统实现功能
状态监控 运维决策
故障预警
故障预测
应用平台
故障诊断
健康评估
故障分析
牵引电机故障诊断与健康管理关键技术
牵引电机故障诊断与健康管理关键技术
牵引电机是高铁列车的关键设备，对高铁安全至关重要， 牵引电机故障诊断与健康管理是高铁健康管理的重要子系 统及子模块。。
牵引电机故障诊断与健康管理关键技术
验
征
故障信号特征信息
电容耦合器信号采集
在 线
监
测
信号处理
特征提取
设备运行状态
在线监测信号的 特征信息
大数据健康管理平台
牵引电机故障诊断与健康管理关键技术
3.2 牵引电机机械故障诊断及轴承健康管理 在牵引电机中，机械故障主要包括转子及轴承故障，这 两类故障属于典型的故障高发部件，在牵引电机中作用 重大而且损伤率高，可通过分析振动时域特征及频谱中 相对应的特定频率来确认轴承具体位置的故障类型。
牵引电机故障诊断与健康管理关键技术
3.1电气故障诊断及绝缘健康管理 • 3. 绝缘实验步骤规划 （3）牵引电机整机绝缘性能试验。 ➢ 做牵引电机整机绝缘材料分层台架故障试验。 ➢ 做牵引电机整机绝缘匝间短路台架故障试验。 ➢ 做牵引电机整机绝缘对地短路台架故障试验。 ➢ 做牵引电机整机端部泄露台架故障试验。 ➢ 做牵引电机整机绝缘断条台架故障试验。
引言
《中国制造 2025》轨道交通的示范项目中提出：以绿色智 能轨道交通车辆为“移动终端”，集成车载智能化状态监 测、故障灾害监测系统等网络化、智能化技术，探索建立 “基于物联网的轨道交通装备全寿命周期服务体系” 。实 现我国高铁高效、准确、低成本的运行维护是未来高铁技 术的发展重点。
引言
必要性
牵引电机故障诊断与健康管理关键技术
3.1电气故障诊断及绝缘健康管理
• 1. 绝缘老化机理研究 ➢ 绝缘的热老化：电机长年累月的使用经常过载运
行，由于过热导致绕组及其连接线的绝缘发生热 老化，从而使得绝缘材料的绝缘强度降低或丧失。
➢ 局部烧损：由于轴承等机械零件发生故障，造成 电机定转子中心不对称发生扫膛，铁芯出现局部 高温导致主绝缘被破坏而接地。
各类绝缘故障 信号特征
故障特征提取 故障诊断结果
牵引电机故障诊断与健康管理关键技术
3.1电气故障诊断及绝缘健康管理
• 5.健康管理 牵引电机绝缘健康管理架构如图 所示。
绕组对地绝缘试验 绕组匝间绝缘试验 绕组相间绝缘试验
不同载荷 不同转速 启停机
数据采集与存储
故障信号分析
离
线
试
绝缘故障信号特
不同试验条件下的
车-地数据传输系统采用
包含卫星、3G/4G/LTE移
3G/4G/LTE
动通讯网络、近场WiFi等
多渠道将车上数据传输到
基 站
地面数据中心。
车载传输网络主要利用
工业以太网进行数据信息
接入网关
的传输。
卫星
数 据 接 收 服 务 器
接入网关
WIFI
基 站
地面数据中心
接入网关
系统架构
2.3 地面PHM系统 地面PHM系统接收车辆传
牵引电机故障诊断与健康管理关键技术
3.1电气故障诊断及绝缘健康管理
• 2.绝缘试验方案设计 分别针对绝缘材料、绝缘部件以及整机，预制九类 故障（绝缘材料分层故障、绝缘部件分层故障、绝 缘部件匝间短路、绝缘部件对地短路、绝缘部件端 部泄露、整机绝缘材料分层故障、整机匝间短路、 整机对地短路、整机端部泄露、整机断条），每类 故障提供5个样本。
3.1电气故障诊断及绝缘健康管理
• 1. 绝缘老化机理研究
典型故障 定子机械的（如线圈松动、铁心位移等）
中心频率（CF） CF=RS×定子槽数 线频边带
定子短路（绕组短路） 转子指示
CF=RS×定子槽数 线频边带伴随转频边带 CF=RS×转子条数 线频边带
静态偏心 动态偏心 机械不平衡（和不对中）
CF=RS×转子条数 线频和两倍线频边带
对比轴承振动信号特征与各个故障特征频率便可对 轴承的各类故障进行诊断。
牵引电机故障诊断与健康管理关键技术
3.2 牵引电机机械故障诊断及轴承健康管理 • 1.转子与轴承故障机理研究
故障特征频率
外圈故障特征频率
中心频率（CF）
内圈故障特征频率
滚动体故障特征频率
保持架故障特征频率
动态偏心与机械不平衡（和不对中）
讲义提纲
1 引言 2 系统架构 3 牵引电机故障诊断与健康管理关键技术 4 牵引电机故障诊断与健康管理的系统实现 5 思考题与习题
引言
引言
高速铁路动车组列车（下文简称“高铁”）是中国高端制 造业崛起的重要标志以及“制造强国”、“一带一路”的 一张靓丽名片。
引言
高铁车辆属于典型复杂机电系统，由于缺乏有效技术装备 和系统长期运行的经验积累，我国铁路部门普遍沿用劳动 力密集型计划维修（即定期维修）体制。造成维修量大、 工作强度高、准确性不足的局面。
牵引电机故障诊断与健康管理关键技术
3.1电气故障诊断及绝缘健康管理
• 4. 信号处理分析
电机发生绝缘故障时母线电容耦合器信号会产生突变，结 合相位信息、电流、电压信息可对常见故障进行故障判别。
电流 电压
电容耦合器 信号采集
电容耦合器 信号预处理
滤波 降噪
信号 时域分析
信号 频域分析
信号 时频域分析
输到地面的数据和接入设
运行动车组 车载采集数据
3G/4G/LTE /WIFI
卫星
数据接收服 数据存储服
务器
务器
计数据、运维数据、地面 监测系统数据，进行数据
地面监测站 感知数据 光 纤
设计数据
数据处理服务器
处理、存储和应用展示。 运维数据
实现以下的功能：状态监 控、故障预警、故障诊断、
数据接入服务器 主机厂/供应商
50%分层以及50%以上面积分层； 整机端部泄露按额定转速分低速-中速-高速（低速
为额定转速20%以下，时间占比20%；中速为额定 转速20-50%，时间占比40%；高速为额定转速50% 以上，时间占比40%）三种工况测试；
牵引电机故障诊断与健康管理关键技术
3.1电气故障诊断及绝缘健康管理
• 3. 绝缘实验步骤规划 （1）绝缘材料性能试验，为绝缘部件性能试验提供数 据支持。 ➢ 做绝缘材料在热环境中的分层老化故障试验。 ➢ 做绝缘材料在强电环境中的分层老化故障试验。 ➢ 做绝缘材料在机械动态环境中的分层老化故障试验。 ➢ 做绝缘材料在热、电和机械耦合环境中的分层老化故
机械故障诊断及轴承健康管理主要包含五个步骤，分别 为转子与轴承故障机理研究、试验方案设计、试验步骤 规划、信号处理分析与健康管理模块设计。
牵引电机故障诊断与健康管理关键技术
3.2 牵引电机机械故障诊断及轴承健康管理
• 1.转子与轴承故障机理研究 转子故障主要包括不对中与不平衡，故障特征频率 为转频及其倍频，而当轴承发生损伤类故障时，损 伤点可能出现在内圈、外圈、保持架或是滚动体上， 或同时出现在不同的元件上，损伤点越多振动信号 就越复杂。
牵引电机故障诊断与健康管理关键技术
3.1电气故障诊断及绝缘健康管理 • 2.绝缘试验方案设计 ➢ 针对绝缘材料和绝缘部件，分别开展四种环境下
（热环境、强电环境、机械环境、耦合环境）的 老化性能试验；
牵引电机故障诊断与健康管理关键技术
3.1电气故障诊断及绝缘健康管理
• 2.绝缘试验方案设计 ➢ 针对整机，开展台架实验测试。 分层故障分为横截面宽度的20%以下分层、20%-