党伟 刘凤霞 刘伟尧
中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 266000
摘要：基于电信号轴承故障诊断机理，提出一种基于改进磁链峰值能量法的牵引电机轴承故障诊断方法，并开展了轴承故障模拟试验和现场案例验证。首先，以采集获得的电机电流、转速以及重构电压信号作为输入，采用牵引电机全阶磁链观测器计算获得磁链信号；其次，采用快速峭度谱算法对磁链信号进行自适应滤波，消除背景噪声、低频基频及其谐波等干扰信号的影响，对滤波后的磁链信号进行峰值平方整流和包络解调处理，进一步计算磁链峰值能量法；最后，提取磁链峰值能量法中的轴承故障特征分量，实现诊断轴承故障。研究结果表明：本文所提出的方法能够有效地提取轴承故障微弱特征信号，可实现对牵引电机轴承外圈、内圈和滚动体等故障部位的精确诊断。
关键词：高铁牵引电机；轴承；故障诊断；电信号
引言
随着通信、存储技术的不断进步，轨道交通已向“车辆大数据”的方向发展，对故障诊断技术提出了更高的要求。给出了一种FFT+DBN+参数寻优的牵引系统电机轴承诊断方法，完成了无监督特征提取与有监督微调网络模型的构建，解决了网络参数设置难的问题，并有效提高故障识别准确度，为电机轴承故障诊断提供了解决方案，具有很强的工程应用价值。
1概述
铁路牵引系统的故障有时会造成灾难性事故，因此，需要定期进行维护以保证铁路车辆的安全。为了提高铁路牵引系统的安全性，对车辆设备状态监视进行了大量的研究。对于一般的电机故障，几乎一半都是由轴承引起的，因此早期的轴承故障检测是极为重要的。现已提出许多基于振动、声发射、温度和绕组电流这类物理特性的状态监视方法。这些方法经常使用信号处理技术，也有些方法把这些技术与机器学习结合起来。其中，振动作为一种轴承故障缺陷指示，因其可靠性在状态监视系统中得到了广泛的应用。对铁路牵引系统进行振动监测时，需要在牵引电机上直接装一个振动传感器，使其处于恶劣的环境中。此外，还需要一条从地板下牵引电机延伸出来的长信号线。因此，铁路牵引系统的状态监视最好是参考除振动外的物理特性。本文研究的重点是可以直接从为电机供电的逆变器获得的漏电电流。电机上不需要安装传感器。漏电电流是在正常情况下发生在不需要的电流路径中的电流。共模电压是产生多余电流的原因之一。逆变器会产生一个共模电压，这会导致从电机绕组流出的共模电流（CMC）经杂散的路径进入地面。流过轴和轴承的电流，导致轴承部件之间放电，并导致轴承接触面劣化。放电对轴承的损伤被称为电蚀。防止电蚀有2种方法：轴承绝缘和轴承导电。在铁路牵引电机轴承电蚀曾是一个严重问题，但开发绝缘轴承就防止了这一问题。
2 常见的电机故障类型
2.1通电后不能正常运行，但没有异响
牵引电机在实际的运行过程中经常会出现通电后电机不能工作的故障，但是电机没有出现特殊的现象，比如说发出异响以及出现异味等问题。造成电机不能正常工作的原因可能有以下几点。第一，电源的连接问题。在应用电机的时候，可能由于插头不良或者电路的问题，造成电机的电源连接不上。这样电机就不会正常的进行工作。第二，过流继电器的调节不当。在应用电机的时候，如果过流继电器的调节程度过于低，那么就不会有足够的电流支持电机运转。第三，熔丝可能发生了熔断现象。熔丝一旦发生熔断现象，那么电路就会受到影响，不能正常的通过电流，那么也就不会支持电机运转，从而造成电机故障。
2.2通电后不能正常运行，并伴有异响
电机在连接电源以后，不能正常的进行运转，并且还会发出嗡嗡的声音，这时候就可以判断电机发生了故障。通过对电机这种情况下的故障问题进行充分的研究之后发现，原因可能有以下几种。第一，电机的定子之间存在着断路现象。或者是电机的转子绕组之间电路出现了断线问题。第二，电机的绕组内部线路接错，或者是电机的引出线连接不当造成。第三，电机的转子在转动的过程中，出现被卡住的现象。或者是电机的转子在运动的过程中负载超过了可以承受的范围。第四，电机连接的电源电压达不到要求。第五，电机内部的电路接点发生松动现象，这就会从一定程度上加大接触电阻。
2.3电机在运行过程中发出异响
电机在运行过程中发出异响的原因主要有以下几种。第一，电机由于长时间的运行导致内部的轴承得到大幅度的磨损。或者是轴承的表面有其它的异物存在。第二，电机内部的轴承油量不足以支撑它继续的运行。第三，电机在运行中风道发生了一定程度的堵塞现象，也有可能是风扇和风罩两者之间发生了摩擦现象。第四，铁芯在长时间的运行后，发生了松动现象。第五，电机内部的定子绕组之间电路出现了问题，可能是出现了短路现象，也有可能是线路接错。第六，电机接的电源电压过高，超出了本身可以承受的范围。以上所有的原因都可能会使电机在实际的运行过程中出现异响现象。
3异常模拟试验
3.1试验条件
进行模拟异常的试验来验证所提诊断方法。在不同的条件下对正常和异常轴承测量了电机的电流漏泄。两种轴承都绝缘。试验设备。使用了安装在列车上的２台感应电机。１台电机用作试验电机并装有传感器。另一台电机用作对牵引电机产生扭矩的负载。为了模拟轴承异常，制作了有人为故障的轴承。模拟局部缺陷，对内圈表面进行机加工使其部分平整。然后将轴承清洁干净，并注入新的润滑脂。完成正常轴承的试验后，将负载侧轴承更换为缺陷轴承，运行后进行试验。
3.2参数寻优
诊断过程中最重要的就是设置网络节点数等相关参数。各参数之间的耦合性很大，而多数参数均无确定的设置规则。文献［3］中仅指出了大概的设置方案，但不同的设置值对结果的影响很大。本文采用网格参数寻优法，通过多次试验选取对结果影响最大的学习率、迭代次数和网络节点数为寻优对象，可大幅提高结果准确度和计算效率。结果聚类分析DBN对故障数据分类，可得到各类故障数据的特征矩阵。但由于数据维度较高，需要通过主成分分析法从特征矩阵中提取主要特征并绘制三维散点图，从而观察DBN的分类能力。可视化方法可直观反映DBN的分类能力，但并无量化指标以确定分类准确率。因此，本文根据式计算分类结果的均方根误差(E)，并与其它主流算法进行对比，定量分析DBN的分类准确率与时间效率。
3.3接地回路
牵引电机轴承的高低与车辆的接地回路抗阻的大小存在直接的联系。并且，机壳上的感应电压也主要通过接地线阻抗Lcb来直接到达目标的车体，进而经过和车体相连的接地电阻R1加上长线电缆的阻抗L1回到牵引逆变器中。除此之外，就是在流经Lcb的同时经过牵引逆变器的EMI电容CEMI回到牵引逆变器中。但是，处于轴电压的高变化率，du/dt的交变电压也会存在变化。因此，在具体实施过程中，要尽量减少L1和R1或者CEMI中的电阻和电感值，这也能达到很好的低轴电压的效果。根据相关数据显示，在现场试验过程中，通常也会采用两组接地电阻的形式R1来并联以及缩短电缆长度将电阻降低到L1上，同时也会利用无感电容，也就是CEMI来有效降低轴电压。通常来说，轴承电蚀问题出现的原因大部分归结于轴承内外圈之间存在轴电压，上述几种方式也各有优缺点，需要根据具体情况进行选择。
结语
针对轨道交通大功率牵引电机轴承故障诊断难题，本文提出了一种改进磁链峰值能量法的新型轴承故障诊断方法。首先分析了轴承故障机理，构建了轴承故障与磁链特征谱的映射关系，采用牵引电机全阶状态观测器进行磁链等信号的实时观测和计算，通过对磁链信号进行峰值平方整流和包络解调等处理，提取轴承故障磁链峰值能量法特征，解决了轴承故障微弱信号的提取难题，实现了对轴承外圈、内圈、滚动体等部位的精确诊断，并进行了相关试验验证和现场应用。试验及现场应用结果表明，本文所提的方法可有效实现轴承故障的精准诊断。
参考文献
［1］陈勇．基于逆变回馈的地铁再生制动能量吸收的研究［D］．成都:西南交通大学，2011．
［2］张志学，何多昌，张铁军，等．城市轨道交通牵引供电系统的技术发展展望．机车电传动，2012(01):43．
［3］刘灵．基于深度学习的车型识别分析与研究［D］．济南:山东师范大学，2017．