地铁车辆牵引系统PHM应用与技术研究_孙承奇.pdf

收稿日期:2 0 2 1-1 1-1 3作者简介:孙承奇(1 9 8 9-),男,山东烟台人,硕士,主要研究方向:城市轨道交通电客车牵引、控制及维护。地铁车辆牵引系统P HM应用与技术研究孙承奇(济南轨道交通集团有限公司,山东 济南 2 5 0 0 0 0)摘要:基于济南地铁2号线地铁运营工作中车辆检修规程由“计划修”逐步转化为“状态修”的实际需求,结合牵引系统运行机理、关键部件故障机理开展牵引系统P HM技术研究。在牵引变流箱内增加智能边缘终端系统,完成牵引系统数据采集、边缘处理及4 G无线传输,实现车载数据稳定可靠回传。通过数据特征挖掘提取网压、支撑电容电压、母线电流等系统参数特征值,应用数据统计分析方法构建牵引系统状态监测与异常预警模型;基于支撑电容等关键部件老化失效分析、故障机理研究确定表征部件失效的参数特征,应用人工智能算法构建关键部件参数预测及故障诊断模型,最终,基于上述模型实现牵引系统P HM功能开发。关键词:牵引P HM;状态监测;异常预警中图分类号:TM 5 3 1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 8 1(2 0 2 2)0 3-0 0 7 8-0 4 随着城市轨道交通规模的不断扩大,逐年增加的运维成本,自动化与智能化水平不足,导致同等花费下,运维效率难以提升,运维成本压力巨大,难以匹配可持续发展要求的提高。牵引变流器P HM技术应用列车牵引产品设计、生产及运营等覆盖产品全生命周期的数据构建系统关键部件寿命及故障诊断模型,实现产品的故障预测与健康管理功能,以提高列车运营可靠性并减低运维成本。P HM应用很好地顺应了未来行业发展方向,并可以为智能运维提供技术支撑和服务。1 牵引P HM变流器装车试验以济南地铁2号线为应用场景开展牵引系统P HM技术研究。在原牵引变流器基础上针对性增加箱体温、湿度传感器、振动传感器等传感器设备;集成数据采集、数据处理、4 G通信功能的边缘智能终端板卡及4 G天线模块,实现工程化牵引P HM变流器样机开发,在通过样机地面型式试验后在济南地铁2号线开展变流器装车试验工作。1.1 一般牵引试验司机控制器主控手柄置于最大牵引级位,列车加速至6 0 k m/h,司控器主控手柄回到惰行位,惰行6秒后,主控手柄置于制动级位,列车开始减速直至停车。图1 一般牵引运行试验波形 图1所示,在动车过程中,列车经历了牵引加速、惰行、制动减速三个阶段。在牵引加速阶段,F C电压 有 轻 微 下 降;惰 行 时,F C电 压 会 恢 复 至 约1 5 7 0 V;制动工况时,F C电压升高至约1 8 4 3 V。在列车运行过程中,母线电流和电机输出电流都随级位变化,整个过程列车运行平稳,系统运行正常,未发生故障。1.2 紧急牵引图2所示为紧急牵引模式运行试验波形。将司机室应急运行按钮置位,列车处于紧急牵引模式。司机控制器手柄置于牵引级位,列车加速至8 0 k m/h,列车惰行1 1秒后,主控手柄处于制动级位紧急牵引模式下,空气制动发挥制动力直至停车。77 2 0 2 2年第1 1期内蒙古石油化工图2 紧急牵引模式运行试验波形 在列车牵引加速阶段,电机电流和母线电流逐渐上升,F C电压缓慢降至最小值1 4 0 0 V;惰行时,列车母线电流降为0,F C电压逐渐恢复至1 5 3 9 V;制动工况下,由于牵引系统不发挥电制动力,所以电机 电 流 和 母 线 电 流 降 为0,F C电 压 持 续 保持1 5 3 9 V。1.3 牵引/制动性能试验图3所示为AW 0(加载前)牵引加速度性能曲线。列车以最大牵引级位加速至1 0 0 k m/h,在此过程中,牵引电机经过恒转矩、恒功率和自然特性区,F C电压先增加后恢复,整个牵引加速过程,列车平稳运行。图3 AW 0牵引加速试验波形 AW 0(加载前)载荷下,列车从0加速至5 0 k m/h的平均加速度值为1.0 1 4 m/s 2;列车从0加速至1 0 0 k m/h的平均加速度值为0.7 2 m/s 2。图4为AW 0(加载前)制动减速度性能曲线。列车以最大常用制动减速至0,在此过程中,F C电压与 网 压 上 升 至1 8 4 8 V,制 动 完 成 后,恢 复 至1 5 3 8 V,整个制动减速过程,列车平稳运行。AW 0(加载前)载荷下,列车从1 0 0 k m/h减速至0的平均减速度值为1.1 1 m/s 2。图4 AW 0制动减速试验波形1.4 新增传感器数据分析下图5所示为单个上下行周期P U模块基板新增4路P T 1 0 0温度检测装置数据采集曲线。H e a t-S i n k T e m p 1检测装置位 于斩波管I G B T 7、I G B T 8模 块 之 间,H e a t S i n k T e m p 2、H e a t S i n k T e m p 3、H e a t S i n k T e m p 4检测装置分别位于逆变管I G B T 1、I G B T 2,I G B T 3、I G B T 4,I G B T 5、I G B T 6模块之间,斩波管只有在制动工况下工作,因此发热功率明显低于逆变管,H e a t S i n k T e m p 1曲线明显低于其他温度检测曲线,符合设备运行机理。图5 新增P U模块温度检测波形 在牵引变流器箱体内增加振动传感器实时采集箱体振动信号。图6 牵引变流器箱振动数据曲线 图6所示为两个站间振动及电机转速曲线,通过曲线可以看到,列车运行期间振动信号幅值明显高于列车停车期间振动信号,并且振动信号带有很强的随机性,符合设备运行机理。87 内蒙古石油化工2 0 2 2年第1 1期 2 牵引P HM技术研究2.1 支撑电容P HM技术研究牵引系统中使用的支撑电容类型为环氧树脂灌胶密封的金属薄膜电容,与电解电容相比,金属薄膜电容具有使用寿命长、安装简单、发热较低等优势。根据电容的物理模型,电容的阻抗表达式为:ZC(s)=1s C+RE S R+s LE S R电容在运行过程中受电应力(电压、充放电次数、纹波电流)和热应力(温度、热点温度)等因素影响,产生多种失效模式。针对以上失效模式,工业界总结的薄膜电容的失效标准为:1)电容值C:减少5%;2)等效串联电阻E S R:增大一倍。实现电容P HM技术的关键点是快速准确地预测电容值及E S R参数。本文采用模型训练及测试的方法进行支撑电容容值参数及E S R参数软测量。对采集到的接触网网压、网流、支撑电容电压、电流以及三相交流电流数据,后续使用多项式回归进行模型训练及测试。模型建立后应用试验数据进行支撑电容容值及E S R参数软测量计算,计算结果与支撑电容、E S R的测量值作比较,得出相对误差,如表1、表2所示。表1 电容值软测量结果对比序号软测量值/F实测值/F软测量误差/%10.0 0 4 0 2 3 4 2 20.0 0 4 0 1 4 4 30.2 1 920.0 0 3 9 8 8 1 6 90.0 0 4 0 1 4 4 3-0.6 5 430.0 0 3 9 8 8 7 5 70.0 0 4 0 1 4 4 3-0.6 4 040.0 0 4 0 3 9 6 1 10.0 0 4 0 1 4 4 30.6 2 750.0 0 4 1 8 1 4 6 70.0 0 4 1 4 2 6 20.7 3 860.0 0 4 1 6 1 6 6 20.0 0 4 1 4 2 6 20.4 6 070.0 0 4 1 5 3 0 0 60.0 0 4 1 4 2 6 20.2 5 180.0 0 4 1 8 3 6 3 50.0 0 4 1 4 2 6 20.7 9 0表2 E S R值软测量结果对比序号软测量值/实际值/软测量误差/%11.2 3 0 4 0 81.2 1 2 2 5 3 41.3 9 721.2 2 2 3 2 7 21.2 1 2 2 5 3 40.8 3 131.2 3 3 4 0 5 31.2 3 1 4 0 5 31.3 7 941.2 2 3 2 9 71.2 1 2 2 5 3 40.9 1 151.3 4 9 1 1 0 61.3 3 2 8 6 3 01.2 1 961.3 5 1 7 8 9 61.3 3 2 8 6 3 01.3 2 071.3 4 7 5 9 7 21.3 3 2 8 6 3 01.1 0 581.4 2 8 6 9 0 31.4 1 7 4 3 5 90.7 9 4 根据表1、表2数据,电容值和E S R值的软测量结果误差较小,其中容值软测量计算误差均在0.8%以 内,最 大 误 差 为0.7 9%,最 小 误 差 为0.2 1 9%;E S R值软测量计算误差均在1.4%以内,最大误差为1.3 9 7%,最小误差为0.8 3 1%,两项测试结果较好。2.2 网压状态监测及异常预警实时基于车辆里程标信息构建列车站间位置识别模型,判断当前运行站点区间。根据回传数据实时监测网压变化,计算网压和F C电压一致性,如图7所示。图7 网压、F C电压一致性实时监测 针对各个站间历史数据进行统计分析,形成各特征参数偏差判定规则,在网压实时显示界面标注预警判定阈值。对超出预警判定阈值的数值记录预警信息。图8 站间网压特征参数统计分布(下转8 3页)97 2 0 2 2年第1 1期孙承奇 地铁车辆牵引系统P HM应用与技术研究中心.2 0 2 1年9月建筑科技与管理学术交流会论文集C.北京恒盛博雅国际文化交流中心:北京恒盛博雅国际文化交流中心,2 0 2 1.8 董亚亚.现代测绘技术在地质矿产测绘中的应用探究探析构建J.世界有色金属,2 0 2 1,(5):2 7-2 8.9 卢文举.G I S数字测绘技术在矿山地质测量中的应用分析J.世界有色金属,2 0 2 1,(4):2 3-2 4.1 0 蔡云亮.关于测绘新技术在地质测绘工程中的应用探讨J.中国金属通报,2 0 2 0,(1 0):2 4 1-2 4 2.1 1 黄伟涛.测绘地理信息技术在地质勘查工作中的应用发展J.世界有色金属,2 0 2 0,(3):2 0 2+2 0 5.1 2 胡静娟.大比例尺地形图测绘法在矿山地质测绘中的应用研究J.世界有色金属,2 0 1 9,(2 3):3 2-3 3.1 3 孙凤娜.矿山地质测绘信息的遥感影像处理方法J.世界有色金属,2 0 1 9,(2 3):3 0-3 1.1 4 侯璐.测绘新技术在地质测绘工程中的应用研究J.工程技术研究,2 0 1 9,4(2 2):5 4-5 5.1 5 郭琳.无人机测绘技术在地质灾害调查中的运用分析J.居舍,2 0 1 9,(3 2):4 7+5 4.1 6 潘际帆,王伟,薛栓甫.测绘地理信息技术在地质勘查工作中的应用发展研究J.低碳世界,2 0 1 9,9(1 0):1 2 9-1 3 0.1 7 陈健行.数字化测绘技术在地质工程测量中的应用分析探讨A.建筑科技与管理 组委会.2 0 1 8年4月建筑科技与管理学术交流会论文集C.建筑科技与管理 组委会:北京恒盛博雅国际文化交流中心,2 0 1 8.1 8 陈子江,姜亚飞.数字化测绘技术在矿山地质工程测量中的应用效果分析J.世界有色金属,2 0 2 1(1 3):3 2-3 3.1 9 黄迅.新型数字化测绘技术在矿山地质测量工作中的应用要点J.中国金属通报,2 0 2 0(7):2 1-2 2.(上接7 9页)根据实际列车运行回传数据,选择了多个完整上下行计算在各站间运行最大值、平均值和最小值,建立各站间电压最大值数据范围带,如图8所示,最小值数据范围带和平均值数据范围带,从而形成各特征参数偏差判定规则,当实时网压参数超出预警判定阈值时进行牵引系统网压异常预警。3 结论本文以济南地铁2号线为应用场景研制开发了牵引P HM变流器设备并完成了系统装车试验,目前装备牵引P HM变流器设备列车已正式载客运营。车载设备通过4 G无线通信方式实现了牵引数据稳定、可靠回传,基于现场回传数据完成了网压状态监测及异常预警模型、支撑电容容值及E S R参数监测模型开发,初步实现了列车牵引系统P HM功能开发。参考文献1 杜林森.轨道车辆健康诊断系统的研究D.西南交通大学,2 0 1 3.2 张全明,邓亚波.基于神经网络的机车牵引系统故障诊断研究J.控制与信息技术,2 0 1 8(3):7 4-7 7.3 李敏华,郭昆丽,王鹏宇等.基于MAT L A B的地铁牵引控制系统仿真研究J.国外电子测量技术,2 0 2 0,3 9(3):3 5-3 9.4 贾春园.P HM技术在牵引供电系统中的应用研究J.智能城市.2 0 2 0(4):1-4.5 马新娜,施文锐.高速列车状态监测大数据的预警可视化分析研究J.电子测量与仪器学报,2 0 1 9,3 3(7):2 1-1 7.6 杨倩.高速列车传动系统可靠性试验台监测及预警系统的研究D.吉林大学,2 0 1 6.7 唐海燕,唐洲.功率变换器中直流支撑电容器的选择和应用J.大功率变流技术.2 0 1 1(6):2 7-3 0.38 2 0 2 2年第1 1期王雅琪 矿山地质测绘中数字化测量技术的应用探讨