【《常规牵引电机振动信号无线采集系统整体方案设计案例分析》7000字（论文）】

常规牵引电机振动信号无线采集系统整体方案设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u9151常规牵引电机振动信号无线采集系统整体方案设计案例分析 1281801.1牵引电机结构及故障分析 1215911.1.1牵引电机结构及特点 135791.1.2牵引电机主要故障类型及原因 4100421.2牵引电机振动无线采集系统整体设计方案 898991.1.1牵引电机振动无线采集主要技术难点 8117121.1.2无线采集系统整体方案 949811.1.3采集系统的主要功能及指标 1040701.3主要硬件选型 11303511.3.1无线数据采集仪 11165291.3.2振动传感器 13293811.3.3无线数据传输模块 15常规牵引电机振动信号采集的工程方案一般采用有线的方式布置和连接数据采集仪和传感器，优点是数据传输可靠，缺点也较为明显，布置缺少灵活性，可维护性差，而且需要对车体进行穿孔等改造，可能会使保修期内的车辆失去保修，并带来未知的隐患。因此采用无线数据传输方案来构建牵引电机振动数据采集系统，可以有效弥补传统有线机械振动监测系统的不足，使得数据采集与接收两端完全分离便于测试现场布置。本文以上海地铁5号线阿尔斯通地铁车辆的牵引电机为数据采集对象，在对牵引电机结构和故障分析的基础上，提出了车下包括传感器、无线数据采集仪和传感器供电模块，车上包括数据接收上位机和无线传输模块的两部分系统结构，再根据电机故障分布和特征，分析了系统的主要功能和应达到的技术指标。对于市场可提供成熟可靠的传感器、无线数据采集仪和无线传输模块，分析了其主要技术指标并进行了合理地选型。1.1牵引电机结构及故障分析1.1.1牵引电机结构及特点上海地铁5号线阿尔斯通地铁车辆采用自通风四级三相制异步鼠笼式旋转电机，主要由绕线式定子、转子、轴承和防护罩组成，实现车辆的加速及制动，外观、结构和剖视图分别如图2-1(a)、(b)和(c)所示。牵引电机由鼻型的固定结构吊挂在转向架构架上，并通过一个冠状齿形联轴节把动力传输至齿轮减速箱。定子的主要组成部分为三相对称绕组和机座，内部设有通风道，能够迅速排出电机运转过程中产生的热量。转子主要由铁心、转轴和导条组成，采用一次性浇筑成型工艺，保证转子的可靠性和较高精度的动平衡，减少电机运转时的振动。轴承将转子转轴与定子安装孔之间的滑动摩擦转化为滚动摩擦，也起到支撑与限定转子转轴的作用，使得转子转轴仅能作周向旋转。轴承配备有不间断排油装置和轴温测量装置，采用注油杯注入型号为KLUBERISOFLEXTOPASL152的锂基类润滑脂，设有V型密封圈，防止灰尘和水喷溅入轴承内部，保证轴承具有较高的使用寿命和较长里程的润滑间隔。定子绕组接通交流电，由于交流电的特性，在电机的定、转子气隙中产生定子旋转磁场。运动具有相对性，等同于转子在不停地切割定子旋转磁场的磁感应线，根据法拉第定律，闭合的转子就会产生感应电流，再由楞次定律感应电流的效果阻碍引起感应电流的原因，转子便会与定子旋转磁场一同旋转，使得转子获得机械能来驱动负载转动。只有转子与旋转磁场保持一定的转速差，才能切割旋转磁场的磁感应线，因此转子的旋转速度总是要比定子旋转磁场的转速慢一些，也即异步电机。该型电机的参数如表2-1，其结构相对简单与可靠，后期保养维护方便，仅需要定期加注30g轴承润滑脂。(a)外观1-传动端防护罩，2-电机轴承，3-转子，4-绕线式定子，5-电机轴承，6-非传动端防护罩，7-自冷轴流式风扇，8-进气口滤网(b)主要结构图(c)剖视图图2-1牵引电机结构Fig.2-1Tractionmotorstructure表2-1牵引电机主要技术参数Tab.2-1Maintechnicalparametersoftractionmotors序号参数数值1额定功率155kW2额定电压1169V3额定电流96.8A4额定频率50Hz5额定转速2100rpm6转速范围0-3660rpm7总重量685kg8几何尺寸910×623×750mm1.1.2牵引电机主要故障类型及原因上海地铁5号线阿尔斯通地铁车辆的牵引电机由4颗M24螺栓吊装在车辆下部的转向架上，运营任务繁重，平均每辆车的每月运营里程在1万公里以上，运行过程中总是处在牵引和制动两种工况中反复切换，最高转速可以达到3660rpm，再加上复杂的振动环境以及风吹雨雪等条件，都会加速牵引电机的机械和电气系统的磨损老化，难免会产生不同程度的故障。根据上海地铁5号线近期的售后维修数据，统计分析了有关牵引电机的258条故障记录，其中机械类故障有170件，主要包括轴承损坏、结构开裂和紧固件损坏，电气类故障88件，主要包括传感器故障、接插件损坏、散热故障和其他设备损坏，具体故障统计数据由图2-2给出。（a）牵引电机故障分类（b）牵引电机各类故障占比图2-2牵引电机故障统计Fig.2-2Tractionmotorfaultstatistics对于电气类故障，上海地铁建立了故障传输报告平台，经车载多功能总线发出故障码，按严重等级生成不同层级的工作指令，再及时地由通信系统将故障码下发给维修班组进行查修。然而对于机械类故障，主要通过日检、周检、一级保养、二级保养和均衡修这样的人工检修制度，由检修人员根据检修项目表检查各个零部件的运行状态再结合自己的工作经验来发现故障，譬如轴承故障主要表现是电机运行时异响和非正常抖动，通常采取的修理方法为更换牵引电机总成，坏件退供应商处理。牵引电机在工作中高速旋转，为了保证其工作的稳定性，必然要使其整体结构处于一个动平衡的位置，牵引电机机械类的主要三个故障轴承故障、结构开裂和紧固件损坏，都势必会导致牵引电机整体动平衡的失效，从而直接地通过异常振动的形式表现出来，因此采集牵引电机的振动信号是实现牵引电机故障诊断的有效方法[50]。由图1.2可以看出轴承故障占牵引电机总故障数的52%，机械类故障数的79%，因此轴承是保证牵引电机安全运行的最为关键部件之一，它的可靠性直接关系到地铁车辆运营的质量与安全，以下对轴承主要故障的原因和特征频率作简要的分析。典型的滚动轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架组成，如图2-3。轴承的外圈一般以过盈配合的方式安装在轴承安装孔内，不随转轴转动；轴承内圈与转轴固定，与转轴共同旋转；滚动体一般是球体或者圆柱体，位于轴承内圈和外圈之间，是将转轴的转轴与安装孔的滑动摩擦转化为滚动摩擦的核心部件；保持架用于把滚动体均匀地间隔开，避免轴承旋转时滚动体相互间的摩擦。也有一些工程技术人员提出润滑剂是滚动轴承的第五大部件，起着至关重要的润滑与冷却的作用。图2-3滚动轴承主要结构Fig.2-3Mainstructureofrollingbearing轴承发生故障主要包括老化磨损和局部表面损伤，对于老化磨损是指随着轴承长时间服役，金属表面达到疲劳极限而产生的表面不平整、不规则退化想象，对于局部表面损伤，一般是由于过载、润滑不充分、密封圈损坏导致异物进入等原因产生裂纹、孔洞以及点蚀等。老化磨损的故障特征信号比较微弱且根据制造厂家耐久性试验数据，一般在轴承达到疲劳寿命前都会被换掉，因此老化磨损一般不会产生太大的危害。然而轴承的局部表面损伤一般由一些偶发性和不可预测性的外界因素导致，这些故障需要及时地发现以避免更大的损失发生，所以目前大部分的研究也都集中在这些领域。对于轴承的局部表面损伤可以根据轴承的组成结构对轴承的故障进行分类[51]，分为滚动体故障、保持架故障、外圈故障和内圈故障。这些故障会打破轴承平稳的旋转状态，从而迫使轴承产生振动，原理如图2-4所示。假设某种原因在轴承的外圈产生了一个裂纹，滚动体进入这个裂纹所在的位置便会产生幅值如图2-5（a）的振动冲击，滚动体继续向前运动，离开这条裂纹时与裂纹的另一条边碰撞，产生第二次振动冲击，并与第一次振动冲击叠加，幅值如图2-5（b）所示。在理论上可以利用图中两个峰值之间的时间间隔来计算出裂纹的宽度。对于轴承的旋转速度可以由牵引电机的速度传感器测量测到，所以对于当轴承产生故障时，滚动体会不断地滚过故障处，从而产生特定频率的振动。设轴承的转速为r，轴承的滚动体个数为n，轴承的滚动体的直径为d，轴承的滚动体接触角为α，轴承节径为D如图1.3，那么轴承各部件故障的特征频率可由式2-1至2-4计算得出[52]。 图2-4滚动体经过裂纹产生冲击Fig.2-4Therollingelementgeneratesanimpactaftercracks (a)第一次振动冲击 (b)第二次振动冲击图2-5裂纹产生冲击幅值Fig.2-5Impactamplitudeofcrack外圈故障频率 (2-1)内圈故障频率 (2-2)滚动体故障频率 (2-3)保持架故障频率 (2-4)当车辆以50km/h的常用速度行驶时，牵引电机转速r=2286r/min，滚动体个数n=9，滚动体直径d=7.938mm，轴承节径D=39mm，滚动体接触角α=0°，带入计算出轴承各部件故障的频率范围如表2-2所示。表2-2电机转速2286r/min轴承各部件故障的基频Tab.2-2Fundamentalfrequencyofthefailureofeachcomponentofthebearingatthemotorspeedof2286r/min序号故障频率/Hz1外圈故障1372内圈故障2063滚动体故障904保持架故障6711.2牵引电机振动无线采集系统整体设计方案1.1.1牵引电机振动无线采集主要技术难点根据牵引电机振动无线采集的实际需求和现场安装空间，本课题开展了对牵引电机振动无线采集系统的研究，需要重点解决以下的技术难点。（1）传感器供电模块。地铁车辆运行时振动能量丰富，采用能量密度大、结构简单的压电材料为俘能元件的传感器供电方案。为达到传感器的功耗要求，要设计出一种压电振子的主频同步于地铁车辆走行部振动能量集中的频段。（2）轻便友善的数据采集上位机软件。现场操作环境复杂且测试时间紧张，现成的测试上位机软件冗余功能较多，软件打开关闭速度慢，没有合理的设计一些防呆措施以保证测试流程的正确性。为了防止仪器配对连接、设置和存储浪费宝贵的现场测试时间，需针对测试的实际情况重新开发数据采集上位机软件。（3）测点数据的有效性和抗干扰稳定传输。首先，所测得的数据必然包含电机旋转振动和来自轮轨冲击振动数据，这要求可能的故障数据与这些噪声数据有较高的信噪比，以便后续电机故障的准确判断分析，需要对传感器的布置进行分析。其次，地铁运营过程中复杂的电磁环境也要求无线发送具有较强的抗干扰能力，在通讯中断时可以将数据暂存在无线数据采集仪中。（4）采集设备的可靠安装。牵引电机和转向架没有可以直接固定附加设备的平台，这要求单独设计合适的结构用来固定采集设备；同时，车辆走行部人员操作空间狭小，需要选择合适的位置来安装。1.1.2无线采集系统整体方案图2-6无线采集系统结构框图Fig.2-6Blockdiagramofthewirelessacquisitionsystem本无线采集系统旨在获得牵引电机振动数据，为牵引电机健康状态分析提供数据基础。采集系统按安装位置分为车下和车上两部分，结构框图如图2-6所示。车下部分包括：振动信号采集传感器、无线数据采集仪和传感器供电模块。振动信号采集传感器经绝缘垫板固定安装在牵引电机表面，把电牵引机表面的振动加速度转换为模拟的电信号；无线数据采集仪集成数据采样和无线数据传输功能，经ADC采样把与加速度存在线性关系的模拟信号转换为数字信号并通过无线数据发射模块发送。为了便于安装和拆卸，设计专用的安装结构将其固定在车下的合适位置；传感器供电模块通过压电振子收集轴箱上的振动能量并转化为电能。车上部分包括：数据采集上位机和无线数据接收模块。数据采集上位机实现参数设置和数据采集等功能，无线数据传输模块用于组建无线局域网，预留多个无线数据采集仪的通信接口，实现上位机“一对多”的数据采集。1.1.3采集系统的主要功能及指标根据总体方案，从数据稳定传输和便于工程技术人员操作的角度出发，牵引电机振动无线采集系统的主要功能特点如下：采样频率一般在实际分析频率的4倍以上，牵引电机要求无线数据采集仪的采样速率不低于3kHz。传感器供电模块的功率可以满足两个传感器同时采集的功耗；传感器供电模块和无线数据采集仪的安装结构简单，便于在车下的狭小空间组装和拆卸，也方便测试人员将设备搬运至不同的设备上进行检测。操作简单，系统通过界面友好的上位机控制，降低测试人员的工作强度；采集仪具有一定容量的数据暂存空间，无线传输距离应当大于100m，在无线通讯不畅时可以暂存数据，可以抵抗至少50g的冲击；较强的实时性，将采集来的牵引电机振动及以曲线图的形式实时显示出来，便于工程技术人员实时了解整个系统的工作状况。表2-3系统关键技术指标Tab.2-3Keytechnicalindicatorsofthesystem序号设备指标参数值1传感器量程100g频率响应1-5000Hz2无线数据采集模块采样精度不小于16bit采样速率不低于2500Hz视距传输距离大于100m抗冲击大于50g3传感器供电模块功率满足2个传感器功耗需求工作频段覆盖车下振动能量集中频段4安装结构刚度不发生明显位移强度满足车辆耐久性要求1.3主要硬件选型根据采集系统的主要功能和整体方案，本文所设计的地铁车辆牵引电机振动无线采集系统主要包括车下的振动信号采集传感器、无线数据采集仪、传感器供电模块和安装结构以及车上的无线数据接收模块和数据采集上位机。辅助供电模块、数据上位机软件以及安装结构需要根据5号线阿尔斯通的结构以及运行振动条件专门设计，加速度传感器、无线数据采集仪和无线数据接收模块可以从市场上选择成熟合适的产品提供，以下通过查阅相关的技术论文和厂家的技术手册，对这三个硬件模块做了选型。1.3.1无线数据采集仪上海地铁5号线阿尔斯通地铁车辆车下空间如图2-7所示，扩展设备安装空间较为有限，这要求无线数据采集仪的尺寸不能过大，且能够承受较强的振动冲击。本文选用东华测试的DH5928W无线数据采集仪，实物如图2-8所示，关键技术指标由表2-4给出，表中的通道指的是数据采集通道，一条数据采集通道对应一个传感器。图2-7上海地铁5号线阿尔斯通地铁车辆车下空间Fig.2-7SpaceunderneaththeAlstommodelofShanghaiMetroLine5图2-8无线数据采集仪Fig.2-8Wirelessdataacquisitioninstrument表2-4无线数据采集仪关键技术指标Tab.2-4Keytechnicalindicatorsofthedataacquisitioninstrument技术指标参数通道数4通道振动+1通道转速输入阻抗10MΩ低通滤波器30Hz、300Hz、3kHz、PASS四挡切换通讯接口Wi-Fi无线通讯模数转换器24位A/D抗混滤波器采样频率的1/1.56倍尺寸154mm×102mm×34mm重量550克抗冲击100gDH5928W无线数据采集仪是将振动信号采集、放大和无线传输为一体的便携式仪器，尺寸为154×102×34mm，体积较为小巧，在底部预留了螺纹安装孔，便于设备的安装与固定；采用独立的模块设计设计理念，每个无线数据采集仪可同时通过传感器采集5个测点的数据，根据东华测试的通信协议，每个数据采集上位机最多可连接16台无线数据采集仪，上海地铁车辆普遍采用4节或者6节编组，其中4节编组的车辆包含2节动车，有8个牵引电机，需要采集8路振动信号，6节编组的车辆包含4节动车，共计16个牵引电机，需要采集16路振动信号，该系统的采样通道容量足够使用；采集仪内置16MB的缓存，当通讯发生异常时，采集的数据可以存储在内置缓存中，等待通讯正常后，再将缓存的数据重新发送至主控上位机，防止因为无线通信异常而导致的测试数据丢失；采集仪内置锂电池，支持仪器8小时连续采样工作；使用环境适用于GB6587-2012-Ⅲ组条件要求，可以承受100g的振动冲击，工作温度范围-10℃~50℃。该无线数据采集仪配套专用的测试软件，该软件包括传感器标定、项目建立、数据显示与存储、数据分析等功能，体积较大且打开运行速度慢，不适合快节奏的现场测试要求，需要利用该公司提供的开发接口开发一套快捷轻便的数据采集上位机软件。由于无线数据采集仪直接安装在车下，需要综合考虑布置空间和车辆运行时的振动环境，选择合适的位置并设计一个可靠的采集仪车载安装结构以固定采集仪。1.3.2振动传感器振动传感器主要有位移式传感器和加速度传感器。位移式传感器中应用较为广泛的类型是电涡流传感器，能够准确地测出被测表面与传感器探头之间地相对位移变化，具有较高地可靠性、抗干扰能力和灵敏度，一般应用在对位移测量精度要求高的低频振动测量中。加速度传感器的主要工作原理是牛顿第二定律，传感器内部质量块受到加速度的冲击而产生惯性力引起敏感元件电学量的变化，从而实现振动信号向电信号的转化。压电式加速度传感器是目前应用最多的采集机械振动信号的传感器类型。其结构原理图如图2-9所示，该传感器敏感元件为压电材料，当压电材料受到机械振动冲击而产生变形时，材料的晶格发生改变，产生自由电荷，这些电荷经放大后输出与外力成正比的电压。其优点为频响很宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等，常常被应用在工程项目中用来测量压力或者加速度信号。图2-9压电式加速度传感器结构原理图Fig.2-9Schematicdiagramofthestructureofapiezoelectricaccelerationsensor加速度传感器安装谐振频率为测量频率范围的3倍，这时测得误差不大于10%，为了进一步提高测量进度，可选择传感器的安装谐振频率为测量频率上线的5-10倍[53]。经过调查选用DH1A110E通用型压电加速度传感器，外观如图2-10，表2-5给出了关键技术指标。该传感器采用压电陶瓷为敏感元件，剪切结构设计，测量范围宽，基座应变小，温度瞬态响应低，性能稳定，应用范围广，适用于牵引电机振动测试。图2-10DH1A110E加速