CRH 5型動(dòng)車(chē)組牽引部件鍵合圖建模及故障注入

勇佳棋，　姜　斌，　陸寧云

CRH 5型動(dòng)車(chē)組牽引部件鍵合圖建模及故障注入

勇佳棋，姜斌，陸寧云

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京210016）

CRH 5型動(dòng)車(chē)組牽引部件具有非線性、多能域等特點(diǎn)，不易獲取準(zhǔn)確的系統(tǒng)級(jí)機(jī)理模型，而基于數(shù)據(jù)的建模方法又很難描述系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元件間的因果關(guān)系.利用鍵合圖建模理論多能域、圖形化的特點(diǎn)，建立與實(shí)際物理系統(tǒng)相吻合的牽引電動(dòng)機(jī)和齒輪箱級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的鍵合圖模型；研究牽引電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障的注入，在鍵合圖中模擬電動(dòng)機(jī)定子繞組短路故障，分析故障下機(jī)-電能域間的交互影響，展示鍵合圖建模在故障傳播分析和故障診斷方面的應(yīng)用前景.仿真結(jié)果驗(yàn)證正常和故障工況下鍵合圖模型的準(zhǔn)確性.

CRH 5型動(dòng)車(chē)組；牽引部件；鍵合圖模型；故障注入

高速列車(chē)運(yùn)行系統(tǒng)是大型復(fù)雜工程系統(tǒng)，與乘客的人身、財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)，對(duì)系統(tǒng)可靠性有極高要求［1］.從高速列車(chē)產(chǎn)生伊始，其安全事故從未停止發(fā)生［2］.牽引傳動(dòng)系統(tǒng)是動(dòng)車(chē)組關(guān)鍵組成部分，由受電弓、主斷路器、牽引變壓器、牽引變流器、牽引電動(dòng)機(jī)及齒輪傳動(dòng)等部件組成［3］，部件間具有復(fù)雜能域耦合關(guān)系，部件故障容易傳播擴(kuò)散，影響整個(gè)系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行.動(dòng)車(chē)組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)部件的模型建立、故障診斷及傳播機(jī)制是當(dāng)前的研究熱點(diǎn).

CRH 5型動(dòng)車(chē)組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的多能域耦合、非線性等特點(diǎn)使得系統(tǒng)建模困難.傳統(tǒng)建模方法大多局限于某一部件或能域，不能統(tǒng)一系統(tǒng)內(nèi)不同能域的變量，并揭示其因果關(guān)系.鍵合圖理論的出現(xiàn)和發(fā)展，為解決上述問(wèn)題提供了一條新途徑［4］.

作為一種圖形化的建模方法，鍵合圖法通過(guò)具有明確物理意義的鍵合圖元件和嚴(yán)格的因果關(guān)系，形象地描述系統(tǒng)元件間的信息，深入描述系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的變化過(guò)程，非常適合多能域系統(tǒng)的建模.同時(shí)，由于鍵合圖模型與實(shí)際物理對(duì)象間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，并且元件間有著明確的因果關(guān)系，與傳統(tǒng)的基于模型、數(shù)據(jù)等故障診斷方法相比［5-6］，基于鍵合圖的方法更容易揭示設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)行機(jī)理［7］，為微小、漸變、復(fù)合故障的診斷與預(yù)測(cè)研究提供便利.

1　鍵合圖基本原理

為解決多種能量并存系統(tǒng)的建模問(wèn)題，Paynter 于1959年提出鍵合圖理論，以向量形式給出復(fù)雜系統(tǒng)的簡(jiǎn)練描述，適用于多變量復(fù)雜線性或非線性系統(tǒng)，在機(jī)械、熱力學(xué)、電子系統(tǒng)等工程技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.基于能量守恒原理，鍵合圖法把不同能量領(lǐng)域的多種物理量統(tǒng)一歸納為勢(shì)、流、位移和動(dòng)量等4種變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)模型充分完備的描述［8］.

不同能域的能量變量和鍵合圖理論中的廣義狀態(tài)變量間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1.其中：

勢(shì)e和流f的標(biāo)量積即功率為

P（t）=e（t）f（t）

廣義動(dòng)量表達(dá)式為

p（t）=∫te（t）d t

廣義位移表達(dá)式為

q（t）=∫tf（t）d t

表1　能量變量和廣義狀態(tài)變量Tab.1　Energy variables and generalized state variables

使用鍵合圖廣義變量，僅需幾種基本元件就能統(tǒng)一表示多能域系統(tǒng)模型.在鍵合圖理論中，有一通口、二通口和多通口元件等9種基本元件（見(jiàn)表2），每種元件能如實(shí)反映所描述器件的物理效應(yīng).一通口元件只有1個(gè)功率傳輸進(jìn)出口，勢(shì)源和流源為外環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的作用，阻性元件為耗散功率的元件，容性和慣性元件為儲(chǔ)能元件.二通口元件含2個(gè)進(jìn)出口，輸入側(cè)的功率與輸出側(cè)功率相等，變換器描述勢(shì)與勢(shì)、流與流之間的關(guān)系，回轉(zhuǎn)器描述勢(shì)與流之間的關(guān)系.多通口元件也稱作結(jié)點(diǎn)，0結(jié)（共勢(shì)結(jié)）各功率鍵的勢(shì)值相等，流的代數(shù)和為0；1結(jié)（共流結(jié)）各功率鍵的流值相等，勢(shì)的代數(shù)和為0.

表2　鍵合圖基本元件Tab.2　Basic elements of bond graph

2　牽引部件模型及故障分析

在電能域中，0結(jié)相當(dāng)于并聯(lián)節(jié)點(diǎn)，1結(jié)相當(dāng)于串聯(lián)節(jié)點(diǎn).根據(jù)系統(tǒng)工作原理，按照一定步驟，能搭建復(fù)雜系統(tǒng)的模型并得出相應(yīng)的因果關(guān)系，以用于故障診斷［9］.

牽引傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖如圖1所示.

圖1　牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of traction system

列車(chē)運(yùn)行時(shí)，牽引逆變器輸出0～2 808 V三相交流電源驅(qū)動(dòng)牽引電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速通過(guò)齒輪變速箱傳遞給輪對(duì)，驅(qū)動(dòng)列車(chē)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換［10］.CRH 5傳動(dòng)系統(tǒng)與其他動(dòng)車(chē)組列車(chē)最大的區(qū)別在于，其傳動(dòng)系統(tǒng)采用牽引電動(dòng)機(jī)+萬(wàn)向軸+齒輪箱的結(jié)構(gòu)［11］.牽引電動(dòng)機(jī)是涉及電能到機(jī)械能轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備，為動(dòng)車(chē)組提供必須的牽引力［12］.本文建立CRH 5動(dòng)車(chē)組牽引電動(dòng)機(jī)和齒輪箱的級(jí)聯(lián)鍵合圖模型，并進(jìn)行易發(fā)故障注入研究.

2.1牽引電動(dòng)機(jī)

動(dòng)車(chē)組的驅(qū)動(dòng)元件是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、性能可靠的三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī).根據(jù)等效電路和所選擇的參考系，建立電動(dòng)機(jī)鍵合圖模型［13-14］.基于等效電路，在α-β參考系下建立牽引電動(dòng)機(jī)Park模型，其與固定坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的等效電路如圖2所示.Rs、Rr、Rm分別為定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻和漏電阻；Ls，Lr，Lm分別為定子電感、轉(zhuǎn)子電感和漏感；ωr=ω×np為轉(zhuǎn)子速度；P為極數(shù)；np=P／2為極對(duì)數(shù).

圖2　電動(dòng)機(jī)等效模型Fig.2　Equivalent model of the motor

電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩

式中：irα，irβ分別為α和β相轉(zhuǎn)子電流.

磁通變量：

電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化可通過(guò)回轉(zhuǎn)器（GY）實(shí)現(xiàn).參考表1、2，整個(gè)電動(dòng)機(jī)的鍵合圖模型如圖3所示.其中，J為轉(zhuǎn)子慣量，μ為摩擦因數(shù)，MSe是負(fù)載.

圖3　電動(dòng)機(jī)鍵合圖模型Fig.3　Bond graph model of the motor

2.2齒輪傳動(dòng)

齒輪箱通過(guò)萬(wàn)向軸與電動(dòng)機(jī)相連［15］.齒輪傳動(dòng)可以用1個(gè)二通口元件變換器表示，傳動(dòng)比即變換模數(shù).齒輪箱鍵合圖模型見(jiàn)圖4.其中，Rsh和Ksh分別為萬(wàn)向軸的摩擦因數(shù)和剛度.

圖4　齒輪箱鍵合圖模型Fig.4　Bond graph model of the gearbox

2.3級(jí)聯(lián)部件模型

牽引電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，通過(guò)轉(zhuǎn)矩和角速度的形式將能量傳遞給齒輪箱，給動(dòng)車(chē)組提供動(dòng)力.因此，電動(dòng)機(jī)的兩相輸出通過(guò)回轉(zhuǎn)器將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能傳遞給萬(wàn)向軸，再提供給齒輪箱.電動(dòng)機(jī)和齒輪箱連接后的完整鍵合圖模型如圖5所示.

2.4電動(dòng)機(jī)繞組故障及分析

牽引電動(dòng)機(jī)基于電磁感應(yīng)作用在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩.牽引電動(dòng)機(jī)的主要故障可分為定子繞組故障（12.89%）、氣隙偏心故障、轉(zhuǎn)子斷條或端環(huán)故障（7.64%）、軸承故障（41.77%）等，定子繞組故障中匝間短路故障最為常見(jiàn)，且能連帶引發(fā)其余故障.當(dāng)定子繞組某相發(fā)生短路故障，則電動(dòng)機(jī)三相不對(duì)稱，短路相電流的幅值隨短路匝數(shù)增加而增大；當(dāng)短路匝數(shù)較小時(shí)，電流幅值變化不明顯，但電動(dòng)機(jī)溫度會(huì)隨之上升，加速短路匝數(shù)的數(shù)量，引起更嚴(yán)重的后果.目前，大多數(shù)模擬定子繞組短路故障的方法為改變定子三相參數(shù)，引入定子三相不對(duì)稱系數(shù)模擬故障時(shí)的各變量變化規(guī)律，本文也采用此方法模擬故障過(guò)程.

圖5　電動(dòng)機(jī)、齒輪箱連接圖Fig.5　Cascade connection of motor and gear

3　仿真分析

根據(jù)所建模型，利用鍵合圖仿真軟件20-sim進(jìn)行仿真.加載時(shí)間為1 s，給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩為

則t=0～0.5 s，部件為空載狀態(tài)；t=0.5～1.0 s，載有額定負(fù)載.

3.1正常工況

在動(dòng)車(chē)組正常運(yùn)行過(guò)程中，所建模型與CRH 5型動(dòng)車(chē)組牽引部件相對(duì)應(yīng)，參數(shù)設(shè)置［16］依照CRH 5型動(dòng)車(chē)組原型.電動(dòng)機(jī)：Pn=568 k W，vn= 2.089 3 k V，In=211.22 A，n=1 177 r／min，F(xiàn)n= 59.8 Hz，極數(shù)為6；齒輪箱：摩擦因數(shù)為0.12，剛度為560 k N·m／rad.電動(dòng)機(jī)和齒輪箱中相應(yīng)變量的時(shí)間響應(yīng)見(jiàn)圖6～9.由圖可知，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部定子電流和轉(zhuǎn)子磁通在啟動(dòng)過(guò)程后趨于平穩(wěn)，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)電流在額定電流允許范圍內(nèi)且接近；電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩由于低慣量和啟動(dòng)過(guò)程的影響，在仿真開(kāi)始時(shí)有較大振蕩，但很快平穩(wěn)下來(lái)，達(dá)到目標(biāo)值；齒輪箱輸出角速度也快速上升到空載值，并在負(fù)載后略微下降.因此，說(shuō)明所建模型的準(zhǔn)確性［16］.

圖6　定子三相電流（正常）Fig.6　Stator currentnormal

圖7　轉(zhuǎn)子兩相磁通（正常）Fig.7　Rotor fluxnormal

圖8　電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩（正常）Fig.8　Motor electromagnetic torquenormal

3.2故障工況

在牽引電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障中，定子繞組短路故障屬易發(fā)故障且容易造成惡劣影響.基于建立的CRH 5牽引部件鍵合圖模型，研究在電動(dòng)機(jī)定子繞組短路故障下的電能-機(jī)械能相互作用.匝間短路可以等效為某故障相等效電路參數(shù)的減小，其減小值用正常參數(shù)值乘以三相不對(duì)稱系數(shù)表示.設(shè)定從t=0開(kāi)始，在α相定子繞組中加入匝間短路故障，定子三相不對(duì)稱系數(shù)設(shè)置為0.5%.

故障運(yùn)行過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)和齒輪箱中相應(yīng)變量的時(shí)間響應(yīng)如圖10～13所示.

圖9　齒輪箱輸出角速度（正常）Fig.9　Gear output angular velocitynormal

圖10　定子三相電流（故障）Fig.10　Stator currentfaulty

圖11　轉(zhuǎn)子兩相磁通（故障）Fig.11　Rotor fluxfaulty

圖12　電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩（故障）Fig.12　Motor electromagnetic torquefaulty

圖13　齒輪箱輸出角速度（故障）Fig.13　Gear output angular velocityfaulty

由圖可知，當(dāng)故障發(fā)生后，電磁轉(zhuǎn)矩在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)仍有振蕩，可能會(huì)造成電動(dòng)機(jī)振動(dòng)；三相定子電流不再對(duì)稱，且某相電流幅值增大，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過(guò)熱，并且當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組溫度持續(xù)升高，短路匝數(shù)繼續(xù)增多，燒壞電動(dòng)機(jī).顯然，電能域中的故障對(duì)本身甚至機(jī)械能域都產(chǎn)生嚴(yán)重影響，通過(guò)故障的傳遞，對(duì)整個(gè)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響.

4　結(jié)　語(yǔ)

提出用鍵合圖理論對(duì)CRH 5型動(dòng)車(chē)組牽引傳動(dòng)部件建模，通過(guò)簡(jiǎn)潔明了的方式建立與牽引部件物理結(jié)構(gòu)一一對(duì)應(yīng)的模型.簡(jiǎn)要介紹鍵合圖的基本原理及其在動(dòng)車(chē)組牽引部件方面建模的優(yōu)越性；利用鍵合圖元件搭建牽引電動(dòng)機(jī)和齒輪箱的相應(yīng)模型，形成完整的連接，闡述此模型中的易發(fā)故障；通過(guò)仿真驗(yàn)證所搭模型的正確性，并模擬其中1種故障過(guò)程，研究故障狀況下機(jī)電之間的相互作用.

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［16］張曙光.CRH 5型動(dòng)車(chē)組［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

（編輯呂丹）

Bond Graph Based Modeling and Fault lnjection for CRH 5 EMU Traction Devices

YONG Jiaqi，JIANG Bin，LU Ningyun
（College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

It is difficult to obtain accurate first-principle models for CRH 5 electric multiple units（EMU） traction devices as they usually have the characteristics of non-linearity and multi-domain coupling.Pure data-based modeling methods are also inadequate because they can’t model the topology of system and the causality between components.Bond graph（BG）is suitable for modeling multi-domain systems； therefore，it was used to model the cascaded traction devices consisting of an induction machine and a gearbox. Fault injection in traction devices wasalso studied by simulating a motor stator winding short circuit fault using the developed BG model.The purpose was to analyze the interaction between electrical／mechanical energy domains in traction devices in the presence of faults，to display the prospect of application of BG modeling in the study of fault diagnosis and fault propagation.The simulation results could verify the validity of the developed model for CRH 5 EMU traction devices in both normal and faulty conditions.

CRH 5 electric multiple units（EMU）；traction devices；bond graphs model；fault injetion

TP 273

A

1671-7333（2015）03-0236-06

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.03.006t

2015-01-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61490703）；南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地（實(shí)驗(yàn)室）開(kāi)放基金（kfjj201418）

勇佳棋（1990-），女，碩士生，主要研究方向?yàn)楣收显\斷及容錯(cuò)控制.E-mail：yongjiaqi1＠163.com

姜斌（1966-），男，教授，博士，主要研究方向?yàn)楣收显\斷及容錯(cuò)控制.E-mail：binjiang＠nuaa.edu.cn