飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)故障檢測(cè)方法研究

摘 要：針對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的故障檢測(cè)問題，提出了一種基本范數(shù)稀疏采樣配合距離判別的故障檢測(cè)方法。對(duì)機(jī)械軸承式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了分析，給出了其典型的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式、關(guān)鍵參數(shù)和可能的故障類型。進(jìn)而依據(jù)稀疏采樣和距離判別構(gòu)建了故障檢測(cè)方法。以飛輪轉(zhuǎn)速為測(cè)試量，展開故障檢測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果表明：轉(zhuǎn)子的振動(dòng)故障發(fā)生于對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速區(qū)域有關(guān)，在特定轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)速越大飛輪轉(zhuǎn)子的應(yīng)力越高，出現(xiàn)故障的可能性越大。

關(guān)鍵詞：機(jī)械軸承飛輪；飛輪轉(zhuǎn)子；故障檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TH 133" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)從常規(guī)模式向高質(zhì)量發(fā)展模式轉(zhuǎn)變，生態(tài)環(huán)境的保護(hù)得到了日益廣泛的重視，使用清潔型能源代替污染能源也成為大勢(shì)所趨[1]。在各種儲(chǔ)能技術(shù)中，飛輪儲(chǔ)能是一種綠色的儲(chǔ)能模式，它打破了化學(xué)儲(chǔ)能的污染模式，建立了一種基于動(dòng)能轉(zhuǎn)換的物理儲(chǔ)能無污染新方案。從儲(chǔ)能過程來看，飛輪轉(zhuǎn)子的持續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，可以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成儲(chǔ)能[2]。飛輪儲(chǔ)能的儲(chǔ)能過程綠色無污染，而且還具有儲(chǔ)能量大、儲(chǔ)能密度高和設(shè)備使用壽命長(zhǎng)都優(yōu)點(diǎn)。不僅如此，飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用范圍也非常廣泛，例如新能源的高速鐵路系統(tǒng)、高能耗的航空航天任務(wù)和高可靠性的UPS電源等。在飛輪儲(chǔ)能的整套設(shè)備中，轉(zhuǎn)子部件是最容易出現(xiàn)故障的部件，需要高度重視[3]。轉(zhuǎn)子部件是飛輪儲(chǔ)能設(shè)備中的主要運(yùn)動(dòng)部件，為了滿足能量?jī)?chǔ)備需求，轉(zhuǎn)子需要持續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)并攜帶較大負(fù)載。在工作環(huán)境中溫度條件惡劣、振動(dòng)干擾多和應(yīng)力分布不均勻等因素影響下，轉(zhuǎn)子部件可能出現(xiàn)各種問題。因此本文以轉(zhuǎn)子部件為主要對(duì)象，進(jìn)行飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)故障檢測(cè)的相關(guān)研究。

1 飛輪轉(zhuǎn)子的工作原理和故障分類

1.1 工作原理

本文研究的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)采取的是機(jī)械軸承式飛輪，其機(jī)械結(jié)構(gòu)包括5個(gè)主要組成部分。第一部分，儲(chǔ)能系統(tǒng)中的飛輪轉(zhuǎn)子；第二部分，儲(chǔ)能系統(tǒng)中的滾珠軸承；第三部分，儲(chǔ)能系統(tǒng)中的磁軸承；第四部分，電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換一體機(jī)；第五部分，儲(chǔ)能系統(tǒng)的外殼體。機(jī)械軸承式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機(jī)械軸承式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)一般在3種狀態(tài)下工作。第一種狀態(tài)，充電狀態(tài)；第二種狀態(tài)，保持狀態(tài)；第三種狀態(tài)，放電狀態(tài)。在第一種狀態(tài)下，儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)的電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換一體機(jī)具有電動(dòng)機(jī)功能，將外部輸入電能轉(zhuǎn)換為飛輪系統(tǒng)內(nèi)部的機(jī)械能并進(jìn)行儲(chǔ)能；在第二種狀態(tài)下，儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)的電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換一體機(jī)具有電動(dòng)機(jī)功能，但是飛輪轉(zhuǎn)速極低，儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部能量不再顯著增加；在第三種狀態(tài)下，儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)的電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換一體機(jī)具有發(fā)電機(jī)功能，可以利用飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)向外輸送電能。

在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充電或放電過程中，能量的大小與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)，也與轉(zhuǎn)子的最大角速度和最小角速度有關(guān)。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，最大角速度和最小角速度間的差異越大，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠儲(chǔ)存和釋放的能量就越大。在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存的全部能量中，能夠釋放出去的能量比例取決于放電深度。該參數(shù)與最小角速度和最大角速度的比值有關(guān)。可見，飛輪轉(zhuǎn)子是影響儲(chǔ)能系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部件，其關(guān)鍵參數(shù)見表1。

1.2 故障分類

實(shí)際工作場(chǎng)景不同，機(jī)械軸承式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的部件也具有不同配置，因此可能發(fā)生多種不同類型的故障，對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)影響最大的部件是飛輪轉(zhuǎn)子，因此飛輪轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的故障會(huì)成為影響整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)正常工作的最大危險(xiǎn)因素。

飛輪轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)是持續(xù)旋轉(zhuǎn)，尤其在高速旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)伴隨產(chǎn)生高溫和強(qiáng)應(yīng)力場(chǎng)，從而產(chǎn)生疲勞損耗，進(jìn)而降低飛輪轉(zhuǎn)子的使用壽命。飛輪轉(zhuǎn)子常見的故障形態(tài)主要包括機(jī)械故障、熱故障和振動(dòng)故障。

第一類，機(jī)械故障。機(jī)械故障產(chǎn)生原因主要是飛輪轉(zhuǎn)子的加工制造誤差，例如其主軸存在一定程度的彎曲，或飛輪轉(zhuǎn)子和定子間的裝配間隙過大等。該類故障一般在飛輪轉(zhuǎn)子出廠或裝配后即存在，需要以機(jī)械手段加以消除。

第二類，熱故障。在高速旋轉(zhuǎn)過程中，飛輪轉(zhuǎn)子自身的溫度場(chǎng)也會(huì)隨之發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力場(chǎng)改變。溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)伴隨發(fā)生后，會(huì)導(dǎo)致飛輪轉(zhuǎn)子從機(jī)械結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生熱彎曲。這種故障雖然是由溫度場(chǎng)改變引起的，但是根本原因是高速轉(zhuǎn)動(dòng)。

第三類，振動(dòng)故障。因?yàn)轱w輪轉(zhuǎn)子和定子間存在裝配間隙，因此在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，飛輪轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，持續(xù)振動(dòng)又會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和周圍其他部件發(fā)生碰撞，甚至增加飛輪轉(zhuǎn)子出現(xiàn)裂紋破損的概率。振動(dòng)故障產(chǎn)生的根本原因也是飛輪轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 飛輪儲(chǔ)能的故障檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

為了有效檢測(cè)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中的飛輪轉(zhuǎn)子故障，本文構(gòu)建了一種基于稀疏采樣理論的故障檢測(cè)方法。稀疏采樣的核心思想是降低采樣頻率、減少采樣點(diǎn)，從而降低采樣數(shù)據(jù)量及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。構(gòu)建稀疏數(shù)據(jù)集合后，再利用插值等處理進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)和比較，從而完成故障檢測(cè)。對(duì)飛輪轉(zhuǎn)子來說，持續(xù)的溫度場(chǎng)溫度信息、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信息、轉(zhuǎn)子振動(dòng)信息和轉(zhuǎn)子應(yīng)力信息都是可以進(jìn)行稀疏采樣的原始數(shù)據(jù)。

稀疏采樣的關(guān)鍵是對(duì)待檢測(cè)故障信息進(jìn)行重構(gòu)，一般可以采用0型范數(shù)進(jìn)行處理，結(jié)果如公式（1）所示。

式中：x為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中待檢測(cè)的故障信息的原始信號(hào)，為根據(jù)0型范數(shù)重構(gòu)出的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中待檢測(cè)故障信息的估計(jì)數(shù)據(jù)；argmin|| ||0為0型范數(shù)的函數(shù)體；y為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中待檢測(cè)的故障信息的觀測(cè)信號(hào)；φ為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中待檢測(cè)的故障信息的觀測(cè)矩陣。

同樣地，待檢測(cè)故障信息重構(gòu)也可以采用1型范數(shù)進(jìn)行處理，結(jié)果如公式（2）所示。

式中：為根據(jù)1型范數(shù)重構(gòu)出的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中待檢測(cè)故障信息的估計(jì)數(shù)據(jù)；argmin|| ||1為1型范數(shù)的函數(shù)體。

利用稀疏采樣的2個(gè)范數(shù)完成信號(hào)重構(gòu)后，需要將其與故障數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，這種比對(duì)主要依據(jù)距離函數(shù)進(jìn)行判定。歐式距離是數(shù)學(xué)領(lǐng)域常用的距離計(jì)算方式，對(duì)本文要解決的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)故障診斷同樣適用，其形式如公式（3）所示。

式中：a為重構(gòu)信號(hào)值；b為故障標(biāo)準(zhǔn)值；ai為重構(gòu)信號(hào)值在歐式空間中的第i維坐標(biāo)；bi為故障標(biāo)準(zhǔn)值在歐式空間中的第i維坐標(biāo)；d（a，b）為重構(gòu)信號(hào)值和故障標(biāo)準(zhǔn)值間的歐式距離。

曼哈頓距離的計(jì)算方法和歐式距離的計(jì)算方法有一定不同，一個(gè)是采用差絕對(duì)值，一個(gè)是采用差方再開根號(hào)，但是二者內(nèi)涵基本一致。曼哈頓距離的計(jì)算形式如公式（4）所示。

式中：a'i為重構(gòu)信號(hào)值在曼哈頓空間中的第i維坐標(biāo)；b'i為故障標(biāo)準(zhǔn)值在曼哈頓空間中的第i維坐標(biāo)；d'（a，b）為重構(gòu)信號(hào)值和故障標(biāo)準(zhǔn)值間的曼哈頓距離。

3 飛輪儲(chǔ)能的故障檢測(cè)試驗(yàn)研究

上文對(duì)機(jī)械軸承式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了分析，給出了其典型的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式、關(guān)鍵參數(shù)和可能的故障類型。進(jìn)而根據(jù)稀疏采樣和距離判別構(gòu)建了故障檢測(cè)方法。下文將針對(duì)本文提出的方法進(jìn)行故障檢測(cè)效果驗(yàn)證。

考慮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要故障均與飛輪轉(zhuǎn)速有關(guān)，本文進(jìn)行振動(dòng)故障與飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系驗(yàn)證，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，當(dāng)本文試驗(yàn)對(duì)象中的飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2300r/min時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)子的振動(dòng)偏移量為峰值0.5。在1500r/min～3500r/min、7500r/min～9000r/min這2個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，飛輪轉(zhuǎn)子出現(xiàn)振動(dòng)故障的可能性也比較高。

進(jìn)一步檢測(cè)不同轉(zhuǎn)速條件下飛輪轉(zhuǎn)子整體的應(yīng)力場(chǎng)變化，從受力的角度考察其發(fā)生故障的可能性，結(jié)果如圖3～圖5所示。

比較圖3～圖5可知，隨著轉(zhuǎn)速不斷提高，飛輪轉(zhuǎn)子整體承受的應(yīng)力也不斷增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)子承受的最大應(yīng)力為7.821MPa；當(dāng)轉(zhuǎn)速為2000r/min時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)子承受的最大應(yīng)力為70.39MPa；當(dāng)轉(zhuǎn)速為2300r/min時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)子承受的最大應(yīng)力為782.1MPa。可見，隨著轉(zhuǎn)速提升，飛輪轉(zhuǎn)子的受力以幾倍甚至10倍的速度在增加。轉(zhuǎn)速越高，飛輪轉(zhuǎn)子發(fā)生故障的概率越大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究核心是對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的故障檢測(cè)。為了提升故障檢測(cè)的準(zhǔn)確率和效率，本文在距離判別的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一種新的故障檢測(cè)方法。該方法以機(jī)械軸承式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)為特定對(duì)象，根據(jù)其工作原理進(jìn)行了基本范數(shù)稀疏采樣并配合距離判別的故障檢測(cè)流程設(shè)計(jì)。在整個(gè)過程中，對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)、參數(shù)構(gòu)成和可能的故障進(jìn)行了分類刻畫，對(duì)應(yīng)設(shè)置了不同的距離判別模式。在試驗(yàn)過程中，以飛輪轉(zhuǎn)速這一關(guān)鍵參數(shù)為故障檢測(cè)對(duì)象，進(jìn)行了飛輪轉(zhuǎn)速-振動(dòng)偏移量的分析，并繪制了不同飛輪轉(zhuǎn)速情況下的飛輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力云圖。試驗(yàn)結(jié)果顯示，飛輪轉(zhuǎn)速越大，轉(zhuǎn)子需要承受的應(yīng)力越大，也更容易發(fā)生故障。

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