基于德爾塔分析儀的電驅總成系統(tǒng)故障診斷研究

摘要：為保證電驅總成系統(tǒng)開發(fā)進度，及時發(fā)現(xiàn)電驅總成系統(tǒng)在耐久試驗中發(fā)生的故障類型及故障位置，避免樣品過度損壞和保護測試設備，保證研發(fā)周期。以某型號電驅總成系統(tǒng)為研究對象，在耐久試驗采用德爾塔分析儀對電驅總成系統(tǒng)進行實時監(jiān)控其振動信號，并結合時域分析、頻域分析、階次分析等理論快速分析出其故障發(fā)生的位置以及故障類型。關鍵詞：德爾塔分析儀；電驅總成系統(tǒng)；故障診斷1前言隨著能源危機和全球溫室效應的日益嚴重，近年來國家逐步推廣新能源，使之替代傳統(tǒng)能源[1-2]。其中電動車作為目前新能源行業(yè)中的代表，已經(jīng)是各個車企主要的發(fā)展方向。新能源汽車在結構及動力方面的改革與創(chuàng)新，使其對故障診斷技術要求更高[3]。故障診斷技術常用于診斷機械設備運行的狀態(tài)以及故障狀況，其原理是借助于檢測設備，通過診斷方案識別與判斷出設備的運轉狀態(tài)，并針對存在的故障現(xiàn)象展開詳細的研究，分析得出引發(fā)故障的因素、形式以及故障大小、未來發(fā)展趨勢等[4-6]。故障診斷技術研究分為以下三種類型：a.故障機理研究。重要之處就是確定引發(fā)故障的原因，并對原因進行區(qū)分，對主要原因與次要原因進行定位，基于此可以為進一步的診斷工作提供依據(jù)。b.故障信息的研究。故障信息的分析處理是診斷故障的關鍵核心。通過對信息進行整體性分析、處理，采集其中對診斷故障有用的信息，并展開研究，最終將獲得故障的信息特征。c.故障診斷理論和方法的研究。根據(jù)發(fā)生故障的原因，將定量分析法和定性分析的方法結合起來，對得到的故障信號進行處理，并輸入到故障診斷模型中，得到故障診斷結果。電驅總成系統(tǒng)是電動汽車的動力來源[7]。電驅總成系統(tǒng)的運行性能和電氣特性直接決定電動汽車的性能，電驅總成系統(tǒng)的研發(fā)是各大車企的重要任務，一套成熟的電動總成系統(tǒng)需要進行性能、環(huán)境和耐久等一系列測試。其中多種不同工況的耐久測試是檢驗其可靠性的重要依據(jù)，在長時間的耐久測試時，電驅總成系統(tǒng)經(jīng)常會出現(xiàn)內部齒輪、軸齒及外殼的損壞失效等，因此在測試過程中對電驅總成系統(tǒng)進行故障監(jiān)控及實時分析十分重要。2電驅總成系統(tǒng)耐久測試故障診斷系統(tǒng)2.1德爾塔分析儀德爾塔分析儀由本地PC（含顯示器、鍵盤機及鼠標）、測量單元、速度盒、UPS及測量組件（傳感器、電纜與電荷放大器）組成。在常見的耐久測試中，電驅總成系統(tǒng)的內部故障被發(fā)現(xiàn)時，其內部部件往往出現(xiàn)嚴重損壞或者失效。在早期出現(xiàn)細微點蝕或者裂紋時并沒有明顯特征。樣機出現(xiàn)故障往往是以振動異常的形式表現(xiàn)，因此德爾塔分析儀通過分析軟件能夠基于測得的振動特性數(shù)據(jù)分析確定故障位置，并能從中推斷故障的發(fā)生和演化過程，盡快確認故障原因并有效解決問題[8-9]。該系統(tǒng)應用于傳動系耐久試驗中，在耐久性試驗過程中能夠基于被測對象，如變速箱、驅動橋、電驅總成系統(tǒng)等的機械振動特性變化并結合時域分析、頻域分析、階次分析等理論分析被測樣品特性，監(jiān)控并自學習樣品在整個試驗過程中的工作狀態(tài)，在故障發(fā)生初期及時發(fā)現(xiàn)故障并及時向試驗臺發(fā)出報警信號，實現(xiàn)及時終止試驗進程，防止出現(xiàn)樣品嚴重失效或損傷試驗臺架等不可挽回的損失。德爾塔分析儀提供關于額外關于故障開始和故障原因的說明，因此它可以為研發(fā)工程師提供用于結果優(yōu)化的有價值信息。2.2故障診斷系統(tǒng)搭建圖1所示為電驅總成系統(tǒng)耐久測試故障診斷系統(tǒng)，整個系統(tǒng)首先通過振動、轉速、轉矩、電流、電壓等傳感器采集到電信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦β史治鰞x，經(jīng)過功率分析儀的計算及整合傳輸?shù)脚_架上位機，以此得到各類測試數(shù)據(jù)并保存在臺架上位機中。德爾塔分析儀則通過安裝在電驅總成系統(tǒng)上的振動傳感器采集到振動信號數(shù)據(jù)（其中振動傳感器分別安裝于電機端、減速器端以及控制器上，方向垂直于水平方向），經(jīng)過一定時間的自學習得到電驅總成系統(tǒng)處于正常狀態(tài)時數(shù)據(jù)模式[10-11]。當后續(xù)耐久測試時，采集到數(shù)據(jù)超出一定的區(qū)間范圍，德爾塔分析儀通過臺架上位機控制整個測試停止。測試停止后，根據(jù)德爾塔分析儀采取的各類數(shù)據(jù)分析其故障原因及故障位置。2.3德爾塔分析儀配置在進行耐久測試前，需要根據(jù)實際耐久工況對德爾塔分析儀進行配置，具體配置方法如下：a.打開軟件dARun，點擊主界面上autoExpert，即可開始創(chuàng)建新的試驗文件。b.點擊Learning/Monitoring選項卡，出現(xiàn)如圖2中的界面。在該界面中設置Loadstepdelay為1000ms，learninglength為2000和MotoringDepth為3。c.先點擊DiagnosisSettings，再選擇AlarmSettings選項卡，在該界面中設置報警限值，設置Threshold為6000。d.點擊LoadstepSetup選項卡，根據(jù)試驗規(guī)范設置步長（數(shù)據(jù)卡）。設置Torque_Eng為[-500，500]，Speed_Eng為[0，15000]，TrsmOilT為[30，150]（樣品參數(shù)改變，參數(shù)值設置相應改變）。e.點擊crash-Preventer（CP）勾選上德爾塔分析儀的采集通道，CP通道報警設置，延遲設置為400ms。報警類型分為兩類：dA報警與CP報警（兩種類型同時運行）。①dA報警：dA報警基于當前報警振動譜線與自學習后的振動上下限譜線進行對比，計算出的趨勢值與設定的閥值進行比較，若連續(xù)兩個分析的趨勢值（軟件默認設置為2個分析）大于設定的閾值，則軟件輸出dA報警。dA報警通常針對于小能量故障。②CP報警：全稱CrashPreventer報警，快速沖擊保護。大能量故障導致的結構損壞，軟件輸出CP報警信號。f.點擊SaveTestlist按鈕，出現(xiàn)以下窗口設置文件名，一般輸入電驅總成系統(tǒng)名、試驗名、臺架號、日期等，點擊open/打開按鈕保存此次試驗配置。保存完畢后回到了主界面，如圖3所示。g.找到對應文件，點擊StartTestlist，即開始對耐久測試進行實時監(jiān)控。2.4故障診斷及分析以某型號電驅總成系統(tǒng)為研究對象，在進行耐久測試驗證其可靠性時，德爾塔分析儀檢測到被測對象機械結構上故障的始發(fā)或加劇，觸發(fā)dA報警（dA為delta分析報警，為一般報警）。測試臺架接收到dA報警時，向臺架發(fā)出警報信號并觸發(fā)臺架聲光報警，實現(xiàn)臺架停機。幾種典型故障的振動及特征頻率如下：a.定子故障。如定子匝間短路、相間短路等，特征頻率一般以倍頻的形式出現(xiàn)：[f0、2f0、4f0、6f0]。b.軸承故障。軸承故障通常出現(xiàn)損壞的部件為外圈、內圈、滾動體和保持架等，當部件出現(xiàn)磨損會帶來的沖擊引起的振動[12]。軸承內圈、軸承保持架：[0.5Zn60（1-dDcosβ）]；軸承外圈：[0.5Zn60（1+dDcosβ）]；軸承滾動體：[Ddn601-（dDcosβ）2]。式中，Z為滾動體個數(shù)；n為轉速，r/min；d為滾動體直徑，mm；D為滾動體分布直徑，mm；[β]為軸承壓力角，（°）；p為極對數(shù)；s為轉差率[13]。c.轉子故障。轉子損壞導致的轉子不平衡：[k（1-s）/p±sf0，k=1，2，…]。式中，[f0]為電源頻率，Hz。d.氣隙不均勻。分為靜態(tài)偏心和動態(tài)偏心，常導致轉子動不平衡等故障：[2f0、2sf0]。打開deltaEvaluation數(shù)據(jù)分析軟件，得到如圖4頻譜圖，頻譜明顯超差，QI指標不合格。頻譜中8階、16階、24階、32階、48階存在異常偏差即代表定子存在故障。通過拆機檢查后發(fā)現(xiàn)如圖5定子跨槽現(xiàn)象，更換定子后故障排除。打開deltaEvaluation數(shù)據(jù)分析軟件，得到圖6所示的頻譜圖，頻譜明顯超差，QI指標不合格。頻譜中3.6階，20～60階明顯升高。通過拆機檢查后發(fā)現(xiàn)圖7所示的膠圈破損現(xiàn)象，更換膠圈后故障排除。綜合以上兩種情況，當測試臺架接收到來自德爾塔分析儀的報警時，通過分析其頻譜圖曲線得到其內部存在故障情況，拆機后檢查樣機狀態(tài)與德爾塔分析儀的監(jiān)控及分析情況一致。整個故障診斷系統(tǒng)能夠及時且有效地發(fā)現(xiàn)耐久測試過程中的故障情況。3結語本文以某型號電驅總成系統(tǒng)為研究對象，通過分析了解德爾塔分析儀以及整個故障診斷系統(tǒng)的工作原理，搭建故障診斷系統(tǒng)實現(xiàn)對于電驅總成系統(tǒng)在耐