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第十章：高铁故障预测与健康管理《智能运维与健康管理》

引言1系统架构2牵引电机故障诊断与健康管理关键技术3牵引电机故障诊断与健康管理的系统实现4思考题与习题5讲义提纲

引言

引言高速铁路动车组列车（下文简称“高铁”）是中国高端制造业崛起的重要标志以及“制造强国”、“一带一路”的一张靓丽名片。

引言高铁车辆属于典型复杂机电系统，由于缺乏有效技术装备和系统长期运行的经验积累，我国铁路部门普遍沿用劳动力密集型计划维修（即定期维修）体制。造成维修量大、工作强度高、准确性不足的局面。

引言《中国制造2025》轨道交通的示范项目中提出：以绿色智能轨道交通车辆为“移动终端”，集成车载智能化状态监测、故障灾害监测系统等网络化、智能化技术，探索建立“基于物联网的轨道交通装备全寿命周期服务体系”。实现我国高铁高效、准确、低成本的运行维护是未来高铁技术的发展重点。

引言必要性主机企业提升产品服务能力与水平的需求轨道交通行业可持续发展的迫切需求轨道交通装备技术发展的迫切需求“中国制造2025”、“走出去”战略需求上述4项需求决定了高铁故障预测与健康管理技术的重要性和迫切性。

系统架构

系统架构参考IS013374标准，健康管理（PHM）体系结构主要由8个模块组成，因此，从功能划分和模块化设计的角度，高铁故障预测与健康管理系统至少应实现数据采集、数据处理、状态监测、健康评估、故障预测、决策支持6个功能。任务计划轨道交通装备故障预测●基于模型●基于经验……决策支持●维修决策●备件管理……数据采集●传感器1●传感器2……数据处理●预处理●降维……●特征提取状态监测●阈值判断●偏离度……●状态判断健康评估●特征提取●异常检测……●诊断推理-人机接口-与其它系统接口……物理模型

系统架构10在综合考虑PHM功能需求，用户使用需求，主机厂、供应商需求和顶层技术要求的基础上，确定了轨道交通装备故障预测与管理系统总体架构。轨道交通装备故障预测与健康管理系统总体架构■车载PHM系统■车地数据传输系统■地面PHM系统PHM功能需求用户使用需求主机厂/供应商需求顶层技术要求

系统架构高铁PHM系统架构包含三个主要子系统：车载PHM系统、车地数据传输系统、地面PHM系统。三个网络：车载传输网络车地传输网络地面传输网络二套系统：车载硬件和软件地面硬件和软件一个平台：应用平台

系统架构2.1车载PHM系统车载PHM系统包括两大部分：车载传输网络和车载软硬件车载传输网络主要利用工业以太网进行数据信息的传输。车载软硬件包括车载PHM单元、子系统PHM单元、远程数据传输装置。

系统架构2.2车-地数据传输系统车-地数据传输系统采用包含卫星、3G/4G/LTE移动通讯网络、近场WiFi等多渠道将车上数据传输到地面数据中心。车载传输网络主要利用工业以太网进行数据信息的传输。

系统架构2.3地面PHM系统地面PHM系统接收车辆传输到地面的数据和接入设计数据、运维数据、地面监测系统数据，进行数据处理、存储和应用展示。实现以下的功能：状态监控、故障预警、故障诊断、故障分析、健康评估、故障预测、运维决策

系统架构2.3地面PHM系统实现功能状态监控故障预警故障预测健康评估故障诊断故障分析运维决策应用平台

牵引电机故障诊断与健康管理关键技术

牵引电机故障诊断与健康管理关键技术牵引电机是高铁列车的关键设备，对高铁安全至关重要，牵引电机故障诊断与健康管理是高铁健康管理的重要子系统及子模块。。

电气故障诊断及绝缘健康管理机械故障诊断及轴承健康管理车载硬件系统大数据健康管理平台1234牵引电机故障诊断与健康管理关键技术18

牵引电机故障诊断与健康管理关键技术3.1电气故障诊断及绝缘健康管理1.绝缘老化机理研究绝缘系统是电机结构中较薄弱的环节，老化、磨损、过热、受潮、污染、电晕都可以导致绝缘系统的电气性能降低，从而引发其它故障的发生。

牵引电机故障诊断与健康管理关键技术绝缘的热老化：电机长年累月的使用经常过载运行，由于过热导致绕组及其连接线的绝缘发生热老化，从而使得绝缘材料的绝缘强度降低或丧失。局部烧损：由于轴承等机械零件发生故障，造成电机定转子中心不对称发生扫膛，铁芯出现局部高温导致主绝缘被