牵引电机转子断条故障诊断方法、设备及存储介质与流程

1.本技术涉及一种牵引电机故障诊断方法，尤其涉及一种牵引电机转子断条故障诊断方法、设备及存储介质。


背景技术：

2.近年来，我国铁路的建设迅速发展，无论载客车还是货车，车辆运行安全都是重中之重。以货运动车组为例，牵引电机作为牵引系统中的核心部件之一，为列车提供动力。
3.牵引电机悬挂在转向架上，其工作条件十分恶劣，不但要经受灰尘雨雪的侵蚀、环境温度变化所产生的应力，而且牵引电机需承受来自列车轮轨动力作用产生的冲击和振动，导致其成为货运动车组牵引系统高发故障点。而电机转子断条是牵引电机常见的故障类型之一，如不能及时发现并妥善处置，断条的断裂可能引起相邻导条连续断裂，断裂的导条在高速运转的情况下和定子绕组可能产生划擦，造成扫膛故障。一旦牵引电机出现故障，将影响列车的运行安全。
4.传统方案中，牵引电机转子断条最常用的故障诊断方法为频域分析法，且一般是采集定子电流信号进行频谱分析。由于故障后的电机转子在每相定子电流中所产生的故障特征值存在差异，会对故障阈值的选取造成困难，且传统的频谱分析法中主要是人通过观察频谱图中故障特征频率处有无谱峰来诊断故障，智能化程度较低。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术缺陷之一，本技术实施例中提供了一种牵引电机转子断条故障诊断方法、设备及存储介质。
6.本技术第一方面实施例提供一种牵引电机转子断条故障诊断方法，包括：
7.获取牵引系统中间直流侧电压信号；
8.从所述电压信号中提取多个频带内重构信号的傅里叶频谱图；
9.根据所述傅里叶频谱图确定出与故障理论值相匹配的故障特征频率，以根据所述故障特征频率确定牵引电机是否发生转子断条故障；所述故障理论值为牵引电机转子断条在中间直流侧电压信号中故障特征频率的理论值。
10.本技术第二方面实施例提供一种牵引电机转子断条故障诊断设备，包括：
11.存储器；
12.处理器；以及
13.计算机程序；
14.其中，所述计算机程序存储在所述存储器中，并被配置为由所述处理器执行以实现如上所述的方法。
15.本技术第三方面实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序；所述计算机程序被处理器执行以实现如上所述的方法。
16.本技术实施例提供的技术方案，通过获取牵引系统中间直流侧电压信号，然后从
电压信号中提取多个频带内重构信号的傅里叶频谱图，再根据傅里叶频谱图确定出与故障理论值相匹配的故障特征频率，以根据故障特征频率确定牵引电机是否发生转子断条故障，其中，故障理论值为牵引电机转子断条在中间直流侧电压信号中故障特征频率的理论值，实现了列车在运行状态下对牵引电机转子的故障诊断，完全脱离了人工参与，提高了诊断效率，进而提高行车安全。
附图说明
17.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
18.图1为本技术实施例一提供的牵引电机转子断条故障诊断方法的流程图；
19.图2为本技术实施例二提供的牵引电机转子断条故障诊断方法中从电压信号中提取多个频带内重构信号的傅里叶频谱图的流程图；
20.图3为本技术实施例二提供的一种小波包分解算法的框架图；
21.图4为本技术实施例三提供的牵引电机转子断条故障诊断方法中确定故障的流程图；
22.图5为本技术实施例三提供的牵引电机转子在正常工作时的中间直流侧电压波形图；
23.图6为本技术实施例三提供的牵引电机转子在正常工作时的重构信号傅里叶频谱图；
24.图7为本技术实施例三提供的牵引电机转子在发生断条故障后的中间直流侧电压波形图；
25.图8为本技术实施例三提供的牵引电机转子在发生断条故障后的重构信号傅里叶频谱图；
26.图9为本技术实施例四提供的牵引电机转子断条故障诊断设备的结构示意图。
具体实施方式
27.为了使本技术实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本技术的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
28.实施例一
29.本实施例提供一种牵引电机转子断条故障诊断方法，能够应用在列车中，用于检测牵引电机是否发生断条故障。该列车可以为货运车，也可以为客运车。
30.实际应用中，本实施例提供的牵引电机转子断条故障诊断方法可以通过计算机程序实现，例如，应用软件等；或者，该方法也可以实现为存储有相关计算机程序的介质，例如，u盘、云盘等；再或者，该方法还可以通过集成或安装有相关计算机程序的实体装置实现，例如，芯片、可移动智能设备等。
31.图1为本技术实施例一提供的牵引电机转子断条故障诊断方法的流程图。如图1所示，本实施例提供的牵引电机转子断条故障诊断方法包括：
32.步骤101、获取牵引系统中间直流侧电压信号。
33.列车的牵引系统从接触网获取高压交流电并经过变压器降压后转换为中间直流信号，再经过逆变转换为三相交流电提供给牵引电机使用。
34.本步骤中，获取中间直流侧的电压信号，具体可采用电压传感器进行检测。
35.步骤102、从电压信号中提取多个频带内重构信号的傅里叶频谱图。
36.将上述步骤中获取到的电压信号分解为多个频带的信号并进行重构，再提取多个频带信号的傅里叶谱图。
37.步骤103、根据傅里叶频谱图确定出与故障理论值相匹配的故障特征频率，以根据故障特征频率确定牵引电机是否发生转子断条故障。
38.故障理论值为牵引电机转子断条在中间直流侧电压信号中故障特征频率的理论值。
39.当牵引电机发生电机转子断条时，中间直流侧电压信号的频率与未发生故障时是有区别的。因此，根据中间侧电压信号的频率特征就能够确定牵引电机是否发生转子断条故障。
40.本实施例提供的技术方案，通过获取牵引系统中间直流侧电压信号，然后从电压信号中提取多个频带内重构信号的傅里叶频谱图，再根据傅里叶频谱图确定出与故障理论值相匹配的故障特征频率，以根据故障特征频率确定牵引电机是否发生转子断条故障，其中，故障理论值为牵引电机转子断条在中间直流侧电压信号中故障特征频率的理论值，实现了列车在运行状态下对牵引电机转子的故障诊断，完全脱离了人工参与，提高了诊断效率，进而提高行车安全。
41.实施例二
42.本实施例是在上述实施例的基础上，对上述牵引电机转子断条故障诊断方法进行优化，尤其是对从电压信号中提取多个频带内重构信号的傅里叶频谱图的具体实现方式进行优化。
43.上述步骤102是从电压信号中提取多个频带内重构信号的傅里叶频谱图，具体是将电压信号分解为多个频带的信号并进行重构，再提取多个频带信号的傅里叶谱图。
44.将电压信号分解为多个频带的信号的方式可以有多种方式，可采用本领域中常用的方式。将分解后的多个频带信号进行重构也可以采用多种方式，可采用本领域常用的方式。
45.本实施例提供一种具体的实现方式：
46.图2为本技术实施例二提供的牵引电机转子断条故障诊断方法中从电压信号中提取多个频带内重构信号的傅里叶频谱图的流程图。如图2所示，本实施例中，从电压信号中提取多个频带内重构信号的傅里叶频谱图，具体可采用如下方式实现：
47.步骤1021、对电压信号进行希尔伯特变换。
48.希尔伯特变换即为本领域常用的hilbert变换，利用该变换能够消除直流分量频率泄露对故障特征产生影响，提高诊断精确度。
49.具体为采用如下公式进行hilbert变换：
50.[0051][0052]
其中，g(t)为电压信号，为希尔伯特变换信号，g

(t)为经过希尔伯特变换后的信号，t为时间变量。
[0053]
上述变换后的信号的包络为：
[0054][0055]
消除直流分量频率泄露对故障特征产生影响为：
[0056][0057]
当然，除了可以采用希尔伯特变换之外，也可以采用其他的变换方式对电压信号进行处理变换，以满足后续分解和重构步骤的需要。
[0058]
步骤1022、对变换后的信号进行小波包分解和重构，得到多个频带的重构信号。
[0059]
小波包分解和重构的方式可以采用本领域常用的方式，可根据信号的具体特征进行设定。
[0060]
本实施例中，采用七层小波包对变换后的信号进行分解和重构。
[0061]
首先，采用七层小波包分解算法将变换后的信号分解成27＝128个频带，然后，采用七层小波包重构算法将各频带的杂散信号进行重构。
[0062]
一种实现方式：上述小波包分解算法具体为：
[0063][0064]
其中，d
i，j，m
为第j层小波包分解的第m个子频带的第i个系数；h(k)和g(k)为小波包滤波器系数；k为小波包低通滤波器或高通滤波器系数的个数；j＝1，2，
…
，7；m＝1，2，
…
，2
j
；i＝1，2，
…
，2
t-j
；t为长度为2
t
的中间直流侧电压信号的指数值。
[0065]
图3为本技术实施例二提供的一种小波包分解算法的框架图。图3示出了本实施例中七层小波包分解算法进行分解的架构。
[0066]
上述小波包重构算法具体为：
[0067][0068]
其中，d
i，j，m
为第j层小波包重构的第m个子频带的第i个系数；h(k)和g(k)为小波包滤波器系数。
[0069]
步骤1023、对各频带的重构信号进行傅里叶分析，得到各重构信号的傅里叶频谱图。
[0070]
傅里叶分析可采用本领域常用的傅里叶算法进行处理，得到傅里叶频谱图。
[0071]
实施例三
[0072]
本实施例是在上述实施例的基础上，对上述牵引电机转子断条故障诊断方法进行优化，尤其是对诊断故障的具体实现方式进行优化。
[0073]
上述步骤103根据傅里叶频谱图确定出与故障理论值相匹配的故障特征频率，以
根据故障特征频率确定牵引电机是否发生转子断条故障，具体可以采用如下方式：
[0074]
依次在每一个频谱图中分别搜索与故障理论值相匹配的故障特征频率，每一次搜索完成后，若搜索到了匹配的故障特征频率，则结束搜索。
[0075]
具体的，在每一个频谱图中的搜索过程中，首先在以故障理论值为中心频率的频段内确定频率最大值，然后判断该频率最大值是否大于故障理论值，若是，则确定牵引电机发生转子断条故障。
[0076]
故障理论值为牵引电机转子断条在中间直流侧电压信号中故障特征频率的理论值，具体可先通过如下公式进行确定，
[0077]
f＝2sf0，
[0078]
其中，s为牵引电机转差率，f0为定子电流基频，f为故障理论值。
[0079]
一种具体的实现方式：图4为本技术实施例三提供的牵引电机转子断条故障诊断方法中确定故障的流程图。如图4所示，可采用如下方式：
[0080]
步骤1031、初始化标志位m为零，分解层数n为零。
[0081]
步骤1032、计算故障理论值。
[0082]
步骤1033、依次在每一个频谱图内搜索以故障理论值为中心频率的频段内的最大值。
[0083]
步骤1034、判断该最大值是否大于故障理论值。
[0084]
若判断结果为是，则执行步骤1035。若判断结果为否，执行步骤1036。
[0085]
步骤1035、将标志位m置1。
[0086]
步骤1035执行完毕后执行步骤1038。
[0087]
步骤1036、将分解层数n加1。
[0088]
步骤1036执行完毕后，执行步骤1037。
[0089]
步骤1037、判断分解层数n是否大于127。
[0090]
若是，则转步骤1038；若否，则返回步骤1033。
[0091]
步骤1038、输出标志位m。
[0092]
当输出的标志位m为1时，表明存在转子断条故障。
[0093]
图5为本技术实施例三提供的牵引电机转子在正常工作时的中间直流侧电压波形图，图6为本技术实施例三提供的牵引电机转子在正常工作时的重构信号傅里叶频谱图。如图5和图6所示，牵引电机转子正常时，中间直流侧电压较为稳定，且七层重构傅里叶频谱图中不存在故障特征频率。
[0094]
图7为本技术实施例三提供的牵引电机转子在发生断条故障后的中间直流侧电压波形图，图8为本技术实施例三提供的牵引电机转子在发生断条故障后的重构信号傅里叶频谱图。如图7和图8所示，牵引电机转子发生断条故障后，中间直流侧电压出现波动，且七层重构傅里叶频谱图中出现故障特征频率。
[0095]
实施例四
[0096]
图9为本技术实施例四提供的牵引电机转子断条故障诊断设备的结构示意图。如图9所示，本实施例提供的牵引电机转子断条故障诊断设备包括：存储器91、处理器92及计算机程序，该计算机存储在存储器91中，并被配置为由处理器92执行以实现上述任一内容所提供的方法。
[0097]
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行以实现如上述任一内容所提供的方法。
[0098]
本实施例提供的设备及存储介质具有与上述方法相同的技术效果。
[0099]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0100]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0101]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0102]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0103]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
[0104]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0105]
在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0106]
尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
[0107]
显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。