CN109490650B - 一种轨道交通变流器寿命预测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道交通变流器寿命预测装置，包括分析单元、变流控制器内部板卡级传感器单元和轨道变流产品级传感器单元；分析单元分别与变流控制器内部板卡级传感器单元和轨道变流产品级传感器单元相连、用于根据变流控制器内部板卡级传感器单元和轨道变流产品级传感器单元采集的信号进行分析处理以对轨道变流器中各部件的寿命进行预测。本发明还公开了一种预测方法，在轨道交通变流器正常运行时，变流控制器内部板卡级传感器单元和轨道变流产品级传感器单元采集对应部件的数据并发送给分析单元，分析单元根据采集的数据进行分类，对轨道变流器中各部件的寿命进行预测。本发明的预测装置及预测方法均具有自动化程度高和可靠性高等优点。

Description

一种轨道交通变流器寿命预测装置及方法

技术领域

本发明主要涉及轨道交通技术领域，特指一种轨道交通变流器寿命预测装置及方法。

背景技术

轨道交通变流器产品，投入运营使用之时即进入到产品浴盆曲线中。但是随着时间推移以及不同的复杂应用环境，部分寿命器件达到生命周期末端的时间也不一样。比如货运机车运行环境，就明显比客运动车运行环境恶劣。实际统计来看，故障数也是前者多于后者。从这些故障信息中筛选统计进一步分解发现，机箱风扇一般都有使用寿命，尤其是风扇电机，一般而言，寿命跟环境温度、振动强相关，热带、亚热带环境下风扇就明显比温带等环境下的故障率高；随着时间推移和振动环境恶劣程度加剧，产品箱体结构松动造成了因接触不良导致的通信中断已成为一项典型故障，并且有逐年比例递增、固定爆发的趋势；电解电容受运行环境影响明显，长期运行在大西北、热带地区的机车，极限高温情况频发，电容的运行环境比铁标要求更加严苛，高温条件下长久使用后的电容失效也已成为急需解决的共性质量问题；继电器产品经应用经验积累发现，部分插装的物料，温度骤变或者一定时间剧烈振动会引起焊点开裂，影响继电器动作的正确性，从而造成现场操作故障；FLASH存储器在使用中发现，高温持续工作容易失效，经可靠性高温试验验证，当器件在一定高温情况下，会造成位翻转等典型故障。以上这些故障，在轨道交通行业变流器中占很大比例。如何针对这些明显受环境影响寿命的物料进行故障的前期预测，在故障前及时将产品进行物料替换，减少这类现场必然发生的故障，是技术人员降低变流器产品故障率，提升产品可靠性需要解决的重要问题。

轨道交通变流产品要求在处理性能、质量可靠和产品美观方面表现卓越，因此产品智能化程度，尤其是产品智能故障预测能力也是非常重要的。产品使用中，如果能及时对寿命器件进入到寿命末期前提前预警，在合适的整备保养期间进行更换，那将极大的降低产品因寿命而导致的故障率。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种自动化程度高、提高产品可靠性的轨道交通变流器寿命预测装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种轨道交通变流器寿命预测装置，包括分析单元、变流控制器内部板卡级传感器单元和轨道变流产品级传感器单元；所述分析单元分别与所述变流控制器内部板卡级传感器单元和轨道变流产品级传感器单元相连、用于根据所述变流控制器内部板卡级传感器单元和轨道变流产品级传感器单元采集的信号进行分析处理以对轨道变流器中各部件的寿命进行预测。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述轨道变流产品级传感器单元包括采集轨道变流器中各部件数据的电压传感器、电流传感器、压力传感器和温度传感器的一种或多种。

所述变流控制器内部板卡级传感器单元包括变流控制器机箱内部各板卡上的温度传感器或/和加速度传感器。

所述轨道变流器中各部件包括机箱、板级继电器、板级电容、高压继电器和存储器芯片中的一种或多种。

本发明还公开了一种基于如上所述的轨道交通变流器寿命预测装置的预测方法，在轨道交通变流器正常运行时，变流控制器内部板卡级传感器单元和轨道变流产品级传感器单元采集对应部件的数据并发送给分析单元，所述分析单元根据采集的数据进行分类，对轨道变流器中各部件的寿命进行预测。

作为上述技术方案的进一步改进：

当所述轨道变流器中的部件为机箱或板级继电器时，实时采集牵引控制单元内部温度，同时采集速度信号，并推算出当前的振动频率，在当前温度和振动频率下预测机箱或板级继电器的寿命。

当所述轨道变流器中的部件为机箱或板级继电器时，实时采集牵引控制单元内部的温度，同时记录加速度，在当前温度和加速度下预测机箱或板级继电器的寿命。

当所述轨道变流器中的部件为板级电解电容或中间电容时，分析处理器周期性采集牵引控制单元内部的温度来作为板级电解电容运行的环境温度；周期性采集牵引控制单元外部的温度来作为中间电容运行的环境温度，同时记录控制单元中记录的中间电容的电流电压；当轨道变流器停止工作时，由单位时间段内电压变化可以推算出当前外部中间电容的实际电容值；当牵引控制单元***掉电时，实时采集***电压5V掉到4.6V的时间，得到当前板级电解电容的实际电容值；分析处理器结当前温度和电容值，预测板级电解电容或中间电容的寿命。

当所述轨道变流器中的部件为存储器时，对各存储器扫描坏块数、高温情况下FLASH的运行时间进行统计，同时周期性采集牵引控制单元内部的温度来作为存储器芯片运行的环境温度；分析单元结合目前存储器坏块数和高温情况下运行时间，预测存储器的寿命。

当所述轨道变流器中的部件为高压继电器或者高压断路器时，采集牵引控制单元外部的温度，并对高压继电器或者高压断路器的使用次数进行计数，在当前温度下，结合使用次数预测高压继电器或者高压断路器的寿命。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的轨道交通变流器寿命预测装置，基于现有轨道交通中的机车传感网络，对产品使用过程中各种数据进行监控，并依据数据对产品的寿命进行预测，降低了故障发生机率，提高了产品运行的可靠性。本发明的预测方法同样具有如上预测装置所述的优点，而且将各产品与现有轨道交通技术领域中特定的影响因素相结合，实现各部件寿命预测，保证预测的可靠性。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本发明的机箱或板级继电器寿命预测方框图。

图3为本发明的板级电解电容或中间电容的寿命预测方框图。

图4为本发明的存储器寿命预测方框图。

图5为本发明的高压断路器或高压继电器的寿命预测方框图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1至图5所示，本实施例的轨道交通变流器寿命预测装置，包括分析单元、变流控制器内部板卡级传感器单元和轨道变流产品级传感器单元；分析单元分别与变流控制器内部板卡级传感器单元和轨道变流产品级传感器单元相连、用于根据变流控制器内部板卡级传感器单元和轨道变流产品级传感器单元采集的信号进行分析处理以对轨道变流器中各部件的寿命进行预测。本发明的轨道交通变流器寿命预测装置，基于现有轨道交通中的机车传感网络，对产品使用过程中各种数据进行监控，并依据数据对产品的寿命进行预测，降低了故障发生机率，提高了产品运行的可靠性，而且自动化程度高。

本实施例中，轨道变流产品级传感器单元包括采集轨道变流器中各部件数据的电压传感器、电流传感器、压力传感器和温度传感器的一种或多种；变流控制器内部板卡级传感器单元包括变流控制器机箱内部各板卡上的温度传感器或/和加速度传感器。其中轨道变流器中各部件包括机箱、板级继电器、板级电容、高压继电器和存储器芯片中的一种或多种。

具体地，轨道交通产品上电运行后，分析单元（也称分析处理器，下同）在自检时启动各其他运行信息检测程序，包括对各存储器扫描坏块数、各继电器的操作次数以及***各工况（温度、速度）运行时间进行统计；

分析处理器按照正常操作顺序执行必要操作，同时将采集来的轨道变流产品级传感器部分、变流控制器内部板卡级传感器部分数据进行统计；

分析处理器对采集来自各种传感器数据分类，按照不同的寿命器件特性进行分析预判；

根据各寿命器件到达生命周期末端的时间不同和严重等级不同，分析处理器按不同严重等级通过上位机或显示器预警单元对外预警；

根据轨道交通维修章程规定安排，不同检修时段对寿命预测预警进行响应，有序保障轨道交通变流产品的全生命周期无故障使用。

本发明还相应公开了一种的轨道交通变流器寿命预测方法，在轨道交通变流器正常运行时，变流控制器内部板卡级传感器单元和轨道变流产品级传感器单元采集对应部件的数据并发送给分析单元，分析单元根据采集的数据进行分类，对轨道变流器中各部件的寿命进行预测。

下面结合轨道变流器中具体部件进行详细说明：

机箱（含风扇）、板级继电器寿命预测方案：

变流产品机箱寿命密切相关的主要参数是振动。不同产品在各地运行的振动频谱不一致，尤其是加速度趋势，趋势越大频率越高越容易造成机箱箱体结构件松动，带来机箱内各插件接触不良的故障，从而引起通信中断等其他故障。此外，机箱的组件风扇也是寿命器件，一般而言，风扇产品的技术手册上明确规定了产品在一定温度下的寿命数据，轨道交通行业使用环境是个特殊的综合的情况，跟其他行业不同，预测风扇的寿命，除了温度还需要与实际路谱振动相结合。经过某电力机车在不同路局检修的情况分析，风扇的故障发生时间不一致，夏天故障率高于其他季节，西北货运路线的故障率高于中东部动车路线。而实际的综合可靠性测试，风扇在同一温度不同的振动频谱下，风扇最终损坏的频谱不一样，在不同温度同一频谱情况下，风扇最终损坏所需要的时间也不一样。

插装型板级继电器的寿命预测，行业内主要关注本身的开关次数。而轨道交通行业却不同，产品寿命要考虑轨道交通行业使用环境这个多综合特殊情况。经过实际运行的某动车产品继电器失效质量案例分析，某型号继电器器件故障失效情况非常特殊，并非是产品开关次数寿命临近导致失效，而是工作过程中长期受高低温变化或机械应力综合影响，导致产品焊点开裂，接触不良导致器件误动作失效。因此在轨道交通行业，该类器件的使用寿命对振动很敏感，同时，这类型器件寿命对温度突变强相关，温度骤然变化会导致插装焊点开裂，实际轨道交通长途运行中，电力机车避免不了振动影响，同时高铁贯穿祖国南北，早晚温差情况大的情况极为普遍。

以国内各铁路线路的振动参数形成的路谱信息、历年产品故障信息（机箱松动、风扇损坏及继电器焊点断裂等）、产品使用不同年份后返厂再进行可靠性试验的大量数据为蓝本，形成一套接近实际情况的机箱（含风扇）和板级继电器寿命预测经验方案。在***启动运行后，分析处理器周期性采集牵引控制单元内部的温度传感器的温度来实时记录风扇和板级继电器运行的环境温度，同时，也实时记录速度传感器采集的速度，通过速度可以推算出当前振动频率。分析处理器能结合高速和高、低温情况下机箱（含风扇）、继电器运行时间、继电器动作次数等其他运行信息统计情况，实时的计算当前速度和温度数据下，结合寿命预测经验方案， 预测综合运行情况下的机箱（含风扇）、板级继电器剩余寿命时间（如将温度、速度等相关数据代入预测经验方案查询对应的寿命结果，具体预测过程为常规方法），一旦达到寿命界限，分等级预警提示保养更换。

板级电解电容、中间电容寿命预测方案：

电容是纯寿命器件，寿命密切相关的主要参数是温度，温度越高，通过电容掉电时电压变化率可以正确预估当前电容的容值，电容值偏差越厉害，并且这种偏差存在不可逆性。实际使用过程中，产品的环境温度偶尔会短时间达到铁标要求的极限值。轨道交通行业变流产品的板级电容主要跟温度相关，但是中间电容使用也是一个复杂的环境，除了有温度变化，产品使用过程中，不同车型主电路上中间电容的纹波电流不同，对中间电容寿命影响不同，同时多次谐波造成的电压纹波，甚至是接触器合断造成的耦合电压干扰对电容寿命也影响不同。经过对实际某电力机车电容故障历史信息统计，电容长时间在额定电压范围内的不同电压等级情况下的寿命也不尽相同。

如图3所示，以国内各轨道交通车型主电路实测纹波电流和电压值、历年产品故障信息、产品使用不同年份后返厂再进行可靠性试验的大量数据为蓝本，形成一套接近实际情况的中间电容寿命预测经验方案。在***启动运行后，分析处理器周期性采集牵引控制单元内部的温度传感器的温度来实时记录板级电解电容运行的环境温度，周期性采集牵引控制单元外部的温度传感器的温度来实时记录中间电容运行的环境温度，同时记录电压传感器和电流传感器记录的中间电容的电流电压环境。当轨道变流产品停止操作时，外部电压传感器等都由牵引控制单元供电的设备继续工作，仍然实时记录电压，单位时间段内电压变化可以推算出当前外部中间电容的实际电容值。当牵引控制单元***掉电时，在3.3V掉电导致***不工作前，内部AD实时采集***电压5V掉到4.6V的时间，也可以大致估算出当前板级电解电容的实际电容值。分析处理器结合高温情况下运行时间等其他运行信息统计情况，实时的计算当前温度、电容值数据下，利用预测经验方案预测综合运行情况的剩余寿命时间（如将温度、电容值等相关数据代入预测经验方案查询对应的寿命结果，具体预测过程为常规方法），一旦达到寿命界限，下次***启动时分等级预警提示保养更换。

存储器寿命预测方案：

目前轨道交通变流产品中的牵引控制单元大量使用的NAND和NOR FLASH是寿命器件，该类器件行业内预测寿命主要是判断其擦写次数。但是某电力机车NOR FLASH失效故障案例分析得知，该存储器使用时间很短，远没到产品标称擦写次数。且发现失效集中发生在西北路线，尤其是集中在6到8月。经过针对性高温可靠性试验分析得知，存储器在高温时容易数据篡改甚至坏块，尤其是大容量的NAND FLASH，如工作环境温度超过标称的85℃后，会大概率的出现坏块。轨道交通变流产品受环境不确定影响很大，基本遍布全球，个别地域和路线往往也有极限高温情况。

如图4所示，以国内西北路线全年温度数据采集、历年存储产品故障信息以及不同年份后返厂进行可靠性高温步进试验各类型存储器失效数据为蓝本，形成一套接近实际情况的轨道交通产品存储器寿命预测方案。在***启动运行后，分析处理器启动各其他运行信息检测程序，主要对各存储器扫描坏块数、高温情况FLASH的运行时间进行统计，同时周期性采集牵引控制单元内部的温度传感器的温度来实时记录存储器芯片运行的环境温度。分析处理器能结合目前存储器坏块数和高温情况下运行时间等其他运行信息统计情况，实时的计算当前温度数据下，根据本装置的存储器寿命预测算法预测综合运行情况的剩余寿命时间（如将温度、次数等相关数据代入预测经验方案查询对应的寿命结果，具体预测过程为常规方法），一旦达到寿命界限，分等级预警提示更换。

高压继电器、断路器寿命预测方案：

如图5所示，在***启动运行后，分析处理器启动各其他运行信息检测程序，主要对外部高压继电器、断路器进行使用次数统计。根据产品手册提供的使用次数说明，分析处理器能实时的计算当前温度数据下，预测高压继电器和断路器的剩余寿命时间，一旦达到寿命界限，分等级预警提示更换。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种轨道交通变流器寿命预测装置，其特征在于，包括分析单元、变流控制器内部板卡级传感器单元和轨道变流产品级传感器单元；所述分析单元分别与所述变流控制器内部板卡级传感器单元和轨道变流产品级传感器单元相连、用于根据所述变流控制器内部板卡级传感器单元和轨道变流产品级传感器单元采集的信号进行分析处理以对轨道变流器中各部件的寿命进行预测；所述轨道变流器中各部件包括机箱、板级继电器、板级电解电容、高压继电器和存储器中的一种或多种；在轨道交通变流器正常运行时，变流控制器内部板卡级传感器单元和轨道变流产品级传感器单元采集对应部件的数据并发送给分析单元，所述分析单元根据采集的数据进行分类，对轨道变流器中各部件的寿命进行预测；当所述轨道变流器中的部件为机箱或板级继电器时，实时采集牵引控制单元内部温度，同时采集速度信号，并推算出当前的振动频率，在当前温度和振动频率下预测机箱或板级继电器的寿命。

2.根据权利要求1所述的轨道交通变流器寿命预测装置，其特征在于，所述轨道变流产品级传感器单元包括采集轨道变流器中各部件数据的电压传感器、电流传感器、压力传感器和温度传感器的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的轨道交通变流器寿命预测装置，其特征在于，所述变流控制器内部板卡级传感器单元包括变流控制器机箱内部各板卡上的温度传感器或/和加速度传感器。

4.一种基于权利要求1至3中任意一项所述的轨道交通变流器寿命预测装置的预测方法，其特征在于，在轨道交通变流器正常运行时，变流控制器内部板卡级传感器单元和轨道变流产品级传感器单元采集对应部件的数据并发送给分析单元，所述分析单元根据采集的数据进行分类，对轨道变流器中各部件的寿命进行预测；

当所述轨道变流器中的部件为机箱或板级继电器时，实时采集牵引控制单元内部温度，同时采集速度信号，并推算出当前的振动频率，在当前温度和振动频率下预测机箱或板级继电器的寿命。

5.根据权利要求4所述的预测方法，其特征在于，当所述轨道变流器中的部件为机箱或板级继电器时，实时采集牵引控制单元内部的温度，同时记录加速度，在当前温度和加速度下预测机箱或板级继电器的寿命。

6.根据权利要求4所述的预测方法，其特征在于，当所述轨道变流器中的部件为板级电解电容时，分析单元周期性采集牵引控制单元内部的温度来作为板级电解电容运行的环境温度；当牵引控制单元***掉电时，实时采集***电压5V掉到4.6V的时间，得到当前板级电解电容的实际电容值；分析单元结合当前温度和电容值，预测板级电解电容的寿命。

7.根据权利要求4所述的预测方法，其特征在于，当所述轨道变流器中的部件为存储器时，对各存储器扫描坏块数、高温情况下FLASH的运行时间进行统计，同时周期性采集牵引控制单元内部的温度来作为存储器芯片运行的环境温度；分析单元结合目前存储器坏块数和高温情况下运行时间，预测存储器的寿命。

8.根据权利要求4所述的预测方法，其特征在于，当所述轨道变流器中的部件为高压继电器时，采集牵引控制单元外部的温度，并对高压继电器的使用次数进行计数，在当前温度下，结合使用次数预测高压继电器的寿命。

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