基于电功率图形分析的机电液系统耦合特性及故障演化机理研究

In view of lack of research about degradation of performance, decrease of reliability, and fault forming mechanism under extremely harsh condition of large-scale mechatronics equipment, holographic-electric-power graph fused by amplitude, phase, time, and phase sequence of three phase electric parameters is utilized to research coupling characteristics and mechanism of fault evolution of mechanical-electrical- hydraulic system based on the purpose of improving the security, reliability, fault diagnosis, and operation maintenance level of facility. The effect of load condtions and coupling factors on the dynamic performance and running conditon of system is revealed during multi-coupling (electro-mechanical coupling→Hydraulic - mechanical coupling→interfacial coupling) procedure. The graph description way and character extraction of electric power flow both in stable and unstable condition are searched. Time-frequency features of electric power are analysed. Mathematic theories and physical implications of basic and harmonic electric power graphs are illustrated which can show effective energy transformation, transfer, synthesis and storage under different dynamic couple characteristics and running conditons of system. Characteristic information of fault evolution can be extracted from time-frequency characteristics of electric power. Theory and method of coupling state evaluation and running conditon recognition is formed respectively based on electric power graph analysis. The research content and method provide a new way for the energy saving control, fault mechanism and prediction technology research.

针对大型机电装备在极端工况下表现出的性能退化﹑可靠性降低以及故障形成机理研究缺乏问题，以提高设备运行安全性、可靠性、故障诊断与运营维护技术水平为目的，融合三相电参量提供的幅值、相位、相间和相序信息创建全息电功率图形，运用全息电功率图形分析系统耦合特性及其故障演化机理。揭示多过程耦合（机电耦合→机液耦合→界面耦合）中，工况载荷与流体耦合因素对系统全局动态性能与运行状态的影响规律，建立系统耦合特性及运行状态影响电功率流平稳与非平稳流动的数字特征，构建电功率图形及表征电功率流数字特征的图示化方法；阐明电功率的时频特性以及工频和高次谐波电功率图形在系统不同耦合特性及运行状态下的能量转换、合成、传递和存储的数学原理与物理意义；利用电功率时频特征提取系统故障演化特征信息，建立基于电功率图形分析的机电液系统耦合状态评价与运行状态识别理论与方法，为设备节能控制以及故障机理和预示技术研究提供新理论、新方法。

大型机电装备在极端工况下表现出的性能退化﹑可靠性降低，即故障形成机理问题是研究热点。本项目以提高机电设备运行安全性、可靠性以及健康管理技术水平为目标，重点研究了机电液系统（以变转速泵控马达系统为具体对象）多过程、多能量域耦合特性对系统动力学性能、运行状态特征量以及电功率流的影响规律，融合系统提供的机电液多源信息创建电功率和动能刚度图形，探索了机电液系统耦合特性及故障演化机理。项目在理论构建、技术开发到试（实）验平台研制等方面取得的创新性成果有：.（1）提出了多能量域耦合动能刚度原理及动态功率方程。从理论上分析了系统运行参数耦合到电机三相电信号中的机理，结合李萨如图融合原理以及正弦电路瞬时电功率理论分析了有功和无功李萨如电功率图形在系统不同耦合及运行状态下的能量转换、合成、传递和存储的数学原理、物理意义，以及电功率图畸变的原因。.（2）发明了基于电功率图形分析的系统性能退化评价与运行状态识别技术。提出了表征多能域系统性能退化过程的动能刚度模型以及图示化分析方法；基于虚拟仪器平台开发了基于电功率图形化分析的液压系统运行状态监测与诊断系统。.（3）为在线评价机电液系统动力源与负载之间的耦合（功率匹配）特性，提出了动能刚度原理及其图示化识别方法。研究结果表明：机电液系统动能刚度的变化是参数相互耦合的结果，可用于衡量动能变化率，评价系统的耦合特性；融合的图形倾角可量化动能刚度大小，倾角变化反应了动能刚度的变化规律，由此得到的刚度圆能够在线评价系统动力源与负载之间的耦合状态。.（4）研制了变转速混合动力（60KW）机电液系统典型和极端工况试验平台。既能用于液压设备典型工况（恒定转速）的故障机理分析，也适合机电设备极端工况（变转速）下多能域耦合故障发生与演化过程的研究。.（5）将本项目取得的研究成果转化成适合机械专业研究生教学和科研的平台<机械工程研究生综合实验平台>。由于把本项目研究成果开发成了设计性、综合性以及案例研讨式实验模块，明显提升了研究生的教学水平及科研条件，现正在与企业合作进行产业化开发。.在本项目资助下，共发表学术论文38篇，其中，EI检索论文5篇、待检索1篇、CSCD期刊18篇、中文核心期刊11篇、国际会议论文3篇；授权国家发明专利5项、受理国家发明专利2项；培养博士10名、硕士33名。