2024年10月22日发(作者：靖文心)
第１５卷第３期
２０１５年９月
上海应用技术学院学报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＨＡＮＧＨＡＩ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ）
Ｖｏｌ＿１５ ＮＯ．３
Ｓｅｐ．２０１５
文章编号：１６７１—７３３３（２０１５）０３－０２３６—０６ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１—７３３３．２０１５．０３．００６
ＣＲ Ｈ ５型动车组牵引部件键合图建模及故障注入
勇佳棋， 姜 斌， 陆宁云
（ｒａ京航空航天大学自动化学院，南京 ２１００１６）
摘 要：ＣＲＨ ５型动车组牵引部件具有非线性、多能域等特点，不易获取准确的系统级机理模型，
而基于数据的建模方法又很难描述系统的拓扑结构和元件间的因果关系．利用键合图建模理论多
能域、图形化的特点，建立与实际物理系统相吻合的牵引电动机和齿轮箱级联系统的键合图模型；
研究牵引电动机常见故障的注入，在键合图中模拟电动机定子绕组短路故障，分析故障下机一电能
域间的交互影响，展示键合图建模在故障传播分析和故障诊断方面的应用前景．仿真结果验证正常
和故障工况下键合图模型的准确性．
关键词：ＣＲＨ ５型动车组；牵引部件；键合图模型；故障注入
中图分类号：ＴＰ ２７３ 文献标志码：Ａ
Ｂｏｎｄ Ｇｒａｐｈ Ｂａｓｅｄ Ｍｏｄｅｌ ｉｎｇ ａｎｄ Ｆａｕｌｔ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ
ＣＲＨ ５ ＥＭＵ Ｔｒａｃｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ
ＹＯＮＧ Ｊｉａｑｉ， ＪＩＡＮＧ Ｂｉｎ，ＬＵ Ｎｉｎｇｙｕｎ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，
Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ａｃｃｕｒａｔｅ ｆｉｒｓｔ—ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｍｏｄｅｌｓ ｆｏｒ ＣＲＨ ５ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｕｎｉｔｓ（ＥＭＵ）
ｔｒａｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｓ ｔｈｅｙ ｕｓｕａｌｌｙ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒｉｔｙ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ—ｄｏｍａｉｎ ｃｏｕｐｌｉｎｇ．Ｐｕｒｅ
ｄａｔａ—ｂａｓｅｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｉｎａｄｅｑｕａｔｅ ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅｙ ｃａｎ’ｔ ｍｏｄｅｌ ｔｈｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ
ｃａｕｓａｌｉｔｙ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｂｏｎｄ ｇｒａｐｈ（ＢＧ）ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｍｕｌｔｉ—ｄｏｍａｉｎ ｓｙｓｔｅｍｓ；
ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ。ｉｔ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍｏｄｅｌ ｔｈｅ ｃａｓｃａｄｅｄ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ ａｎ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅ ａｎｄ ａ ｇｅａｒｂｏｘ．
Ｆａｕｌｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ｗａｓ ａｌｓｏ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ａ ｍｏｔｏｒ ｓｔａｔｏｒ ｗｉｎｄｉｎｇ ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆａｕｌｔ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ
ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ＢＧ ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｗａｓ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ／ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｎｅｒｇｙ
ｄｏｍａｉｎｓ ｉｎ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｃｅ ｏｆ ｆａｕｌｔｓ，ｔｏ ｄｉｓｐｌａｙ ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＢＧ ｍｏｄｅｌｉｎｇ
ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃｏｕｌｄ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ
ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｍｏｄｅ１ ｆｏｒ ＣＲＨ ５ ＥＭＵ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｎ ｂｏｔｈ ｎｏｒｍａｌ ａｎｄ ｆａｕｌｔｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＣＲＨ ５ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｕｎｉｔｓ（ＥＭＵ）；ｔｒａｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ；ｂｏｎｄ ｇｒａｐｈｓ ｍｏｄｅｌ；ｆａｕｌｔ ｉｎｊ ｅｃｔｉｏｎ
高速列车运行系统是大型复杂工程系统，与乘
客的人身、财产安全息息相关，对系统可靠性有极高
收稿日期：２０１５－０１—１１
要求Ⅲ．从高速列车产生伊始，其安全事故从未停止
发生 ．牵引传动系统是动车组关键组成部分，由受
基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１４９０７０３）；南京航空航天大学研究生创新基地（实验室）开放基金（ｋｆｊｉ２０１４１８）
第一作者：勇佳棋（１９９０一），女，硕士生，主要研究方向为故障诊断及容错控制．Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｏｎｇｊｉａｑｉｌ＠１６３．ｃｏｍ
通信作者：姜斌（１９６６），男，教授，博士，主要研究方向为故障诊断及容错控制．Ｅ—ｍａｉｌ：ｂｉｎｉｉａｎｇ ＠ｎｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ
第３期 勇佳棋，等：ＣＲＨ ５型动车组牵引部件键合图建模及故障注入 ２３７
电弓、主断路器、牵引变压器、牵引变流器、牵引电动
机及齿轮传动等部件组成 ］，部件间具有复杂能域
耦合关系，部件故障容易传播扩散，影响整个系统的
正常稳定运行．动车组牵引传动系统部件的模型建
立、故障诊断及传播机制是当前的研究热点．
ＣＲＨ ５型动车组牵引传动系统的多能域耦合、
非线性等特点使得系统建模困难．传统建模方法大
多局限于某一部件或能域，不能统一系统内不同能
域的变量，并揭示其因果关系．键合图理论的出现和
发展，为解决上述问题提供了一条新途径 ］．
作为一种图形化的建模方法，键合图法通过具
有明确物理意义的键合图元件和严格的因果关系，
形象地描述系统元件问的信息，深入描述系统内部
状态的变化过程，非常适合多能域系统的建模．同
时，由于键合图模型与实际物理对象间存在一一对
应的关系，并且元件间有着明确的因果关系，与传统
的基于模型、数据等故障诊断方法相比ｌ５ ］，基于键
合图的方法更容易揭示设备或系统内部的运行机
理 ］，为微小、渐变、复合故障的诊断与预测研究提
供便利．
１键合图基本原理
为解决多种能量并存系统的建模问题，Ｐａｙｎｔｅｒ
于１９５９年提出键合图理论，以向量形式给出复杂系
统的简练描述，适用于多变量复杂线性或非线性系
统，在机械、热力学、电子系统等工程技术领域得到
广泛应用．基于能量守恒原理，键合图法把不同能量
领域的多种物理量统一归纳为势、流、位移和动量等
４种变量，实现对整个系统模型充分完备的描述［８］．
不同能域的能量变量和键合图理论中的广义状
态变量间的对应关系见表１．其中：
势ｅ和流＿厂的标量积即功率为
Ｐ（ｆ）一 （ ）厂（￡）
广义动量表达式为
）一 ㈤ｄ￡
广义位移表达式为
）一
表１ 能量变量和广义状态变量
Ｔａｂ．１ Ｅｎｅｒｇｙ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ａｎｄ ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｓｔａｔｅ ｖａｒｉａｂｌｅｓ
使用键合图广义变量，仅需几种基本元件就能
统一表示多能域系统模型．在键合图理论中，有一通
口、二通口和多通口元件等９种基本元件（见表２），
每种元件能如实反映所描述器件的物理效应．一通
口元件只有１个功率传输进出口，势源和流源为外
环境对系统的作用，阻性元件为耗散功率的元件，容
性和惯性元件为储能元件．二通口元件含２个进出
口，输入侧的功率与输出侧功率相等，变换器描述势
与势、流与流之间的关系，回转器描述势与流之间的
关系．多通口元件也称作结点，０结（共势结）各功率
键的势值相等，流的代数和为０；１结（共流结）各功
率键的流值相等，势的代数和为０．
表２键合图基本元件
Ｔａｂ．２ Ｂａｓｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｂｏｎｄ ｇｒａｐｈ
在电能域中，０结相当于并联节点，１结相当于
串联节点．根据系统工作原理，按照一定步骤，能搭
建复杂系统的模型并得出相应的因果关系，以用于
故障诊断＿ｓ］．
２ 牵引部件模型及故障分析
牵引传动系统结构原理简图如图１所示．
接触网
图１牵引系统结构
Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
列车运行时，牵引逆变器输出０～２ ８０８ Ｖ三相
交流电源驱动牵引电动机，电动机的转矩和转速通
过齿轮变速箱传递给轮对，驱动列车运行，实现电能
到机械能的转换ｍ ．ＣＲＨ ５传动系统与其他动车组
２３８ 上海应用技术学院学报（自然科学版） 第１５卷
列车最大的区别在于，其传动系统采用牵引电动机＋
万向轴＋齿轮箱的结构［１ ．牵引电动机是涉及电能
到机械能转换的核心设备，为动车组提供必须的牵引
力［】 ．本文建立ＣＲＨ ５动车组牵引电动机和齿轮箱
的级联键合图模型，并进行易发故障注入研究．
２．１牵引电动机
动车组的驱动元件是结构简单、质量轻、性能可
靠的三相鼠笼型异步电动机．根据等效电路和所选
择的参考系，建立电动机键合图模型＿１ Ｈ］．基于等效
电路，在 参考系下建立牵引电动机Ｐａｒｋ模型，
其与固定坐标系间的转换关系如下：
一
岛
图２电动机等效模型
Ｆｉｇ．２ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ
丢一专
２一 ２
］
电动机的电磁转矩
Ｔ、邢一了 ＋ ｐ一 ｐ（ ｉ 一 ｉ ） （２）
Ｉｌ ｆＩ 一＾、／
∞
。
Ｊ
式中：ｉ ， 喁分别为ａ和 相转子电流．
磁通变量：
三相鼠笼式异步电动机的等效电路如图２所
示．Ｒ 、Ｒ 、Ｒ 分别为定子电阻、转子电阻和漏电
阻；Ｌ ，Ｌ ，Ｌ 分别为定子电感、转子电感和漏感；
∞ 一 × 为转子速度；Ｐ为极数； 一Ｐ／２为极
对数．
Ｒ：Ｒｓ 三ｓ 三ｐ Ｒ：Ｂ ｒ
（Ｌ ｒ＋Ｌｍ ＋Ｌｍ ｌ
一
（Ｌ ＋Ｌ ）ｉ ＋Ｌ ｉ印Ｊ
（３）
电能到机械能的转化可通过回转器（ＧＹ）实现．
参考表１、２，整个电动机的键合图模型如图３所示．
其中，，为转子惯量，ｔｚ为摩擦因数，ＭＳｅ是负载．
， 下
一ＴＦ
ｆ一
ｌ
。
ｆ０ｆ
图３电动机键合图模型
Ｆｉｇ．３ Ｂｏｎｄ ｇｒａｐｈ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ
２．２齿轮传动
２．３级联部件模型
牵引电动机将电能转换为机械能，通过转矩和
齿轮箱通过万向轴与电动机相连 ］．齿轮传动
可以用１个二通口元件变换器表示，传动比即变换
角速度的形式将能量传递给齿轮箱，给动车组提供
动力．因此，电动机的两相输出通过回转器将电能转
化为机械能传递给万向轴，再提供给齿轮箱．电动机
模数．齿轮箱键合图模型见图４．其中，Ｒ 和Ｋ 分
别为万向轴的摩擦因数和刚度．
Ｒ ｈ ｌ， ｈ
和齿轮箱连接后的完整键合图模型如图５所示．
２．４ 电动机绕组故障及分析
ｆ 脚
Ｏ— １ —．７ＴＦ —７ ｌ
牵引电动机基于电磁感应作用在转子中产生感
应电流，从而产生电磁转矩．牵引电动机的主要故障
图４齿轮箱键合图模型
Ｆｉｇ．４ Ｂｏｎｄ ｇｒａｐｈ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅａｒｂｏｘ
可分为定子绕组故障（１２．８９ ）、气隙偏心故障、转
子断条或端环故障（７．６４％）、轴承故障（４１．７７ ）
第３期 勇佳棋，等：ＣＲＨ ５型动车组牵引部件键合图建模及故障注入 ２４１
３５（１）：９４～９ ７．
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文章编号：１６７１—７３３３（２０１５）０３－０２３６—０６ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１—７３３３．２０１５．０３．００６
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研究牵引电动机常见故障的注入，在键合图中模拟电动机定子绕组短路故障，分析故障下机一电能
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Ｂｏｎｄ Ｇｒａｐｈ Ｂａｓｅｄ Ｍｏｄｅｌ ｉｎｇ ａｎｄ Ｆａｕｌｔ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ
ＣＲＨ ５ ＥＭＵ Ｔｒａｃｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ
ＹＯＮＧ Ｊｉａｑｉ， ＪＩＡＮＧ Ｂｉｎ，ＬＵ Ｎｉｎｇｙｕｎ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，
Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ａｃｃｕｒａｔｅ ｆｉｒｓｔ—ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｍｏｄｅｌｓ ｆｏｒ ＣＲＨ ５ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｕｎｉｔｓ（ＥＭＵ）
ｔｒａｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｓ ｔｈｅｙ ｕｓｕａｌｌｙ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒｉｔｙ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ—ｄｏｍａｉｎ ｃｏｕｐｌｉｎｇ．Ｐｕｒｅ
ｄａｔａ—ｂａｓｅｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｉｎａｄｅｑｕａｔｅ ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅｙ ｃａｎ’ｔ ｍｏｄｅｌ ｔｈｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ
ｃａｕｓａｌｉｔｙ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｂｏｎｄ ｇｒａｐｈ（ＢＧ）ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｍｕｌｔｉ—ｄｏｍａｉｎ ｓｙｓｔｅｍｓ；
ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ。ｉｔ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍｏｄｅｌ ｔｈｅ ｃａｓｃａｄｅｄ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ ａｎ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅ ａｎｄ ａ ｇｅａｒｂｏｘ．
Ｆａｕｌｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ｗａｓ ａｌｓｏ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ａ ｍｏｔｏｒ ｓｔａｔｏｒ ｗｉｎｄｉｎｇ ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆａｕｌｔ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ
ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ＢＧ ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｗａｓ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ／ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｎｅｒｇｙ
ｄｏｍａｉｎｓ ｉｎ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｃｅ ｏｆ ｆａｕｌｔｓ，ｔｏ ｄｉｓｐｌａｙ ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＢＧ ｍｏｄｅｌｉｎｇ
ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃｏｕｌｄ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ
ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｍｏｄｅ１ ｆｏｒ ＣＲＨ ５ ＥＭＵ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｎ ｂｏｔｈ ｎｏｒｍａｌ ａｎｄ ｆａｕｌｔｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＣＲＨ ５ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｕｎｉｔｓ（ＥＭＵ）；ｔｒａｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ；ｂｏｎｄ ｇｒａｐｈｓ ｍｏｄｅｌ；ｆａｕｌｔ ｉｎｊ ｅｃｔｉｏｎ
高速列车运行系统是大型复杂工程系统，与乘
客的人身、财产安全息息相关，对系统可靠性有极高
收稿日期：２０１５－０１—１１
要求Ⅲ．从高速列车产生伊始，其安全事故从未停止
发生 ．牵引传动系统是动车组关键组成部分，由受
基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１４９０７０３）；南京航空航天大学研究生创新基地（实验室）开放基金（ｋｆｊｉ２０１４１８）
第一作者：勇佳棋（１９９０一），女，硕士生，主要研究方向为故障诊断及容错控制．Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｏｎｇｊｉａｑｉｌ＠１６３．ｃｏｍ
通信作者：姜斌（１９６６），男，教授，博士，主要研究方向为故障诊断及容错控制．Ｅ—ｍａｉｌ：ｂｉｎｉｉａｎｇ ＠ｎｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ
第３期 勇佳棋，等：ＣＲＨ ５型动车组牵引部件键合图建模及故障注入 ２３７
电弓、主断路器、牵引变压器、牵引变流器、牵引电动
机及齿轮传动等部件组成 ］，部件间具有复杂能域
耦合关系，部件故障容易传播扩散，影响整个系统的
正常稳定运行．动车组牵引传动系统部件的模型建
立、故障诊断及传播机制是当前的研究热点．
ＣＲＨ ５型动车组牵引传动系统的多能域耦合、
非线性等特点使得系统建模困难．传统建模方法大
多局限于某一部件或能域，不能统一系统内不同能
域的变量，并揭示其因果关系．键合图理论的出现和
发展，为解决上述问题提供了一条新途径 ］．
作为一种图形化的建模方法，键合图法通过具
有明确物理意义的键合图元件和严格的因果关系，
形象地描述系统元件问的信息，深入描述系统内部
状态的变化过程，非常适合多能域系统的建模．同
时，由于键合图模型与实际物理对象间存在一一对
应的关系，并且元件间有着明确的因果关系，与传统
的基于模型、数据等故障诊断方法相比ｌ５ ］，基于键
合图的方法更容易揭示设备或系统内部的运行机
理 ］，为微小、渐变、复合故障的诊断与预测研究提
供便利．
１键合图基本原理
为解决多种能量并存系统的建模问题，Ｐａｙｎｔｅｒ
于１９５９年提出键合图理论，以向量形式给出复杂系
统的简练描述，适用于多变量复杂线性或非线性系
统，在机械、热力学、电子系统等工程技术领域得到
广泛应用．基于能量守恒原理，键合图法把不同能量
领域的多种物理量统一归纳为势、流、位移和动量等
４种变量，实现对整个系统模型充分完备的描述［８］．
不同能域的能量变量和键合图理论中的广义状
态变量间的对应关系见表１．其中：
势ｅ和流＿厂的标量积即功率为
Ｐ（ｆ）一 （ ）厂（￡）
广义动量表达式为
）一 ㈤ｄ￡
广义位移表达式为
）一
表１ 能量变量和广义状态变量
Ｔａｂ．１ Ｅｎｅｒｇｙ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ａｎｄ ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｓｔａｔｅ ｖａｒｉａｂｌｅｓ
使用键合图广义变量，仅需几种基本元件就能
统一表示多能域系统模型．在键合图理论中，有一通
口、二通口和多通口元件等９种基本元件（见表２），
每种元件能如实反映所描述器件的物理效应．一通
口元件只有１个功率传输进出口，势源和流源为外
环境对系统的作用，阻性元件为耗散功率的元件，容
性和惯性元件为储能元件．二通口元件含２个进出
口，输入侧的功率与输出侧功率相等，变换器描述势
与势、流与流之间的关系，回转器描述势与流之间的
关系．多通口元件也称作结点，０结（共势结）各功率
键的势值相等，流的代数和为０；１结（共流结）各功
率键的流值相等，势的代数和为０．
表２键合图基本元件
Ｔａｂ．２ Ｂａｓｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｂｏｎｄ ｇｒａｐｈ
在电能域中，０结相当于并联节点，１结相当于
串联节点．根据系统工作原理，按照一定步骤，能搭
建复杂系统的模型并得出相应的因果关系，以用于
故障诊断＿ｓ］．
２ 牵引部件模型及故障分析
牵引传动系统结构原理简图如图１所示．
接触网
图１牵引系统结构
Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
列车运行时，牵引逆变器输出０～２ ８０８ Ｖ三相
交流电源驱动牵引电动机，电动机的转矩和转速通
过齿轮变速箱传递给轮对，驱动列车运行，实现电能
到机械能的转换ｍ ．ＣＲＨ ５传动系统与其他动车组
２３８ 上海应用技术学院学报（自然科学版） 第１５卷
列车最大的区别在于，其传动系统采用牵引电动机＋
万向轴＋齿轮箱的结构［１ ．牵引电动机是涉及电能
到机械能转换的核心设备，为动车组提供必须的牵引
力［】 ．本文建立ＣＲＨ ５动车组牵引电动机和齿轮箱
的级联键合图模型，并进行易发故障注入研究．
２．１牵引电动机
动车组的驱动元件是结构简单、质量轻、性能可
靠的三相鼠笼型异步电动机．根据等效电路和所选
择的参考系，建立电动机键合图模型＿１ Ｈ］．基于等效
电路，在 参考系下建立牵引电动机Ｐａｒｋ模型，
其与固定坐标系间的转换关系如下：
一
岛
图２电动机等效模型
Ｆｉｇ．２ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ
丢一专
２一 ２
］
电动机的电磁转矩
Ｔ、邢一了 ＋ ｐ一 ｐ（ ｉ 一 ｉ ） （２）
Ｉｌ ｆＩ 一＾、／
∞
。
Ｊ
式中：ｉ ， 喁分别为ａ和 相转子电流．
磁通变量：
三相鼠笼式异步电动机的等效电路如图２所
示．Ｒ 、Ｒ 、Ｒ 分别为定子电阻、转子电阻和漏电
阻；Ｌ ，Ｌ ，Ｌ 分别为定子电感、转子电感和漏感；
∞ 一 × 为转子速度；Ｐ为极数； 一Ｐ／２为极
对数．
Ｒ：Ｒｓ 三ｓ 三ｐ Ｒ：Ｂ ｒ
（Ｌ ｒ＋Ｌｍ ＋Ｌｍ ｌ
一
（Ｌ ＋Ｌ ）ｉ ＋Ｌ ｉ印Ｊ
（３）
电能到机械能的转化可通过回转器（ＧＹ）实现．
参考表１、２，整个电动机的键合图模型如图３所示．
其中，，为转子惯量，ｔｚ为摩擦因数，ＭＳｅ是负载．
， 下
一ＴＦ
ｆ一
ｌ
。
ｆ０ｆ
图３电动机键合图模型
Ｆｉｇ．３ Ｂｏｎｄ ｇｒａｐｈ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ
２．２齿轮传动
２．３级联部件模型
牵引电动机将电能转换为机械能，通过转矩和
齿轮箱通过万向轴与电动机相连 ］．齿轮传动
可以用１个二通口元件变换器表示，传动比即变换
角速度的形式将能量传递给齿轮箱，给动车组提供
动力．因此，电动机的两相输出通过回转器将电能转
化为机械能传递给万向轴，再提供给齿轮箱．电动机
模数．齿轮箱键合图模型见图４．其中，Ｒ 和Ｋ 分
别为万向轴的摩擦因数和刚度．
Ｒ ｈ ｌ， ｈ
和齿轮箱连接后的完整键合图模型如图５所示．
２．４ 电动机绕组故障及分析
ｆ 脚
Ｏ— １ —．７ＴＦ —７ ｌ
牵引电动机基于电磁感应作用在转子中产生感
应电流，从而产生电磁转矩．牵引电动机的主要故障
图４齿轮箱键合图模型
Ｆｉｇ．４ Ｂｏｎｄ ｇｒａｐｈ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅａｒｂｏｘ
可分为定子绕组故障（１２．８９ ）、气隙偏心故障、转
子断条或端环故障（７．６４％）、轴承故障（４１．７７ ）
第３期 勇佳棋，等：ＣＲＨ ５型动车组牵引部件键合图建模及故障注入 ２４１
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