电力机车交流牵引电机故障诊断方案研究.docx

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电力机车交流牵引电机故障诊断方案研究

毕业设计（论文）

题目：

电力机车交流牵引电机故障诊断研究

系部：

机车车辆系

专业：

铁道机车车辆

学生姓名：

佟阔

学号：

指导教师：

顾贺

2015年5月10日

题目：

电力机车交流牵引电机故障诊断研究

系部：

机车车辆系

专业：

铁道机车车辆

学生姓名：

佟阔

学号：

文献综述：

随着经济的发展,铁路建设迅速发展,铁路运行安全的重要性日益著。

交流传动电力机车在我国铁路跨越式发展的背景下将成为开发应用的主流机车。

牵引电机作为交流电力机车的核心部件之一,其工作环境恶劣、负载变换频繁、动力作用大等因素使牵引电机较易出现故障。

牵引电机的安全运行关系到整个列车的行车安全,展开交流牵引电机的故障诊断具有重要意义。

一、国外交流牵引电机的发展概况

1、早期发展阶段1891~1892年德国西门子公司试验成功了三相交流电源直接供电的最早的绕线式转子异步牵引电动机。

1898年德国西门子公司在一台两轴车上安装了变压器，并由三根架空线提供10kV、50Hz的三相交流电。

该车采用了三相绕线式异步牵引电动机。

1903年德国试验线上交流传动车辆的最大速度达到210kmh的世界第一速，采用的是三相异步电动机。

80年代至今，随着磁场定向控制和直接转矩控制等交流传动控制技术的发展，德国、法国、日本、美国等各国已研制出多种型号的交流传动电力机车、交流电传动内燃机车和高速电动车组。

二、国内交流牵引电机的发展概况

交流牵引电机伴随着交流传动技术的研究始于上世纪70年代初，当时只进行一些理论研究和地面试验，采用过交流异步电动机和同步电动机。

上世纪90年代我国由南车株洲电力机车研究所有限公司和铁道部科学研究院共同研制的、功率达1000kW的电力牵引交流传动系统获得成功，采用的是交流异步电动机。

在此基础上，由南车株洲电力机车有限公司和南车株洲电力机车研究所有限公司于1996年共同研制的我国第1台4轴4000kW交流传动电力机车（原型车）诞生。

该车以AC4000命名，采用JD103型三相异步电动机，标志着我国电力机车进入交流传动时代。

1999年9月我国首台交流传动内燃机车“捷力型”调车内燃机车研制成功，采用JD108型交流异步牵引电动机，标志着我国内燃机车进入交流传动时代。

2000年我国首批投入商业运营的国内单轴功率最大、达到国际先进水平的交流传动高速客运电力机车“熊猫号”和高速动车组“蓝箭号”诞生，它们采用的是三相异步电动机。

2000年6月由大连机车车辆厂和西门子公司合作研制生产的2台DF4DAC型交流传动内燃机车落成，该车与后来的SSJ3型电力机车均采用交流异步电动机。

2001年5月由浦镇车辆厂研制的“先锋号”动力分散型动车组，采用JD106S异步牵引电动机。

2003年戚墅堰机车车辆厂研制的2台DF8CJ交流内燃机车采用JD123交流异步牵引电动机。

2004年以来通过引进国外高速重载、高速动车的先进技术，立足国内，自主创新，已取得了实质性的成果，将我国交流传动技术和交流牵引电机技术提升到国际一流的水平，诞生了具有我国自主知识产权的DJ1、DJ2、DJ4、HXD1、HXD2、HXD3以及HXN3、HXN5大功率交流传动电力和内燃机车，也诞生了CRH1、CRH2、CRH2-300、CRH3、CRH5、CRH380A系列高速动车组，产生了大功率以及高速的异步牵引电机YJ116A、YJ85A、YJ90A、YJ87A、YJ105A、YJ92A、JD160、JD121、JD123等系列电机，使我国交流牵引电机研发与发达国家的差距大大缩小，使我国交流牵引电机研制真正进入一个新时代。

三、目前存在的问题

由于牵引电机的工作条件恶劣，其轴承常见故障症状有保持架铆钉松动、断裂或外围挡边偏磨，滚性及滚道剥离、灼痕、拉伤、裂纹、歪磨或径向间隙增大，内圈松动或咬死，轴电流电蚀及润滑脂变质，轴承甩油箱松动变形等。

因此往往引起振动及噪声增大，导致小齿轮碰撞磨损、绕组绝缘损伤、联接线断裂、换向不良、引起接地或环火、甚至发生转子咬死难于转动而裂轴等恶性事故

四、电力机车交流牵引电机故障诊断研究的意义

我们相信，到2020年，我国的电气化铁路将从南疆延伸到北国，从山区在新的历史条件下，我们遇到了很多新问题，出现了很多新困难。

但是，体制改革与机制转换、结构调整与技术改造，正在为我国电力机车新一轮发展奠定基础；铁路加大投入，加快建设，电力牵引又是牵引动力改革的发展方向，这为电力机车发展提供了新的机遇，开辟了新的市场。

这种牵引动力的变革促使机车空气管路系统的不断改进。

我广泛走向平原主要繁忙干线，营业里程将跻身世界前列，交流传动电力机车将奔驰在神州大地，我国电力机车工业将跻身于世界舞台，为我国国民经济和铁路运输发展作出我们新的贡献，为中国赢得新的荣誉。

主要参考文献：

[1]朱龙驹.韶山四型电力机车[M].北京：

中国铁道出版社，2001

[2]辛大娟.电力机车电器检查与维护[M].成都:

西南交通大学出版社，2007

[3]潘京涛.电力机车电机检查与维护[M].成都:

西南交通大学出版社，2009

[4]潘京涛.电力机车故障分析与处理[M].北京:

中国铁道出版社，2010

[5]张有松.韶山4型电力机车[M].北京:

中国铁道出版社，2006

[6]华平.电力机车控制[M].北京:

中国铁道出版社，2003年

[7]周平.铁道概论[M].北京:

中国铁道出版社，2007

[8]李晓村.机车新技术概论[M].成都:

西南交通大学出版社，2006

[9]张龙.电力机车电机[M].北京:

中国铁道出版社，2008

[10]张中央.电力机车检修[M].北京:

中国铁道出版社，2009

[11]张开文.制动[M].北京:

中国铁道出版社，2006

[12]张琳.电力机车电器[M].成都:

西南交通大学出版社，2008

[13]刘友梅SS4B型电力机车[M].北京:

中国铁道出版社，2003

[14]连级三电力牵引控制系统[M].北京:

中国铁道出版社，2005

[15]郭世明.电力电子技术[M].成都:

西南交通大学出版社，2009

研究方案:

理论基础

论文是基于采样模拟牵引电机定子电流信号,运用小波包分解算法分析 和处理电机故障信号,并提取出有效的电机故障特征向量,应用BP神经网络实现了对牵引电机较为常见的电气和机械故障的综合诊断模拟实验。

二、研究方法

论文采用定子电流法,在总结和汲取前人研究成果的基础上,以DJl 型机车为例,对牵引电机的故障机理和诊断方法进行了研究。

同时分析和总 结了电机发生电气故障和机械故障时的特性,揭示了各种电机故障与特征频 率之间的内在联系,并提出了一种模拟牵引电机故障信号的方法。

三、研究步骤

实现了基于MB90F334的交流牵引电机故障综合诊断板卡, 编写了板卡驱动程序,并将gCOS.I实时操作系统和基于小波包一神经网络 故障诊断的算法移植到单片机中。

同时,通过数据采集板卡模拟牵引电机故 障信号,电压限幅保护电路与基于嵌入式系统的牵引电机故障综合诊断系统 相连,并通过LCD屏对诊断结果的实时显示,建立起牵引电机故障综合诊断 实验平台,并通过实验验证了论文方案的可行性。

四、预期成果

论文只对三种故障模式进行智能诊断,但是在实际生产过程中,牵引 电机还有可能发生其它种故障,对于这些故障本论文所设计的故障综合诊断 装置是无能为力的。

因此今后可以根据实际需要,适当地扩大故障模式的个 数,进一步完善系统的诊断功能,以提高系统的性能。

毕业设计（论文）进度安排：

序号

毕业设计（论文）各阶段内容

时间安排

备注

1

找到指导教师，领取题目

2015.3.09

2

由指导教师填写任务书（电子版）

3.10-3.14

3

查找论文有关的资料并进行整理

3.15-3.19

4

撰写并提交开题报告（电子版）

3.20-3.25

5

写出论文的初稿

3.26-4.20

6

对论文进行修改

4.21-4.26

7

听取老师的意见，进一步修改论文

4.27-5.04

8

提交论文（纸质版）

5.5-5.10

9

论文答辩

5.18

指导教师意见：

该生通过与课题组成员和老师进行了充分讨论，参考了许多文献，确定了具有一定实用价值的课题。

本课题初步确定了内燃机车机油压力低的原因与分析设计思路基本明确，通过设计和研究可以提高铁路运输质量，本课题的研究方法和研究步骤基本合理，难度适合，学生能够在预定时间内完成该课题的设计。

同意该课题开题。

指导教师签名：

审核日期：

年月日

题目：

电力机车交流牵引电机故障诊断研究

系部：

机车车辆系

专业：

铁道机车车辆

学生姓名：

佟阔

学号：

毕业设计（论文）完成情况（包括设计图纸、说明书、实验报告、计算机软硬件、外文翻译及摘要、论文书写及规范化等）评价：

毕业设计（论文）成果质量评价意见：

学生工作态度和考勤情况评价：

开题报告的评定成绩：

总成绩：

____指导教师（签名）：

________日期：

年月日

题目：

电力机车交流牵引电机故障诊断研究

系部：

机车车辆系

专业：

铁道机车车辆

学生姓名：

佟阔

学号：

毕业设计（论文）完成情况和成果质量（工作量、任务难度、专业理论的运用、综合运用能力、资料的充足与可信情况、成果水平）评价意见：

答辩表现评价意见：

评定成绩：

答辩组长：

日期：

年月日

摘要

随着列车向高速化方向发展，铁路行车安全的重要性越来越突出。

在我国铁路跨越式的大背景下，交流传动电力机车的核心设备之一，它的安全运行关系到整个列车的行车安全，因此开展对交流牵引电机的故障诊断研究是非常必要的。

论文在总结和吸取前人的研究成果的基础上，以DJ1型机车为例，对牵引电机的故障机理和诊断方法进行了研究。

针对牵引电机的工作机理，系统分析了电机在发生定子匝间短路故障轴承故障和转子气隙偏心故障时的表现特性，提取出了电机在故障时相应的特征频率，揭示出各类故障与特征频率之间的内在联系。

牵引电动机作为电力机车主要电气设备之一，其质量的好坏对机车整体质量起着至关重要的影响。

在铁路的发展历史中，牵引电动机是重要的组成部分之一。

牵引电动机是有高可靠性、好精确度、快速响应的特点，与此同时，牵引电动机也具有故障率高和运用保养质量可以直接决定电动机的使用寿命的特点。

虽然近年来，在制造厂家与各科研部门的共同努力下，牵引电动机基础质量得以不断提高；但由于受机车长交路、大提速恶劣环境以及超吨位等多种运用条件因素影响，对牵引电机使用性能提出更高的要求，因此落修率依然较高，给检修生产带来一定的压力。

本文对造成牵引电机的主要惯性故障原因进行深入分析，提出在检修运用中相应的解决对策，希望能对牵引电机运用的可靠性和安全性起到积极作用。

关键词牵引电机故障原因处理措施

目录

摘要I

目录II

第1章绪论1

1.1早期发展阶段1

1.2近代发展阶段1

第2章电力机车牵引电机的技术资料3

2.1交流变频牵引电机3

2.2牵引发电机3

2.3辅助电机4

2.4发展趋向4

第3章电力机车牵引电机的结构图纸5

3.1MitracTM3800F型电机横剖面图5

3.2大过盈附件应力6

3.3大过盈结合压强6

第4章电力机车牵引电机的检修工艺资料7

4.1检修工艺特点：

7

4.2采用“三新”技术使用情况8

4.3传统的故障诊断方法9

4.4故障的智能诊断方法9

第5章电力机车牵引电机故障统计数据及其分析11

5.1交流牵引电机常见故障11

5.2交流牵引电机常见故障的机理分析12

5.3改进措施15

5.4牵引用铅酸蓄电池使用须知及注意事项15

结论17

致谢18

参考文献19

第1章绪论

1.1早期发展阶段

1891~1892年德国西门子公司试验成功了三相交流电源直接供电的最早的绕线式转子异步牵引电动机。

1898年德国西门子公司在一台两轴车上安装了变压器，并由三根架空线提供10kV、50Hz的三相交流电。

该车采用了三相绕线式异步牵引电动机。

1903年德国试验线上交流传动车辆的最大速度达到210km+-2k（1-s））F（2-2）

另外，由分析知，在电机正常时电流中的谐波成分同式（2-2），但由于可知当定子故障时，各谐波频率的幅值将发生变化，并且由于绕组的对称性的破坏使高次波增加，故n的取值较正常时多，并不出现+-（1-2s）F分量。

2、轴承故障机理分析

由于轴承是牵引电机系统中的一个重要部件，轴承故障所产生的振动会影响电机的磁通变化，这些变化在定子电流中会有一定的反映。

因此，利用电流信号对轴承故障有也可以进行故障检测。

表2-1分别列出4种故障的特征频率。

表2-1轴承故障振动特征频率

外环缺陷故障频率

Fb=（N2）Fr<1-BDcos（B）PD>

内环缺陷故障频率

Fb=（N2）Fr<1+BDcos（B）PD>

滚动体缺陷故障频率

Fb=（PDBD）Fr<1-BDcos（B）PD2>2

保持架故障频率Fb=（Fr2）<1-BDcos（B）PD>

其中，Fr为电机轴承转频，N为滚珠数量，BD为滚珠直径，PD滚珠分布直径，B为接触角。

在理想状态下，电机气隙磁通密度波形是对称的。

如果电机轴承发生故障，则波形将畸变。

电机内部磁场的畸变会引起电机出线端电流量的变化。

通过对电机故障状态下磁场的理论分析，获得的电机滚动轴承故障的钉子电流特征频率表达式：

Fbs=NZFr+-NbFb+-F

其中Z为转子槽数，Fr为电机轴承转频，Fb为轴承频率，F为电源基波频率，N=1,2,3

3、转子偏心故障机理分析

对于偏心故障的机理，相关学者做了比较深入的研究，主要是分析电机在偏心故障下的气隙长度与气隙磁导，计算出气隙中的磁势，并根据气隙磁势和气隙磁导求出气隙磁通，分析其中产生的各种谐波，从而判定故障是否发生。

偏心故障的特征频率分析主要有两种分析方法：

（1）通过磁场分析，其过程为根据定转子开槽气隙磁导和偏心引起的磁导求出联合磁导分布，导出系统磁通密度分布规律，确定故障特征频率。

偏心故障的电流特征频率公式：

（2）通过电场分析，建立的偏心故障的公式：

f=（n+-k（1-s））f（2-5）

n=1,2,3,k=1p,p,.对比两式，（2-5）是上式的特殊情况，式（2-4）中，k=0时，两式的表达式一样。

另外，偏心故障引起的磁通变化在磁通信号中引起式（2-5）所的频率分量变化：

Ff=f+Fr（2-6）

其中，f为电源基数波频率，Fr为电机转速。

如果在牵引电机中有静态偏心存在的话，动态偏心可以在异步电机的电流中产生（2-6）所的频率分量。

原因是故障导致气隙磁导的变化，最终在定子绕组中产生式（2-6）所示的频率分量。

5.3改进措施

为满足机车对电机的运行要求，并且在尺寸和重量受限制的情况下，MitracTM3800F型牵引电机采用如下设计方式：

为满足尺寸要求，在设计中采用高的电磁负荷磁参数，用高耐热等级的绝缘材料，高的硅钢片和高强度的转轴等材料，选用高的加工精度要求，为达到这些要求，制造中采用数控加工，真空压力浸漆和中频感应钎焊等精细的工艺，为满足重量要求，在设计中采用无专门机座的轻量化结构，通过选择合适的极数来控制电机重量。

本电机设计采用了无座机化定子铁芯，转子整体感应焊接，进口绝缘轴承等技术。

通常为防止尖峰脉冲对电机绝缘的换坏，还采用了耐电晕绝缘材料，这是为防绝缘失效所采用的一项有效措施，为了防止轴电流对轴承的电视，采用了绝缘轴承。

5.4牵引用铅酸蓄电池使用须知及注意事项 

1、合格的牵引铅酸蓄电池充、放电次数不低于750次（每次充电后可连续使用5-6小时）。

2、电池在使用过程中，应避免过放电及长时间大电流放电（例如：

叉车长时间工作，电压低于４2Ｖ甚至叉车不能正常行驶），否则会严重影响其使用寿命。

3、电池正常放电后应及时充电，充电时应避免过充电（例如：

为了晚间加班使用，　中午进行短时补充电），长时间如此，不但会造成蓄电池组长期充电不足，使用时间短，还会因为低效的充放电次数积累对电池寿命带来极大影响。

4、充电过程中，电解液温度不得超过55℃（充电过程中必须随时检测）。

5、经常检查电池液面高度，发现异常需及时调整（添加蒸馏水、千万不能添加电解液）。

6、每月应对电池进行均衡充电一次（经常进行补充电应十天进行一次）。

结论

以上通过理论与实践做出的一些想法，检修必须抱着严谨的态度，不得有一丝的马虎，该换的部件必须换，该清洗的部件必须清洗，否者会造成机破人亡的情况。

牵引电机作为牵引传动系统的核心部件，具有举足轻重的地位，了解了一些牵引电机的故障的原因和解决方法

1、轴承故障

是发生在机械方面最主要的故障，而且问题往往较复杂，还导致了别的故障发生。

由于牵引电机的工作条件恶劣，其轴承常见故障症状有保持架铆钉松动、断裂或外围挡边偏磨，滚性及滚道剥离、灼痕、拉伤、裂纹、歪磨或径向间隙增大，内圈松动或咬死，轴电流电蚀及润滑脂变质，轴承甩油箱松动变形等。

因此往往引起振动及噪声增大，导致小齿轮碰撞磨损、绕组绝缘损伤、联接线断裂、换向不良、引起接地或环火、甚至发生转子咬死难于转动而裂轴等恶性事故。

（1）轴承损坏。

更换轴承。

（2）轴承与轴配合过松或过紧。

过松时在轴承上镶套，过紧时重新加工轴到标准尺寸。

（3）电机两端端盖或轴承未装平。

将端盖或轴承止口装平，旋紧螺栓

2、主附极和补偿绕组接地

原因：

机座内面尖棱、焊瘤、凸台及线圈护罩和弹簧垫板压伤绝缘，更多的情况是主附极线圈在运行过程中受到频繁的振动冲击，致使线圈或紧固螺栓松动，

致谢

时光荏苒，岁月如歌，三年的时光转瞬而过，但往事难忘。

我的论文顺利完成，和老师同学们的帮助是分不开的。

值此论文完成之际，谨向给予我指导、关心和支持的人们表示由衷的感谢，正是你们热心的帮助和鼓励，才使我不断取得进步。

首先感谢我的导师顾贺，使我从这次论文的撰写，能够系统、全面的学习有关电力机车牵引电机方面的知识，并得以借鉴众多学者的宝贵经验这对于我今后的工作生活无疑是不可多得的宝贵财富。

同时，论文中的归纳和阐述若有疏漏和不足的地方，欢迎顾老师的指正。

我将不忘导师的教育之恩，继续努力工作和学习，还要感谢老师对我的信任和帮助，给我锻炼和提高自己的机会，感激之情，述之不尽，只好言止于此。

参考文献

[1]朱龙驹.韶山四型电力机车[M].北京：

中国铁道出版社，2001

[2]辛大娟.电力机车电器检查与维护[M].成都:

西南交通大学出版社，2007

[3]潘京涛.电力机车电机检查与维护[M].成都:

西南交通大学出版社，2009

[4]潘京涛.电力机车故障分析与处理[M].北京:

中国铁道出版社，2010

[5]张有松.韶山4型电力机车[M].北京:

中国铁道出版社，2006

[6]华平.电力机车控制[M].北京:

中国铁道出版社，2003年

[7]周平.铁道概论[M].北京:

中国铁道出版社，2007

[8]李晓村.机车新技术概论[M].成都:

西南交通大学出版社，2006

[9]张龙.电力机车电机[M].北京:

中国铁道出版社，2008

[10]张中央.电力机车检修[M].北京:

中国铁道出版社，2009

[11]张开文.制动[M].北京:

中国铁道出版社，2006

[12]张琳.电力机车电器[M].成都:

西南交通大学出版社，2008

[13]刘友梅SS4B型电力机车[M].北京:

中国铁道出版社，2003

[14]连级三电力牵引控制系统[M].北京:

中国铁道出版社，2005

[15]郭世明.电力电子技术[M].成都:

西南交通大学出版社，2009