机车牵引电机常见故障分析及改进.docx
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机车牵引电机常见故障分析及改进
SS4G型电力机车牵引电机常见故障分析及改进设计
第一章绪论
1.1研究背景
铁路在我国交通系统当中占据了举足轻重的地位，铁路的发展会直接影响到我国的国计民生，因此我国政府对铁路也极为重视，并出台了很多政策文件用于推动铁路业的发展。
随着经济和社会的发展，我国铁路建设业快速发展。
电力机车牵引电机是电力机车中的核心部件，但是牵引电机处于的工作环境比较恶劣，而且工作强度比较高，所以牵引电机很容易出现故障。
文章主要就故障处理和维护保养两个方面对电力机车牵引电机进行研究，保证列车运行的安全稳定，保证货运和乘客的安全，保证铁路运输的经济效益。
我国铁路系统的运输方式主要有两种，分别为内燃机车与电力机车，两者均在我国经济发展的过程中发挥了巨大的作用。
我国政府在深入分析资源情况以及实际国庆后，决定今后将重点发展电力牵引类型的铁路工具，并希望将蒸汽机车逐步替代为内燃机车与电力机车。
在电力机车当中牵引电机非常重要，其可以在工作的过程中对电能进行转换，使其成为机车运行的动力。
在制动状态下，电力机车的牵引电机就可以通过转换使机械能成为电能。
现阶段，国内最为常见的机车就是交流电力机车，交流电机体积较小，而且结构并不复杂，适用于空间并不充裕的电力机车。
我国相关部委极为重视如何推动电力机车稳定安全的运行？
便就此作出了众多的工作，假如电力机车在运行的过程中产生故障，那么就将影响正常运行，发生严重的安全事故。
威利人身安全将影响国民经济的发展。
电力机车零部件多，功能复杂。
除此之外，电力机车的系统极为复杂，而且在运行的过程中会表现出很多动态的特性，因而就可能会产生众多不同类型的故障。
故障有很多种，它们是相互关联的。
1.2研究意义及目的
电力机车当中的牵引电机可以接收主变压器提供的电能，并对其进行转换，从而为车辆提供动力。
牵引电机具有较为复杂的结构，而且工作工况较为恶劣，所以电力机车能否稳定的运行就会直接受到牵引电机安全性与可靠性的影响。
当牵引电机出现问题，那么就很可能会造成极为严重的事故，引发恶劣的社会影响，并且造成巨大的损失。
在我国各项实力不断提升的过程中，铁路事业也得到了进一步的发展，怎样才可以使电力机车能够稳定安全可靠的运行，成为了现阶段国内铁路部极为关注的一个问题。
如想确保电力机车安全的运行，就需要拥有相关的技术，比如说诊断技术以及故障检测技术等。
基于此，本文针对牵引电机在工作过程中可能产生的故障进行了研究，研究的内容主要有故障的类型与现阶段常用的诊断技术。
电力机车当中包含了众多的零件，而且结构极为复杂，只有所有零件均能协调的配合、稳定的工作，才能够确保车辆安全的运行。
由于电力机车是一种极为先进、精密的车辆，所以各个部分出现问题都可能会引发相应的故障，因而电力机车的故障也种类繁多。
对各种故障进行整理分析不难发现，大致可以将故障分为4种类型，具体为制动系统、空气管路、机械以及电气故障。
在上述故障当中，出现最为频繁、种类最为繁多的是电气故障，此类故障一般出现于机车的牵引电机、微控系统、主变压器以及受电弓当中。
在长时间高负荷的工况下，受电弓很容易出现磨损的现象，所以就很难有效的传输电能。
而外界因素对于主变压器的影响较为明显，在外部因素的作用下，主变压器就可能无法稳定的输出电压，因而影响到车辆的运行。
对于电力机车而言微控系统极为重要，其属于一种核心的结构，会直接影响到车辆能否稳定的运行。
微控系统当也集成了大量的电路以及器件，所以也可能会产生相应的故障。
电力机车当中的牵引电机是整个车辆的动力源，同时该结构也较为复杂，因而也可能会产生相应的故障。
索引电机的稳定性、可靠性会直接影响到车辆的安全，所以针对牵引电机进行研究具有重要的实践价值。
第2章SS4G型电力机车牵引电机系统原理介绍
本文主要针对SS4G型号的机车进行了研究，该机车的系统选择了单轴独控的控制技术，牵引电机的牵引和再生制动控制采用交-直-交变频器技术。
整车当中的牵引变流设备共有6个，这6个设备并无差异。
设备当中共有三种电路，分别为输出电路、中间电路与整流电路。
电路当中集成了大量的传感器，各传感器的主要功能是收集数据为处理器的控制提供依据，下图为数转换器的电路原理图。
整流之后，主变压器可以提供2100伏的交流电压、3775伏直流电流，整流后增加一个辅助电容。
支撑电容不但能够实现预充电的功能，此外，其还可以对中间电路的波纹进行吸收，从而维持逆变器和整流器的平衡。
图1
在整流之后，主变压器提供的直流电当中也存在一些谐波，所以就会对逆变器的输出质量产生一定的影响，所以就需要在电路当中设计二次滤波。
二次滤波器由与中间直流电路并联的LC串联谐振电路组成。
三相逆变器通过调制控制中间电路的直流3775V电压，通过转换获得频率以及电压能够调整的三相交流电，并提供给牵引电机。
SS4G型电力机车有较大的适用范围，在设计的过程中，研究人员一般会采用标准化、系统化的方式。
现阶段国内电力机车的转向架、车体结构、控制系统以及传动系统等均已达到了世界先进水平，zd105型号的异步电机为SS4G机车当中使用的电机，该电机的安装方式为全悬挂，其冷却方式为强迫通风式冷却。
该电机具有大量的优点，比如说效率高、扭矩大、转速快等，其具体的参数如下表所示:
额定功率
800KW
额定电压
1020V
最高电压
1180V
额定电流
840A
最大电流
1200A
绝缘等级
H/F
齿轮传动比
4.19
额定转数
960r/min
重量
3970kg
传动方式
双侧斜齿轮传动
电枢绕组型式
单叠绕组
主机线圈绕制型式
扁绕压弧
冷却方式
强迫通风
电刷尺寸
22×36×50mm
风量
1.26
额定效率
94.05%
轴承、转子与定子是电机的主要构成部分，其中转子的主要构成部分是前后压板、导杆与铁芯，而定子的主要构成部分是绝缘体、机架与定子线圈，两者之间存有一定的空隙，并且两者的结构会对牵引电机的性能产生明显的影响。
第3章SS4G性机车牵引电机常见故障分析
3.1定子故障
定子故障主要有两种，分别为铁芯与绕组的故障。
绕组故障主要是指匝间以及层间的绝缘击穿，这种故障的根源是，电机在运行的过程中线圈发生松动引发垫条磨损、绝缘材料不满足要求、生产过程中绝缘体遭到损伤以及未能以合理的方式设计绝缘体等；牵引电机的工况较为恶劣，其时常会处于过电压以及过载的状态，因而绕组就会快速老化，所以就可能引发击穿绝缘层或是绕组接地的问题；在强振动、电磁力的共同作用下，就可能会导致焊点开焊，进而引发断路的问题。
电定子故障主要是匝间与层间发生的故障，当出现短路的现象后，就会提升气隙磁场强度，导致发间温度升高。
假如没有及时诊断，并且排除故障，那么就可能会引发更为严重的问题；铁芯故障主要是指，在生产牵引电机时，未能以恰当的方式封装铁芯，由于铁芯安装的不合理，所以就会使绝缘体长期处于剧烈震动的状态，最终就会降低电机的使用寿命。
图2鼠笼式异步电机结构图1.轴套2.轴承3.散热扇4.构架5.定子6.转子7.轴承
牵引电机当中zd105型号的定子故障也大致与上述故障相同，具体为绕组接地、相间短路与匝间短路等。
由于电机的工作环境存在大量的灰尘、水分，同时材质在使用的过程中也会出现不同程度的老化，所以定子绕组就很容易出现问题。
除此之外，环境当中的机械振动以及电磁力等也会对电机产生一定的影响，从而出现局部过热的现象，进而打破电流对称性，导致电机出现剧烈抖动、蜂鸣等，使车辆无法稳定正常的运行。
主要有三方面原因导致绕组断裂烧损，其一，材料具有一定的分散性，电机电子绕组当中的电磁线选择的铜材当中存在杂质、气孔，并且晶格无法均匀分布，因此在长时间工作后就会产生疲劳，进而导致材料的力学性能下降，出现断裂受损的问题。
其二，未能以合理的方式设计引线，假如电机发生剧烈震动，剪应力就会作用于焊点之上；当牵引电机温度变化和环境温度差时，导线端部的焊接接头承受拉应力，当牵引电机处于振动状态时，导线端部的焊接接头承受拉应力。
在拉应力与剪应力共同的作用下，接头就很可能出现断裂的问题。
其三，未采用合理的焊接工艺，中性环以及线圈引线都会受到温度的影响，假如在焊接时并未能注意到这一点，那么就可能会产生填料过多、时间过长、温度过高等问题，使晶格过于粗大，无法实现预期性能，最终就可能会引发引线击穿的问题。
图3
1.焊接热影响区2.焊接热影响区+引线拐弯3.引线头拐弯处4.并头端线圈绕损
3.2转子故障
转子故障主要包括本体故障与绕组故障。
本体故障通常表现为转子偏心与失衡两种现象。
而绕组故障主要有匝间短路、绕组击穿、端环开裂以及转子断条等。
除此之外，假如未能选择符合要求的材料生产导条，或是未能以恰当的方式焊接端环与导条，也都可能使局部存在一定的内应力，因而在投入使用后就会产生严重的问题。
例如噪声过大、转差率过高、速率下降等，同时上述故障还会导致电机发热严重，热应力以及磁场力无法均匀分布，因而就会扩大故障影响的范围，甚至会对车辆的安全造成不同程度的影响。
zd105电机的端环与导条焊接位置并不厚实，因此启动电机的瞬间或是在高负荷运作的过程中，由于较大的机械应力与热应力就可能使导条产生疲劳，当超出疲劳极限后就会引发断裂的问题。
假如出现断条故障，那么电机的噪声就会明显增加，同时电流波动也会更为明显，电机转速无法保持稳定，并且装置的温度也会迅速升高。
除此之外，转子运行也会受到气隙偏心故障的影响，该故障主要包括动态与静态偏心故障两种情况。
其中转轴弯曲是引发动态故障的主要原因，轴承摩擦、机械共振等也会导致出现动态故障。
而静态故障的原因通常为铁芯未能准确定位或是内径并非正圆形。
假如出现偏心故障，那么通常动态与静态故障会共同出现，故障的具体情况可以通过特征频率进行分析。
压缩机漏油问题整改措施不力，油从车上排油孔流进第4位电机接线盒中，渗入电机定子绕组，造成电机内油灰过多，污染绝缘，电机绝缘散热不良、漏电流大（在洛阳机务段整备线漏电流测试统计中第4位电机漏电流普遍比其他位电机偏高），长时间积累后最终导致电机落修。
轴承烧损造成电机扫膛，造成电机定转子绝缘的损坏，故障机车为外段接回的机车。
电机轴承安装问题出现电机窜油。
齿轮断齿落修，故障机车为外段接回的机车。
换向器镟削不良这个问题发生在车上无法精确测试换向器椭圆度，而该电机由于换向器镟削不良造成电机换向器发黑，导致电刷过量磨耗，换上了D374BAP型电刷，而当时江岸厂电刷造成大面积电机换向器发黑，其余电机为的D347B电刷，电机换向正常，因此就会对检修人员的判断造成一定的影响。
假如未能准确判断原因，并进行及时检修，那么发黑问题就会不断加重，频繁出现碎刷等问题。
有时工作人员未能发现环火的问题，而在完成合闸操作后继续运行；尽管在短时间以内轻微的很火并不会引发电机落修的问题，不过假如长时间保持轻微环火状态，那么电机也会受到不同程度的损伤，最终引发相应的问题。
坡度较大的地段是电机故障出现最为频繁的区域，为了爬上高坡，电机就需要提高转速，因而就会恶化转向条件，加大振动与冲击，所以绕组与绝缘体就有可能会发生松动，导致形成相应的故障。
3.3轴承故障
轴承是一种寿命短的电机部件，故障概率较大，机架与电机轴分别为外环与内环的安装结构，电机在工作的过程中，会有较大的负荷作用于转子与内环之上。
通常来讲，假如轴承出现故障，那么电机的振动就会变得更为明显。
由于电力机车内部牵引电机设计了滚动轴承，所以就有可能会经常出现轴承故障。
在电机工作的过程中，接触应力会不断作用于轴承之上，所以就可能会引发轴承点蚀的问题。
出现轴承故障后，电机轴承的结构就会遭到不同程度的损坏，进而转轴就会发生明显的震动，使电机当中无法均匀的分布磁场，最终影响到车辆的稳定运行。
保持架、轴承、外环、滚动体以及轴承内环等是轴承装置的主要构成部分，上述任何部分发生故障都会使轴承无法正常工作，比如说可能会引发滚动体松动、部件裂纹的问题。
图4
从轴承早期失效形式上看，轴承外油封变色和外窜解体后而内部正常的为故障初期阶段，此时若不及时落修，最终会造成轴承烧损。
轴承损坏通常三种状态。
第一，传动端轴承内套剥离，非传动端轴承正常。
图5
第二，传动端轴承内套剥离且伴随贯通性裂纹，非传动端轴承正常。
图6
第三，传动端、非传动端轴承均正常，但有裂纹。
图7
针对裂纹轴承进行检测后发现，裂纹区当中存有杂物，杂物属于非金属的脆性物质。
由于杂物的存在，因此轴承在工作的过程中就很容易产生疲劳裂纹，在裂纹不断发展的过程中，引发内环断裂的问题。
由于在齿轮箱当中封存了轴承的外油封与外盖，所以轴承室也很可能会进入部分油雾，假如油雾当中混有杂质，就会出现摩擦生热的现象。
比如说，在针对某一外封环变色的轴承进行解体检查后发现了金属异物，由于金属异物的存在，就使得外盖与外封环出现了磨损变色的问题。
在磨损的过程中会提高局部的温度，因此外盖的颜色就会发生变化。
拆解工艺不科学的问题也在排查的过程中经常发现，比如说未根据相关规定拆解轴承内套，而采用了火焰加热的手段进行拆解。
再比如说游隙测量精度未符合相关标准的要求，在测量后发现游隙超标的问题。
除此之外，相关人员未以规范的方式针对轴承室进行测量的问题也时有发生。
上述问题均可能导致未能平行安装轴承，从而导致发生相应的故障。
第4章改进措施
4.1定子故障改进
各厂商需要提高电磁线技术要求、严格针对铜材的质量与机械性能进行控制，并且把关电磁线的质量。
为了降低铜材当中杂质的含量，可以选择TU1无氧铜，可以通过显微镜对晶格进行观察，确保并不存在裂纹、夹杂以及无气孔的问题，并且要使晶格平均粒径低于20毫米。
针对电磁线的屈服强度、延展性、拉伸强度以及电阻率等进行计算。
在首次针对某批原料进行检验的过程中，还需要进行氢脆、电气性能、金相、拉伸、渗透以及化学成分等方面的实验与检验。
通过补焊工艺、冷却方式、参数控制、领导生产以及人员培训等方式对焊接与加工工艺进行规范，从而提高绕组的质量，并针对牵引电机提高检测标准，将标准定为三相冷直流向电阻平均线电阻的1%。
优化导线结构，提高先进检修水平，在综合改造引线结构后，使引线的塑性得到增强，并且使其具有良好的性能。
提高了产品的可靠性和稳定性。
4.2转子故障改进
交流牵引电机是轨道交通车辆的核心部件。
它分为两部分，分别为转子与定子，旋转轴的主要作用是传输动力。
部分厂商在生产出电机后，由于未能进行妥善的保管，所以就可能会出现转子生锈以及磕碰损伤的问题，如由于上述问题而导致转子报废，那么就会为企业造成极大的损失。
当转轴发生磨损后无需针对转子整体进行更换，而仅需更换转轴就能使转子实现正常功能，因而就能够有效的避免浪费，实现转子铁心的再利用。
从转子中抽出原报废的旋转轴需要可靠的技术力量，同时保证轴的抽出过程。
不影响转子铁心的性能。
启动感应热设备之后，就会由于电磁感应形成交变磁场，在铁芯处形成感应电流。
感应电流在转子截断的情况下无法均匀分布，并由由外向内逐渐降低，通过转化电流获得热能，达到加热铁芯外部区域的目的。
感应加热后，转子铁心表温度低于300℃，转子铁心表不局部过热。
芯部内腔在设计的过程中需要使其直径符合相关规定，在退出感应加热时要尽可能避免转子受到拉损。
厂商在生产电机的过程中，需要针对绝缘指标进行严格的控制，在生产构件的过程中需要充分浸漆。
进行定修的过程中，需要全面整修压缩机，并且泄漏的机油通过引油管排出电机之外，降低电子绝缘遭到污染的可能。
检修中对轻度环火的电机及时彻底地处理并在对电机电刷进行跟踪测量，一旦发现有不稳定定修中提高电机清洁度。
假如发现确实温度过高的现象，就需要立即采取有效的应对措施，降低事故的影响。
当牵引电机接地时，TCMS会发出跳主断路器的命令，同时显示屏会显示相应的故障。
此时将司机控制器主手柄回“0”位，按“复位”按钮，如能合上主断路器，手柄能提到位，观察牵引电机牵引力，如发现1个及1个以上电机无牵引力，则根据牵引吨数来确定是否继续牵引或是将整列车维持运行到下一个车站。
如合不上主断路器，或是提手柄后就跳主断路器，应立即隔离相应的CI，接下来就可以将提手柄与主断路器闭合，当列车行驶至距离最近的能够停车的区域后，需要再次针对电机进行检查，确定其是否依旧温度过高，并观察电机内部，避免出现其他故障或是电机爆膛的问题。
4.3轴承故障改进
第一，需要针对设计图进行局部优化，为了使迷宫槽间隙得到改善，就需要对轴承座倒角进行调整。
第二，需要提升轴承座和内封环的装配质量，确保在完成装配操作后依旧可以通过人手对其进行转动。
轴承座与内封环两配件装配后进行深度测量，四点十字测量最大最小量的差值不应大于。
.02mm，保证安装后轴承内套、内油封等配件的平行度，NU320轴承外圈压入轴承室后，测量轴向深度尺寸，四点十字测量最大最小量的差值不应大于0.02mm。
进行拆解时，避免直接加热轴承内环，只对轴承挡环加热，同时测量内环表面温度（控制在100℃以内），进行四点测量并记录。
将测量百分表换成千分表，游隙标准参照新造电机轴承游隙标准控制。
第三，对外油封、内油封以及轴承盖等的尺寸进行优化，并且提高精度，针对密封结构进行改造，降低异物混入的可能。
第四，需要加强探伤检测，当在新造轴承当中发现缺陷后就需要马上进行处理。
装配的过程中需要确保使用清洁的润滑脂，假如润滑脂当中存在杂质，那么也可能会加剧轴承的磨损，产生相应的故障。
在注脂的过程中需要严格控制注脂量，假如注入润滑脂过多，那么就可能会对电机内部造成污染；假如注脂量过少，就可能会出现干磨发热的问题。
除此之外，还需要使润滑脂尽可能均匀涂布于轴承包络以及轴承腔当中，并且充满滚道与滚珠间的间隙。
对于外轴承盖内轴承盖以及轴承间的空间，需要注入空间容积30%左右的润滑脂。
在实际检修过程中现场检修人员可能存在对润滑脂的注入掌握不好或未严格按照工艺进行的情况，有的甚至混有铜屑或铁屑。
由于牵引电机故障影响不容小觑，为此11号线专门请上海高谐检测设备有限公司和唐智科技分别对牵引电机和滚动轴承进行常态化监测，以达到进一步提高牵引电机轴承故障预警的效率。
还可以利用第三方监测机构和专业设备并利用高次谐波专用探头对轴承进行测定，这类测量无需将设备直接接触被测对象，其安装方法只需要将一个长约300mm的传感器使用扎带绑在每台牵引电机的进线处，传感器采用线缆连接，数据线通过车门连接到客室内的设备中即可进行实时监测。
从表格中可以看出高谐设备能分别对牵引电机的马达、负载、逆变器进行测试并对电机的部件状态进行分级，即a、b1、b2、b3、c五个等级。
a为状态良好；b为轻微异常，其中b等级还分为三个等级，b1为最轻级，b2为中等，b3为重度；c为严重异常。
若检测结果出现a、b1、b2状态，代表电机可以继续使用，但其中b2状态的电机需要进行跟踪检查；b3或者c状态的电机必须要进行打开检查。
结束语
本文在研究的过程中，通过诊断技术对zd105电机的故障进行了检测，并且分析了牵引电机机械类故障、转子故障与电子故障的具体情况。
基于故障机理针对zd105电机的故障进行了研究，并针对转子故障、轴承故障以及电子故障等进行了详细的介绍，说明了诊断过程中所需采用的具体技术。
接下来结合SS4G型机车的具体情况提出了有针对的维护建议，以期确保机车能够稳定可靠的运行。
建议电击牵引机当中可能会发生众多的故障，而本文在研究的过程中仅针对偏心故障轴、承故障、转子故障、定子故障等进行了分析，牵引电机在实际使用的过程中还可能会产生很多其他类型的故障，所以笔者将在今后的工作学习当中针对本研究进行进一步的完善，制定出完整、全面的参考系统，针对故障的特征与采用的诊断技术进行全面的总结，进而确保机车能够稳定可靠的运行，保障车组人员以及设备的安全。
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