电力机车交流牵引电机故障诊断与研究.doc
聂洪连
[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。在我国铁路跨越式发展的大背景下，交流传动电力机车将成为我国开发和应用的主流机车。交流牵引电机作为交流传動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。
[关键词]电力机车；交流牵引；电机故障
中图分类号：G245 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）48-0326-01
随着科学技术的进步和生活水平的需求，电力电子技术和电子控制技术不断发展带动着铁路技术的快速发展，电力机车技术不断改进，结构更加复杂，功能也更加健全。在考虑机车的快速性、舒适性、适用经济性等性能指标中，机车的安全可靠性是不容忽视的，它是铁路系统的重要指标。机车的安全可靠运行是铁路系统得以顺利发展的生命基础，关系着铁路事业的发展前景。
1.交流电力机车的检修与保养
交流电力机车在运行过程中，由于某些因素的影响，如腐蚀、振动、摩擦及自然老化等，会使机车各部件逐渐磨损，超过一定的期限就会发生故障，使机车不能正常运行，采取一些计划维修与保养措施，可保证机车可靠工作，提高机车运用质量。交流传动机车是我国引进的全新的铁路机车，有必要推行新的机车检修体系，以保证机车的安全运行。电力机车的保养直接关系着机车的功率发挥、运输质量及能量消耗。应不断完善检修的工艺，提高机车保养水平。且机车乘务人员也应认真完成机车保养工作，在做好日常维护保养基础上，定期展开保养计划，对机车部件进行检查、维修及调换。做到未雨绸缪，防患于未然。
2.设备诊断技术的基本方法
设备故障的复杂性和设备故障与征兆之间关系的复杂性，形成了设备故障诊断是一种探索性的过程这一特点。就设备故障诊断技术来说，重点不只在于研究故障本身，而更在于研究故障诊断的方法。故障诊断过程由于其复杂性，不可能只采用单一的方法，而要采用多种方法。可以说，凡是对故障诊断能起作用的方法就要利用，必须从各种学科中广泛探求有利于故障诊断的原理、方法和手段，这就使得故障诊断技术呈现多学科交叉这一特点。通常分为：传统的故障诊断方法、故障的智能诊断方法、故障诊断的数学方法等三个方法。本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。
3.交流电力机车常见故障
在铁路事业快速发展的同时，如何保障机车在高速复杂路况中安全行驶已成为铁路部门工作的重点，机车运行情况关系着机车上人员的生命安全及国民经济的发展，一旦机车出现故障会造成不良后果、严重影响经济的发展。机车的安全运行离不开先进的故障检测与诊断技术，深入了解机车部件及常见故障类型对机车故障诊断具有重要参考价值。电力机车零件繁多、结构复杂，在工作过程中各个零件相互耦合工作，其运行过程是动态的、极其复杂动力系统。机车运行过程中发生的故障类型虽多种多样。但具有一定的层次性。根据交流电力机车系统的组成，将交流电力机车故障种类分为四类：电气故障、机械故障、空气管路与制动系统故障以及其他故障。
4.交流牵引电机常见故障类型及诊断处理
牵引电机在运行中由于不同因素的作用，结构和部件会逐渐劣化，慢慢失去原有的功能和性能，出现某些异常的工作状态随即发生故障。但是电机故障的发生都是有先兆的，初期形成时在电机稳态定子电流中都有特定的反映，采用各种检测技术测得能反映故障趋向的参数，通过进一步分析可识别电机故障类型，能及时有效的对电机进行维修，避免损坏电机。交流牵引电机常见的故障类型有：定子故障、转子故障、轴承故障及绝缘故障。
4.1 定子故障及诊断处理
主要包括匝间短路、绕组接地及相间短路等。主要原因是牵引电机长期运行在高温状态下使绝缘老化，或工作环境中的尘土、水分等物质长时间接触使绝缘击穿，以及运行时各种机械冲击力、电磁力作用使绝缘损坏发生短路。故障现象主要为：绕组出现局部过热、相电流不对称、振动加强及绝缘热解等。
定子绕组匝间短路是交流牵引电机常见故障，定子绕组发生故障时，其内部发生的机理是难以分析的，所以定子绕组故障分析发展的较缓慢。经研究发现定子绕组匝间短路故障发生时，相应的特征频率分量会在转子电流中感应产生，由于定、转子之间的相互耦合作用，在定子电流中也会引起一定的谐波分量。根据多回路理论，建立定子和转子绕组的电压方程，当定子匝间短路发生故障时，引起绕组电感的变化，以定子电流谐波为基础，通过定子和转子之间的相互感应得到电流特征谐波。
4.2 转子故障及诊断处理
主要包括转子绕组、转子本体故障。转子绕组故障包含转子断条和端环开裂、转子绕组击穿和匝问短路；转子本体故障主要包含转子失衡和转子偏心。转子故障严重时会使定转子之间发生摩擦而损坏电机。
转子断条故障产生原因与电机运行特点、导条结构及运行环境等有关。电机的导条和端环焊接处比较薄弱，电机在重载或启动的瞬间，转子内流过很大的电流，在转子上产生很大的热应力和机械应力，当达到疲劳极限时导条发生断裂。若不及时维修断裂的导条，在电机继续启动时，相邻部位的导条通过更大的电流，产生更大的热应力和机械应力，会造成更多的导条发生断裂。转子断条故障现象为：振动噪声增加、定子电流摆动、电机温度上升及转速波动。目前电机转子断条故障诊断方法主要有定子电流检测法、转矩检测法、振动检测法及轴漏磁通检测法等。
转子偏心故障分为静态和动态偏心，静态偏心是由定子铁芯内径呈椭圆形或定位不准确造成的，其最小气隙位置在空间是固定不变的，与转子位置无关；而动态偏心是由转轴弯曲、高速运转时的机械共振、轴承磨损等引起的。其偏心位置在空间是变化的。通常与旋转频率及转子位置有关。
4.3 轴承故障及诊断处理
主要包括外环、内环、滚动体和保持架故障。在电机各部件中，轴承寿命相对较短，较易发生故障。内环和外环分别安装在电机的转轴和机座上，电机高速运行时，轴承内圈和转子承受很大的载荷力，容易发生故障。轴承发生故障时振动会加强，是牵引电机常见的振动源。
牵引电机轴承由外环、内环、保持架和滚动体组成，内环和外环分别安装在电机转轴和机座上，电机运行时外环固定不动，内环随着转轴而旋转，滚动体在内外环问滚动。若滚动体安装不正确、受到冲击、异物落入及润滑油不良等都有可能使轴承出现压痕、裂纹及磨损现象。轴承损坏通常为不可修复性，所以应当尽早发现轴承异常，争取在故障发生前更换轴承。
轴承是电机的重要部件，电机故障大约有40%是轴承引起的，轴承故障一般分为外环、内环、滚动体及保持架故障。故障发生时，会使电机转轴振动，引起磁场中磁导波和磁动势发生变化，从而使磁通发生调制，调制的磁通在定子电流上会感应出相应的谐波成分。所以可根据定子电流信号频谱图中特定的频率成分对轴承进行故障识别。
参考文献
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