电力机车交流牵引电机故障诊断研究

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1、 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：1250536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： 1250536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

2、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 18911892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/h，采用的是绕线式异步牵引电动机。1917年德国试制成功采用“劈相机”将单相交流供电进行旋 转、变换为三相交流电的试验车，采用的是三相异步牵引电动机。 1943年匈牙利国铁定购的机车和1955年法国国营铁

3、路的一台样车上都装有旋转变频机组，但由于系统结构复杂、机组体积庞大，这2种机车都没有继续发展下去。 1955年水银整流器机车问世，标志着电力牵引电传动交直技术实用化的开始，使电力牵引交流传动技术的早期发展阶段终告结束，用于交流传动的牵引电动机的研制也告一段落。2、近代发展阶段1964年分谐波控制的逆变器（即现在的脉宽调制逆变器）的出现使电力牵引系统发生了根本性的技术革命，交流传动技术发展进入了一个新的时代。 1971年德国研制成功第1台交流传动内燃机车（DE2500），采用三相异步电动机。 19801987年间研制了4台DE2500交流传动内燃机车（德国），改装了12001交流传动电力机车（瑞

4、士）对不同供电方式下的PWM逆变器异步牵引电机系统在转差电流控制下的机车性能进行了多方面的试验，结果向世人展示了交流传动系统的意想不到的优越性，这些机车采用的是三相异步牵引电动机。 1983年研制成功BR120型交流传动干线电力机车，这是交流传动机车发展史上的一个重要里程碑，标志着交流传动技术走向成熟阶段，其采用了三相异步牵引电动机。 1988年德国西门子ICEV动车创造了407km/h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

5、、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

6、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。 200

7、4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

8、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

9、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

10、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:

11、 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

12、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gC/OS.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

13、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2015.3.092由指导教师填写任务书（电子版）3.10-3.143查找论文有关的资料并进行整理3.15-3.194撰写并提交开题报告（电子版）3.20-3.255写出论文的初稿3.26-4.206对论文进行修改4.21-4.267听取老师的意见，进一步修改论文4.27-5.048提交论文（纸质版）5.5-5.109论文答辩5.18指导教师意

14、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： 1250536 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

15、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： 1250536 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

16、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

17、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11.1早期发展阶段11.2近代发展阶段1第2章 电力机车牵引电机的技术资料32.1交流变频牵引电机32.2牵引发电机32.3辅助电机42.4发展趋向4第3章电力机车牵引电机的结构图

18、纸53.1 Mitrac TM 3800F型电机横剖面图53.2大过盈附件应力63.3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74.1 检修工艺特点：74.2采用“三新”技术使用情况84.3传统的故障诊断方法94.4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115.1交流牵引电机常见故障115.2交流牵引电机常见故障的机理分析125.3改进措施155.4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 18911892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

19、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/h，采用的是绕线式异步牵引电动机。1917年德国试制成功采用“劈相机”将单相交流供电进行旋 转、变换为三相交流电的试验车，采用的是三相异步牵引电动机。 1943年匈牙利国铁定购的机车和1955年法国国营铁路的一台样车上都装有旋转变频机组，但由于系统结构复杂、机组体积庞大，这2种机车都没有继续发展下去。 1955年水银整流器机车问世，标志着电力牵引电传动交直技术实用化的开始，使电力牵引交流传动技术的早期发展

20、阶段终告结束，用于交流传动的牵引电动机的研制也告一段落。 1.2近代发展阶段 1964年分谐波控制的逆变器（即现在的脉宽调制逆变器）的出现使电力牵引系统发生了根本性的技术革命，交流传动技术发展进入了一个新的时代。 1971年德国研制成功第1台交流传动内燃机车（DE2500），采用三相异步电动机。 19801987年间研制了4台DE2500交流传动内燃机车（德国），改装了12001交流传动电力机车（瑞士）对不同供电方式下的PWM逆变器异步牵引电机系统在转差电流控制下的机车性能进行了多方面的试验，结果向世人展示了交流传动系统的意想不到的优越性，这些机车采用的是三相异步牵引电动机。 1983年研制成

21、功BR120型交流传动干线电力机车，这是交流传动机车发展史上的一个重要里程碑，标志着交流传动技术走向成熟阶段，其采用了三相异步牵引电动机。 1988年德国西门子ICEV动车创造了407km/h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、

22、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 中国是人口大国，交通运输的能力至关重要，铁路具有运载量大，速度快等特点，符合我国的现状，国家正大力发展铁路行业，有效的缓解了交通压力，为中国的经济又好又快发展提供了坚实的基础。近年来，我国大面积，大幅度的提高现有电气化铁道的运行速度，主要干线逐步达到160200KM/h，2006年，京沪高速铁路开工建设，设计时速350公里，将成为我国第一条高速铁路，我国电气化铁道总里程达到26000公里。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，

23、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 。牵引电机作为牵引传动系统的核心部件，其运行特性对机车的运行特性起着关键性的作用，其故障也对机车的运行安全有着极大的影响，因此对其故障的产生原因进行调查分析，找到解决的措施，提高其工作可靠性，从而保证机车的安全运行。第2章 电力机车牵引电机的技术资料2.1交流变频牵引电机 交流变频牵引电机作为车辆驱动的原动机是国际上二十世纪八十年代发展起来

24、的先进牵引技术。 它以十分显著的优良特性在德、日、法等经济发达国家迅速发展，很快取代了传统的直流牵引电机。随着交流变频调速技术的日益成熟，可以对交流牵引电机进行平稳可靠的无级调速，调速范围可达1：1000，比直流调速范围更大，尤其是没有了直流电机换向器的存在，因而克服了直流电机的许多弊端，交流牵引电机与直流电机相比，结构简单可靠、体积小、重量轻，更适合车辆对电机的安装空间和重量等方面的要求，更重要的是交流牵引电机因具有功率大、过载能力强、噪声小、调速范围宽(05000r/min左右)、再生制动力巨大、可防止车轮打滑、可靠性高、维护方便、平稳舒适、节电2030%等优点，成为现代城市轨道交通牵引机

25、车驱动电机的首选产品。 1、城市轨道交通用交流牵引电机 2、轻电车轨用交流牵引电机 3、地铁用交流牵引电机 2.2牵引发电机 专用于电力传动内燃机车，以供给牵引电动机电力的发电机，又称主发电机。牵引发电机有直流和交流两种。直流牵引发电机直接向直流牵引电动机供电。交流牵引发电机发出的三相交流电经硅整流器整流后再向直流牵引电动机供电。交流整流电路是三相的，整流电压虽然有脉动，但脉动量比较小，因此牵引电动机还被认为是一般的直流电动机。 2.3辅助电机 电力机车上的辅助电机可用直流电动机，也可用三相交流异步电动机。用直流电动机作为辅助电机时，须由专用的硅整流器供电。用三相交流异步辅助电动机时，须由静止

26、变相、变频装置或专用的旋转电机供给三相电源。这种专用的旋转电机称为劈相机，可以把单相交流电变为三相交流电。 2.4发展趋向 为了解决直流和脉流牵引电动机的“转向”问题，有些国家已在使用晶闸管无换向器式牵引电动机和三相交流异步变频牵引电动机，并在试验以直线异步电动机为动力的磁悬浮高速车辆。晶闸管无换向器式牵引电动机是由一台同步电动机和一组晶闸管逆变器组成，用晶闸管和转子位置检测器来代替直流牵引电动机的换向器和炭刷结构。这种电动机具有直流电机的优点而没有困难的“换向”问题。但晶闸管及其控制系统相当复杂，所以电子元件直接影响电动机的运行可靠性。三相交流异步变频牵引电动机结构简单，工作可靠，成本低廉，

27、是比较理想的牵引电动机。但由于需用变频调速，它的发展和应用一度受到限制。60年代，大功率晶闸管变频装置的发展使异步电动机能够实现变频调速。现在各国已有较多机车和动车采用三相交流异步变频牵引电动机。联邦德国和日本在试验的磁悬浮高速车辆上采用直线异步电动机。它的初级绕组敷设在地面导轨上，由地面的变频电源供电以产生行波磁场，调节供电电源频率就可改变磁悬浮高速车辆的速度。次级绕组就是反应板，装在车辆的构架上。初级行波磁场和次级感应电流的相互作用，不仅产生使车辆前进的推力，而且还产生磁拉力以悬浮车辆，并在制动工况时起着动力制动的作用。 第3章电力机车牵引电机的结构图纸3.1 Mitrac TM 3800

28、F型电机横剖面图3.2大过盈附件应力3.3大过盈结合压强第4章电力机车牵引电机的检修工艺资料4.1 检修工艺特点：1、定子、转子采用高压热水无腐蚀性清洗剂清洗，确保清洗干净无污损。2、定子、转子按要求进行磁粉探伤，确保大修件无裂纹及缺陷。3、定子、转子总装实行工艺跟踪卡，将每一个重要工序列入受控程序检查。4、整个工序中实行自检、互检、完工检三检制度。5、对大修件的每一个配合尺寸（包括形位公差）进行细录对查，如用座标镗床（加工中心）对抱轴瓦中心线与机座中心线平行度进行加工控制，确保公差要求。6、电机转子更新轴承，确保运行要求。7、确保定子磁极之间极距公差及气隙尺寸要求、磁极螺钉紧固良好。8、无纬

29、带损伤者全部更新，电枢绕组及绝缘损伤全部更新。9、转子换向器压川螺钉要求冷、热态下，检查、紧固各一次。10定子、转子冲片有凸片现象，坚持重新更换。11、定子、转子整体浸漆。电力机车定子严格做到真空压力浸漆。所有转子按工艺程序进行真空压力浸漆。12所有转子进行动平衡试验。13 转子嵌线后进行氩弧焊焊接。14 转子严格进行TZ、TA、TY、对地绝缘电阻等检测；定子进行TY检测，冷态绝缘电阻、对地绝缘电阻检查等。15、 定子、转子总装等工序中按标准要求进行绝缘电阻，对地耐压等电气试验。16、 大修电机除坚持厂内试验外，还严格按要求送铁道部驻株洲机车厂验收室进行试验与验收。17、 油压减振器大修采用高

30、性能的密封材料，使大修产品达到国外进口产品的同等技术水平。4.2采用“三新”技术使用情况1、采用高压热水无腐蚀性冲洗剂清洗工艺。2、采用氩弧焊（TIG）焊接工艺。3、采用真空压力H级无溶剂浸漆工艺。4、采用微机控制的动平衡动态试验技术。5、转子包线、嵌线采用高强度绝缘结构制造工艺。6、转子采用H级电工无纬带绑扎新工艺。故障诊断是一门综合性技术,它涉及现代控制理论、信号处理与模式设别、计算机科学、人工智能、电子技术、数理统计等多种学科。由于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

31、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。4.3传统的故障诊断方法 首先是利用各种物理和化学原理手段,通过伴随故障出现的各种物理和化学现象,直接检测故障。其次,利用故障所对应的征兆来诊断故障是最常用、最成熟的方法。在诊断过程中,首先分析设备运转中所获取的各种信号,提取信号中的各种特征信息,从中获取与故障相关的征兆,利用征兆进行故障诊断。由于故障与各种征兆间并不存在简单的一一对应关系,因此利用征兆进行故障诊断

32、往往是一个反复探索和求解的过程。4.4故障的智能诊断方法 在上述传统的诊断方法的基础上,将人工智能的理论和方法用于故障诊断。发展智能化的诊断方法,是故障诊断的一条全新的途径,目前已广泛应用,成为设备故障诊断的主要方向。人工智能的目的是使计算机去做策是实现人工智能的重要形式,目前已广泛用于诊断、解释、设计、规划、决策等各个领域。现在国内外已发展了一系列用于设备故障诊断的专家系统,获得了很好的效果。故障诊断的数学方法设备故障诊断技术作为一门学科,尚处在形成和发展之中,必须广泛利用各学科的最新科技成就,特别要借助各种有效的数学工具。包括基于模式识别的诊断方法,基于概率统计的诊断方法,基于模糊数学的诊

33、断方法,基于可靠性分析和故障树分析的诊断方法,以及神经网络、小波变换、分形几何等新发展的数学分支在故障诊断中的应用等等。4.5交流牵引电机故障诊断的基本原理 交流牵引电机故障诊断技术有很强的工程背景,具有重要的实用价值,并且以深厚的理论为基础。从本质上讲,电机故障诊断技术是个模式分类问题,即把交流牵引电机的运行状态分为正常和异常两类。更进一步,异常的信号样本究竟又属于哪种故障,这又属于一个模式识别问题。从展开的故障诊断流程来看,交流牵引电机故障诊断分为信号采集,信号处理,故障诊断3个阶段。 第5章 电力机车牵引电机故障统计数据及其分析 目前国内的交流牵引电机以DJ为主,下面以DJ型机车为例来介

34、绍交流牵引电机故障5.1交流牵引电机常见故障 1、定子匝间短路故障 定子绕组最常见的故障主要包括绕组匝间短路，相间短路和绕组接地等，故障原因主要是由于牵引电机长期运行发热，绝缘老化或工作环境中水分，尘埃等物质与绝缘体相互作用，易使绝缘击穿，以及牵引电机工作中各种电磁力，机械力冲击作用，也可以使绝缘损坏而造成短路。这种故障的最明显的标志是绕组出现局部过热，相电流的对称性被破坏，转矩降低，蜂鸣和振动加剧。这些故障一旦发生，不仅导致电机损坏，而且可能导致机车击破，造成重大损失。 2、转动轴承故障 牵引电机转子的前后两端由轴承支撑，轴承主要承受径向力，采用的是球轴承。牵引电机轴承内圈与转子高速运转，承

35、受较大的载荷，易发生故障，故障通常表现为滚珠缺陷，点食，内外圈破裂等故障。 3、转子偏心 转子偏心故障也是牵引电机常见故障。偏心故障发生时，转子质量偏心，转子产生同转频的周期性激振力，使振动增大。在谱图上主要表现为同转频的频率分量幅值增加。如果不平衡超标，应该进行平衡处理。如果电机转子在加工的过程中存在伤痕等隐患，在运行中，这些裂纹会进一步扩展，从而会导致转子断裂等灾难性故障。转子偏心分为静偏心和动偏心，最小径向气隙位置在空间固定的偏心为静偏心。当转子中线不在旋转中心和最小气隙随转子一起旋转时，就会出现动偏心。转子偏心会产生不平衡磁拉力，从而引起振动。当整个转子温度分布不均而使转子发生生热弯曲

36、时，这种现象会更加严重，甚至能使转子与定子之间发生摩擦，最终损坏电机。其他故障如：定子铁芯故障，定子端部线圈故障，转子绕组等故障5.2交流牵引电机常见故障的机理分析 1、定子匝间短路故障机理分析 由于定子绕组匝间短路是机车牵引电机较常见的早期故障现象，所以这里将针对定子绕组匝间短路故障进行机理分析。对于定子咋间短路故障的研究人们还远不如对转子故障的研究，而且也未提出如同检测转子绕组故障那样多的和成熟有效的方法以检测定子绕组故障，原因在于当定子绕组发生咋间短路故障时，由于电机耦合关系，在电机转子电流中会感应出相应的特征频率分量，但是牵引电机转子电流在电机的运行中的测量是很困难的。初看起来，电机的

37、定子绕组故障检测似乎不能像转子绕组检测一样，可以通过电流信号的频谱分析来实现，但是经过分析可知，由于定子，转子的相互耦合关系，在定子电流中一定含有定子绕组故障引起的谐波分量。 根据多回路理论可以推论出定子绕组匝间短路故障的电流特征频率并建立绕组（定子，转子）的电压方程。定子匝间短路故障发生时，将引起绕组电感的变化，通过磁链和电流的关系，确定出定子，转子中的感应电流。也就是以定子电流谐波为基础，通过在定子，转子之间的反复映射得到的电流特征谐波。一个定子，转子之间比较完整的互链过程如下： 定子（w）-转子（w+_kwP）-定子（w+-(k+k)wP）-转子（w(k+-k+-k”)wP）-其中，k,

38、k”,k”=1,3,5且wP=(1-s)w为相对角速度，w=2怕f, s为转差率，f为电源基波频率。故定子电流谐波分为： Fs=(1+-2k(1-s)F其中，k=0,1,2,F为电源基波频率。考虑绕组故障时，电机的谐波成分将增加，所以，定子电流特征频率为： Fs=(n+-2k(1-s)F（2-2） 其中，n=1,2,3,4,k=0,1,2,3另外，由分析知，在电机正常时电流中的谐波成分同式（2-2），但由于绕组对称结构，使得电流只有n=1,5,7,11,的谐波成分。由文献（20）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

39、+-(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=(N/2)Fr内环缺陷故障频率Fb=(N/2)Fr滚动体缺陷故障频率Fb=(PD/BD)Fr/2保持架故障频率 Fb=( Fr /2) 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

40、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

41、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=1/p,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

42、。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，Mitrac TM3800F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

43、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2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

44、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

45、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

46、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 ，20

47、01 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