和谐型机车牵引电机常见故障的原因与处理大学毕业设计论文Word文档格式.docx

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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，交流传动电力机车作为核心设备之一，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研究是非常必要的。

交流牵引电机作为车辆驱动的发动机是国际上二十世纪八十年代发展起来的先进牵引技术。

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、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、节电等优点，成为现代城市轨道交通牵引机车驱动电机的首选产品。

本文对造成牵引电机的主要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:

交流牵引电机;

故障原因;

处理措施

目录

摘要I

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章交流电机的结构组成3

2.1定子3

2.2转子4

2.3轴承6

2.4端盖6

2.5传感器6

第3章交流电机的工作原理及特性8

3.1交流电动机的工作原理8

3.2旋转磁场8

3.3转差率9

3.4交流电动机机械特性9

3.5电机型号字母表示的含义10

3.6交流电机的优点10

第4章牵引电机的检修工艺11

4.1检修工艺特点11

4.2采用“三新”技术使用情况12

4.3传统的故障诊断方法12

4.4故障的智能诊断方法12

第5章交流牵引电机故障及其分析14

5.1交流牵引电机常见故障14

5.2交流牵引电机常见故障的机理分析15

5.3改进措施16

5.4牵引用铅酸蓄电池使用须知及注意事项 

16

第6章电动机维护保养18

6.1启动前的准备和检查18

6.2电动机的日常维护18

6.3电机的定期维护和保养19

第7章结论与建议20

致谢21

参考文献22

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/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，采用三相异步电动机。

1980～1987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、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160·

200KM/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，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章交流电机的结构组成

交流电机的基本结构由定子、转子、轴承、端盖，传感器、接线盒等构成。

如图2.1所示。

图2.1交流电机的结构组成

2.1定子

电机中固定的部分叫做定子，在其上面装设了成对的直流励磁的静止的主磁极，电动势充当旋转磁场，后产生电磁转矩进行能量转换，以定子绕组的形状与嵌装方式区分。

【1】

定子是电动机静止不动的部分。

定子由定子铁芯、定子绕组和机座三部分组成。

定子的主要作用是产生旋转磁场。

定子铁芯:

是电机磁路的一部分，定子铁芯内圆上均匀开有槽，安放定子绕组。

机座:

是用作固定与支撑定子铁芯。

定子绕组:

是电机电路部分，它由三个在空间相差120°

电角度、结构相同的绕组连接而成，按一定规律嵌放在定子槽中。

绕组分类：

定子绕组根据线圈绕制的形状与嵌装布线方式不同，可分为集中式和分布式两类：

⑴集中式绕组

集中式绕组应用于凸极式定子，通常绕制成矩形线圈，经纱带包扎定型，再经浸漆烘干处理后，嵌装在凸形磁极的铁心上。

一般换向器式电动机（包括直流电机和通用电动机）的激磁线圈以及单相罩极式凸极电动机的主极绕组都采用集中式绕组。

集中式绕组通常每极有一只线圈，但也有采用庶极（隐极）形式的，如框架式罩极电动机就是用一只线圈形成两极的电动机。

⑵分布式绕组

分布式绕组的电动机定子没有凸形极掌，每个磁极由一个或几个线圈按照一定的规律嵌装布线组成线圈组，通电后形成不同极性的磁极，故也称隐极式。

根据嵌装布线排列形式的不同，分布式绕组又可分为同心式和叠式两类。

①同心式绕组同心式绕组是由几个形状相似但大小不同的线圈，按同一中心位置嵌装成回字形状的线圈组。

同心绕组可根据不同的布线方式而构成双平面或三平面绕组。

一般单相电动机及部分小功率或大跨距线圈的三相异步电动机的定子绕组采用这种型式。

②叠式绕组叠式绕组一般是由形状、大小相同的线圈，分别以每槽嵌装1个或两个线圈边，并在槽外端部逐个相叠均匀分布的形式。

叠式绕组又分单层叠式和双层叠式两种。

每槽只嵌入一个线圈边的为单层叠式绕组，或称单叠绕组；

每槽嵌入两个属不同线圈组的线圈边时是分置于槽中上、下层，为双层叠式绕组，或称双叠绕组。

根据嵌装布线方式变化不同，叠式绕组又可派生出交叉式、同心交叉式以及单双层混合式等型式。

目前，一般功率较大的三相异步电动机定子绕组较多采用双层叠式；

而小电机则多用单层叠式绕组中的派生型式，但极少采用单层叠式绕组。

单层绕组一般用在10kW以下的电机，双层短距绕组用在较大容量的电机中。

2.2转子

转子是电动机的旋转部分。

它由转轴、转子铁芯和转子绕组组成。

转子上有励磁绕组，在通入励磁电流,由于转子在原动力的作用下旋转,则会产生交变的磁场，定子的三相绕组依次切割磁力线.就会感应出大小相等,相差120°

电角度的交流电动。

【6】

⑴转子绕组

交流异步电动机的转子绕组分鼠笼型与绕线型两类。

鼠笼型结构较为简单，一般由合金铝浇注人转子铁心槽内并由两端端环短接而成；

也有用铜条嵌入再焊上铜质端环的。

为了改善起动性能，鼠笼型又可制成深槽式及双鼠笼等特殊型式。

绕线型转子绕组与定子绕组相同，它除可用上述各式绕组外，还可用波形绕组。

波形绕组是由单匝或几匝的杆形单元线圈，嵌装后由两个元件在端部焊接成一只线圈，并形成整个绕组，其布接线原理与上述绕组不同，但外形与双层叠绕组相似。

波形绕组常应用于大型的交流电动机转子绕组及直流电动机的电枢绕组。

⑵定子绕组　　

定子绕组不同的接线形式可以形成不同的极性，电动机根据其极性关系，可分为显极式与庶极式两种类型。

①显极式绕组

一台具有四个凸极的电动机定子，它的每只线圈形成一个磁极；

而且相邻两只线圈所形成的极性不同；

在四个凸极上就形成了四个磁极。

所以，在显极式绕组中，每组线圈形成一个磁极，即绕组的线圈组数与磁极数相等。

此外，为使相邻磁极能呈N、s极性成对存在，则必须使相邻两组线圈里的电流方向相反。

因此相邻两个线圈组的连接方式必须是反接串联，也就是电工术语称之为“头接头”、“尾接尾”。

实际上，除直流电机及单相凸极式罩极电动机外，一般定子都没有凸出的极掌。

本图是为了较形象地说明问题而采用示意的画法。

②庶极式绕组

相邻两组线圈的极性是相同的，都是s极，由于同极性相斥的原理，使线圈形成的磁场经相邻凸极返回构成闭合磁路；

从而使没有线圈的凸极上产生异极性N磁极。

所以，在庶极式绕组中，每个线圈组将形成一对磁极，每相绕组的线圈组数为磁极数的一半。

在庶极式绕组中，因为每组线圈所产生的磁极极性都相同，因而所有线圈里的电流方向都相同，即相邻两个线圈组是顺接串联，这种接线方式便是电工俗称的“首尾相接”，即“尾接头”连接。

电机绕组是由线圈组构成一相或整个电磁电路的组合体；

而线圈组则由一个或多个线圈顺接串联而成。

因此线圈是电动机绕组的基本元件，也是以绝缘导线（圆形或矩形截面导线）按一定形状绕制而成。

线圈可以是一匝，也可由数百上千匝绕成，其匝数的多少主要取决于电源电压和电动机电磁部分的参数，并由计算确定。

电动机线圈的形状有多种，但其基本结构由三部分组成，即嵌入铁心槽内的直线部分称有效边，而一只线圈有两个有效边，是产生电磁能量转换的有效部分；

连接两有效边的部分，在线圈嵌装后处于铁心两端槽外，称线圈端部，它是线圈构成必不可少的部分，但不能作能量转换；

引线是线圈绕制后的首、尾线头，也是引接线圈电流的连接点。

集中式绕组的绕制和嵌装比较简单，但效率较低，运行性能也差。

目前的交流电动机定子绝大部分都是应用分布式绕组，根据不同机种、型号及线圈嵌绕的工艺条件，电动机各自设计采用不同的绕组型式和规格，故其绕组的技术参数也不相同。

2.3轴承

人们经常发现，在电机上即使使用最好的轴承或进口轴承，效率其也不高，这就关系到电机进口轴承的使用和选择问题。

电机轴承的寿命是与制造、装配，使用都紧密联系的，必须在每个环节都做好，才能使轴承处于最佳的运转状态，从而延长电机轴承的使用寿命。

【4】

2.4端盖

端盖一般是指轴向尺寸大于径向尺寸的电机两端的盖子，主要作用是确定转子的轴的空间位置，当然需要与不同形式的轴承配合，通过端盖连接到固定电机定子的外壳上，保证转子与定子的间隙，一般是铸铁工艺，小电机也可以板材冲压成型。

2.5传感器

分两大类：

直流和交流电流传感器。

按用途可分为：

工业传感器工业产品电流电压测量解决方案。

用于控制、校准以及过流保护和监控。

⑴铁路传感器

为铁路行业提供瞬时电流电压检测，主牵引和辅助变频的控制和保护。

⑵自动化传感器

用于工业自动化领域的电量传感器，提供瞬时值，RMS，真RMS信号可以直接输入PLC，二次仪表或其他仪器。

这些传感器有开口和固定两种磁芯，有盘式和导轨等不同的安装方式。

通常用于电机保护、电源监控等领域。

⑶大电流传感器

用于冶铝、氯碱、有色金属冶炼等行业直流大电流的测量、控制与保护，电流测量范围可以测量500KA。

精度高，工作温度范围宽广。

电流传感器因厂家不同有各自的技术类型，选择电流传感器时主要要选择好电流、精度、带宽等值。

生产电流传感器的厂家很多，也有很多国外的品牌。

我使用的是LEM。

感觉不错，售后一般。

技术支持很不错。

第3章交流电机的工作原理及特性

交流电动机是一种将电能转化为机械能的电力拖动装置。

它主要由定子、转子和它们之间的气隙构成。

对定子绕组通往三相交流电源后，产生旋转磁场并切割转子，获得转矩。

三相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使用、安装、维护方便等优点,被广泛应用于各个领域。

【9】

3.1交流电动机的工作原理

当三相异步电机接入三相交流电源（各相差120度电角度）时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场，该磁场以同步转速n0沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转。

该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体（转子绕组是闭合通路）产生感应电动势并产生感应电流（感应电动势的方向用右手定则判定）。

根据电磁力定律，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。

载流的转子导体在定子产生的磁场磁场中受到电磁力作用（力的方向用左手定则判定），电磁力对电机转子轴形成电磁转矩，驱动电机转子沿着旋转磁场方向旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。

由于没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先，电机转动方向与旋转磁场方向相同。

【7】

3.2旋转磁场

定子三相绕组通入三相交流电即可产生旋转磁场。

当三相电流不断地随时间变化时，所建立的合成磁场也不断地在空间旋转，如图3.1所示。

旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致，任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。

图3.1旋转磁场

定子旋转磁场旋转切割转子绕组，转子绕组产生感应电动势，其方向由“右手螺旋定则”确定。

由于转子绕组自身闭合，便有电流流过，并假定电流方向与电动势方向相同，转子绕组感应电流在定子旋转磁场作用下，产生电磁力，其方向由“左手螺旋定则”判断。

该力对转轴形成转矩（称电磁转矩），并可见，它的方向与定子旋转磁场（即电流相序）一致，于是，电动机在电磁转矩的驱动下，顺着旋转磁场的方向旋转，且一定有转子转速。

有转速差是异步电动机旋转的必要条件，异步的名称也由此而来。

【5】　

3.3转差率

旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。

描述转子转速与旋转磁场转速相差的程度。

在正常运行范围内，异步电动机的转差率很小，仅在0．01--0．06之间。

如图3.2所示。

图3.2电磁力产生原理

3.4交流电动机机械特性

T-S的曲线图如图3.3左；

T-n的曲线图如图3.3右，即为电动机的机械特性线曲。

图3.3电动机的机械特性曲线

在机械特性图中，存在两个工作区：

稳定运行区和不稳定运行区。

在机械特性曲线的AB段，当作用在电动机轴上的负载转矩发生变化时，电动机能适应负载的变化而自动调节达到稳定运行，故为稳定区。

机械特性曲线的BC段，因电动机工作在该区段时其电磁转矩不能自动适应负载转矩的变化，故为不稳定区。

3.5电机型号字母表示的含义

J——异步电动机；

O——封闭；

L——铝线缠组；

W——户外；

Z——冶金起重；

Q——高起动转轮；

D——多速；

B——防爆；

R一绕线式；

S——双鼠笼；

K一—高速；

H——高转差率。

如图3.4所示。

图3.4电机型号字母表示的含义

3.6交流电机的优点

⑴结构简单、牢固，维修方便

⑵功率大、体积小、重量轻

⑶有良好的牵引性能

⑷节省电器设备，操作简便

⑸可以得到更高的功率因数和更小的电网谐波干扰电流。

第4章牵引电机的检修工艺

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。

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章交流牵引电机故障及其分析

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，承受较大的载荷，易发生故障，故障通常表现为滚珠缺陷，点蚀，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。

【8】

4、电机相间短路

绕组端部的隔极纸或槽内层间绝缘放置不当或尺寸偏小，形