楊宏博，劉詩(shī)佳，宋永豐，黃 金

（1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081；2 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，北京100081；3 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081）

牽引電機(jī)的主要故障及診斷方法綜述*

楊宏博1，劉詩(shī)佳2，宋永豐3，黃 金3

（1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081；2 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，北京100081；3 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081）

以牽引電機(jī)使用過(guò)程中發(fā)生的常見(jiàn)故障為研究對(duì)象，從電氣和機(jī)械兩方面分析了電機(jī)故障的原因，電機(jī)在實(shí)際使用過(guò)程中存在多重故障同時(shí)發(fā)生的情況，需要綜合多種診斷方法，現(xiàn)介紹了基于電流分析法、小波分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Park矢量變換、擴(kuò)展Park矢量變換等多種故障診斷方法，為電機(jī)故障診斷的研究提供指導(dǎo)。

牽引電機(jī)；故障分析；診斷方法

牽引電機(jī)作為主要?jiǎng)恿υO(shè)備，對(duì)動(dòng)車(chē)組的可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，同時(shí)電機(jī)故障所造成的損失和維修費(fèi)用也是相當(dāng)可觀的。因此分析牽引電機(jī)的故障及對(duì)故障診斷方法的探索具有重要理論研究?jī)r(jià)值和工程實(shí)踐意義。

1 牽引電機(jī)的故障類(lèi)型及原因

牽引電機(jī)主要故障可分為兩大類(lèi)，電氣類(lèi)故障和機(jī)械類(lèi)故障。其中電氣類(lèi)故障有定子繞組故障、定子鐵芯故障、轉(zhuǎn)子故障等，機(jī)械類(lèi)故障指軸承故障。

電機(jī)定子繞組故障主要包括層間、匝間絕緣擊穿，定子繞組接地及定子繞組斷路等。絕緣擊穿的主要原因有線圈松動(dòng)導(dǎo)致層間墊條磨損、線圈制作過(guò)程中匝間絕緣遭受損傷或匝間絕緣材質(zhì)不良、匝間絕緣厚度不夠或結(jié)構(gòu)不合理等。定子繞組接地是由于電機(jī)長(zhǎng)期處于過(guò)載狀態(tài)或操作過(guò)電壓，導(dǎo)致繞組絕緣老化變質(zhì)，從而引起絕緣對(duì)地?fù)舸?］。另外導(dǎo)電粉塵致使爬電距離縮小，線圈短路繼而燒焦絕緣，也都會(huì)使繞組發(fā)生接地故障。定子繞組很少發(fā)生斷路故障，一般是因線圈端部遭受電磁力和機(jī)械力的振動(dòng)，致使導(dǎo)線焊接點(diǎn)開(kāi)焊，或因焊接工藝不當(dāng)，引起焊接點(diǎn)過(guò)熱造成開(kāi)焊，有時(shí)導(dǎo)線存在夾層、脫皮等缺陷也會(huì)導(dǎo)致繞組斷路（圖1）。

鐵芯松動(dòng)一方面是由于制造時(shí)鐵芯壓裝不緊或定子鐵芯緊固件松脫或失效時(shí)發(fā)生的，另一方面是電機(jī)運(yùn)行時(shí)，其鐵芯會(huì)受熱膨脹、遭受附加壓力，使受熱軟化的漆膜“凸起”被壓平，降低了沖片間的密合度，導(dǎo)致鐵芯產(chǎn)生松動(dòng)。鐵芯松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電磁噪聲增加，長(zhǎng)期存在將導(dǎo)致繞組絕緣因振動(dòng)大而縮短壽命。

轉(zhuǎn)子故障表現(xiàn)為籠條及端環(huán)斷裂、開(kāi)焊。電機(jī)在反復(fù)啟動(dòng)、運(yùn)行、停轉(zhuǎn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子不僅承受很大沖擊力和熱應(yīng)力，還會(huì)受到較大離心力的作用，由于存在變形和位移，籠條和端環(huán)會(huì)因應(yīng)力分布不均勻而斷裂。另外，負(fù)載變化和電壓波動(dòng)使籠條在交變負(fù)荷的作用下容易產(chǎn)生疲勞。若籠條的材質(zhì)不佳，或籠條與端環(huán)焊接方法不當(dāng)，焊接內(nèi)應(yīng)力沒(méi)有徹底消除，將更容易發(fā)生轉(zhuǎn)子故障，出現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)、轉(zhuǎn)差率增大、電機(jī)噪聲增加甚至更嚴(yán)重的影響［2］。

軸承的內(nèi)外滾道和滾動(dòng)體表面之間既承受載荷又相對(duì)滾動(dòng)，在交變載荷的作用下，表面間存在著極大的循環(huán)接觸應(yīng)力，因此容易在滾動(dòng)體和滾道表面形成疲勞源，出現(xiàn)小顆粒狀剝落，即發(fā)生軸承疲勞剝落（點(diǎn)蝕）故障。由于軸承表面有較大的電流通過(guò)，軸承表面長(zhǎng)期存在有潤(rùn)滑油、水分或濕氣等，同時(shí)軸承套環(huán)在軸承座孔中或者軸頸上產(chǎn)生微小相對(duì)運(yùn)動(dòng)，軸承會(huì)分別產(chǎn)生電腐蝕、化學(xué)腐蝕和微振磨耗腐蝕。腐蝕失效會(huì)加劇軸承的磨損。軸承零件斷裂是由于工作應(yīng)力過(guò)大或熱處理、磨削以及裝配不當(dāng)引起殘余應(yīng)力造成的，此外，裝配方法和裝配工藝的不當(dāng)，也可能造成軸承套環(huán)擋邊和滾子倒角處斷裂失效，滾珠崩裂。軸承熔合失效是由于電機(jī)啟動(dòng)加速度過(guò)大、速度過(guò)高、溫度過(guò)高、潤(rùn)滑不良導(dǎo)致軸承的外滾道或內(nèi)滾道與滾動(dòng)體表面之間由于受熱而局部熔合在一起的。

2 電機(jī)故障診斷方法

通過(guò)分析定子三相電流，文獻(xiàn)［3］開(kāi)發(fā)了電機(jī)故障診斷虛擬儀器系統(tǒng)，診斷電機(jī)定子繞組匝間短路、轉(zhuǎn)子斷條、氣隙偏心等故障。定子的三相電流由傳感器測(cè)得，故障診斷系統(tǒng)相應(yīng)模塊將信號(hào)適當(dāng)放大，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集，以及對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。由于不同故障模式會(huì)產(chǎn)生不同的電流頻譜，其中定子繞組匝間短路時(shí)三相定子電流不對(duì)稱(chēng)，出現(xiàn)負(fù)序電流分量；轉(zhuǎn)子斷條或氣隙偏心故障發(fā)生時(shí)也會(huì)在定子繞組中出現(xiàn)不同頻率的電流分量。將以上故障特征作為故障診斷依據(jù)，由設(shè)計(jì)程序處理，最終輸出電機(jī)的故障狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)故障的在線診斷和自動(dòng)識(shí)別。

根據(jù)電機(jī)振動(dòng)信號(hào)能較全面反映電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)的特點(diǎn)，文獻(xiàn)［4］提出了一種基于小波分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電機(jī)故障診斷方法，以診斷轉(zhuǎn)子故障為例，將加速度傳感器拾取的電機(jī)機(jī)體振動(dòng)信號(hào)作為分析對(duì)象，采用小波時(shí)頻分析技術(shù)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和離散化處理先得到樣本信號(hào)。利用Matlab軟件編寫(xiě)小波包信號(hào)分析程序求取頻帶能量，并提取出樣本信號(hào)故障特征向量，訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障識(shí)別，若在誤差允許范圍內(nèi)期望輸出和實(shí)際輸出相符，便可用于診斷其他振動(dòng)信號(hào)，該方法不需要建立電機(jī)的故障診斷模型，能有效提高電機(jī)故障診斷的準(zhǔn)確性。

文獻(xiàn)［5］基于定子電流信號(hào)處理對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子故障和氣隙不均勻故障進(jìn)行診斷分析。電機(jī)故障時(shí)，定子電流的幅頻特性和相頻特性會(huì)有明顯的變化，相同頻帶內(nèi)信號(hào)的能量會(huì)有較大差別，通過(guò)對(duì)采集到的定子電流信號(hào)進(jìn)行小波分解和分解系數(shù)重構(gòu)，提取各頻帶范圍的信號(hào)特征，以各頻帶信號(hào)的總能量構(gòu)造特征向量，經(jīng)過(guò)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練學(xué)習(xí)后，建立能量變化到各類(lèi)故障之間的映射關(guān)系，最終確定故障類(lèi)別。該方法從能量分布的角度出發(fā)，可快速且較為準(zhǔn)確地診斷出電機(jī)故障。

文獻(xiàn)［6］介紹了峰值能量法和沖擊脈沖法，用于診斷電機(jī)軸承的故障。峰值能量法利用軸承發(fā)生故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng)的機(jī)理，將傳感器拾取的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波放大處理，保留高頻分量，根據(jù)能量的大小判斷軸承損壞的程度。沖擊脈沖法基于軸承有缺陷會(huì)產(chǎn)生脈沖性振動(dòng)且沖擊脈沖的強(qiáng)度反映了故障程度的原理，利用軸承故障分析儀采集脈沖沖擊值，將少量強(qiáng)沖擊脈沖相關(guān)的最大值與大量弱沖擊脈沖相關(guān)的最小值作差，來(lái)分析軸承是否損壞或品質(zhì)是否有所下降，差值通常很小，隨軸承損壞程度的增大而增大。

文獻(xiàn)［7］將Park矢量變換應(yīng)用于異步電機(jī)的故障診斷中，應(yīng)用矢量變換將三相對(duì)稱(chēng)定子電流產(chǎn)生的合成基波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)等效變換為兩個(gè)軸線相互垂直的合成磁場(chǎng)，使電機(jī)定子三相電流能夠在d，q坐標(biāo)系的平面軌跡圖中表示，用圖形化的方式表述電機(jī)的狀態(tài)信息。電機(jī)正常工作時(shí)電流Park矢量軌跡接近于圓，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)斷條故障時(shí)，Park矢量軌跡為非圓，當(dāng)電機(jī)定子繞組短路時(shí)，Park矢量軌跡是一個(gè)橢圓，橢圓的長(zhǎng)軸指向故障相。Park矢量變換能正確提取異步電機(jī)的故障特征，有效鑒別電機(jī)的多種故障及故障存在位置。

文獻(xiàn)［8］分析了擴(kuò)展Park矢量方法診斷鼠籠型異步電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障的有效性?；赑ark矢量，對(duì)Park矢量的模進(jìn)行頻譜分析。轉(zhuǎn)子發(fā)生斷條故障時(shí)，擴(kuò)展Park矢量的頻譜當(dāng)中包含電源電流基頻分量為主要成分的直流分量和斷條故障所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)邊頻交流分量。通過(guò)分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出擴(kuò)展Park矢量頻譜分析的結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了運(yùn)用擴(kuò)展Park矢量方法診斷轉(zhuǎn)子斷條故障的可用性和準(zhǔn)確性。

電機(jī)的故障診斷方法多種多樣且各有利弊。故障診斷虛擬儀器系統(tǒng)具有界面友好、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，但傳統(tǒng)的基于傅里葉變換的信號(hào)分析方法難以對(duì)故障信號(hào)中的微弱信號(hào)和奇異信號(hào)成分進(jìn)行特征提??；小波變換與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的診斷方法以方便信號(hào)特征提取的優(yōu)勢(shì)得到廣泛應(yīng)用，但計(jì)算量比較大，還會(huì)受到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇、訓(xùn)練程度及收斂速度的影響；Park矢量變換方法利用定子電流軌跡圖的幾何形狀，更直觀地鑒別電機(jī)的故障情況，但實(shí)際測(cè)量的電機(jī)定子電流通常存在諧波和噪聲信號(hào)，對(duì)于故障特征的提取和判定有一些難度。

以上方法均在試驗(yàn)中驗(yàn)證了故障診斷的有效性，但由于電機(jī)在實(shí)際故障時(shí)一般會(huì)影響多個(gè)參數(shù)變化，同時(shí)體現(xiàn)故障特征的信號(hào)比較微弱并且不是唯一的，這對(duì)故障診斷和定位帶來(lái)極大的困難。若要實(shí)現(xiàn)電機(jī)故障的在線診斷，可通過(guò)綜合多種診斷方法，識(shí)別故障特征，從而得出較為準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。例如以虛擬儀器系統(tǒng)為平臺(tái)，采集并向系統(tǒng)輸入電機(jī)的振動(dòng)信號(hào)和定子電流信號(hào)，在軟件的程序中添加小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Park矢量變換和擴(kuò)展Park矢量變換等故障診斷方法，將采集到的信號(hào)用多種方法同時(shí)診斷，并對(duì)診斷結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，輸出故障特征明顯的故障模式作為診斷系統(tǒng)最終的結(jié)果，同時(shí)各種方法的分析結(jié)果也可通過(guò)點(diǎn)擊軟件面板相應(yīng)的按鈕顯示出來(lái)，方便后續(xù)故障分析和軟件程序修改。以這種方式進(jìn)行電機(jī)故障在線診斷，可以避免單一診斷方法的局限性，擴(kuò)展了診斷系統(tǒng)的適用范圍。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)牽引電機(jī)使用過(guò)程中發(fā)生的主要故障進(jìn)行分類(lèi)，簡(jiǎn)要分析故障發(fā)生的原因，并介紹了電機(jī)主要故障的診斷方法，最后提出電機(jī)故障在線診斷的思路。通過(guò)多種方法對(duì)故障進(jìn)行診斷和比較，能夠得出更為準(zhǔn)確的診斷結(jié)果，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 韋光慶.電機(jī)檢修技術(shù)問(wèn)答［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2002.

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Review of Main Fault and Diagnostic Method for Traction Motor

YANG Hongbo1，LIU Shijia2，SONG Yongfeng3，HUANG Jin3
（1 Graduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2 Beijing Zongheng Electromechanical Technology Development Co.，Beijing 100081，China；3 Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Taking the common faults of traction motor as the research object，this paper analyzes the failure causes of motor from mechanical and electrical aspects.Multiple failures of traction motor occur simultaneously during the actual usage，so it needs a variety of diagnostic methods to broaden the application range of fault diagnosis.This paper introduces a variety of the diagnosis methods of motor faults，such as the current analysis，wavelet analysis and neural networks，Park vector transformation and extended Park’s vector method.It provides guidance for the fault diagnosis research of traction motor.

traction motor；fault analysis；diagnostic method

U264.1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.17

1008－7842（2014）05－0069－03

*鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2012J005－A）

8—）男，碩士研究生（

2014－02－28）