地鐵車輛電機(jī)牽引故障的診斷及維修

（成都中車四方軌道車輛有限公司，四川 成都 610101）

0 引言

在地鐵車輛日常運(yùn)行過(guò)程中，其電機(jī)極易發(fā)生故障，影響地鐵車輛的安全性能和可靠性能。而針對(duì)該故障，只能通過(guò)及時(shí)診斷、分析和維修，才能夠避免再次發(fā)生相同的故障。因此，分析地鐵車輛電機(jī)牽引故障的診斷及維修技術(shù)是十分必要的。

1 牽引電機(jī)的概念和先進(jìn)性

牽引電機(jī)是一種用于牽引的電機(jī)，憑借的是牽引電機(jī)發(fā)出的牽引力對(duì)車輛進(jìn)行牽引，其公式如公式（1）所示。

式中：F為牽引力，P為電機(jī)車質(zhì)量，v為機(jī)車平均速度。

該電機(jī)主要應(yīng)用于各種電動(dòng)車輛和電力機(jī)車，其中，地鐵車輛就是應(yīng)用最為廣泛的一個(gè)領(lǐng)域。具體的牽引電機(jī)如圖1所示。

圖1 牽引電機(jī)

在科學(xué)技術(shù)水平不斷提高的背景下，交流變頻調(diào)速技術(shù)愈發(fā)成熟，通過(guò)在牽引電機(jī)中應(yīng)用交流變頻調(diào)速技術(shù)，相較于直流調(diào)速范圍，交流牽引電機(jī)能夠進(jìn)行平穩(wěn)的無(wú)極調(diào)速，且結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，占地面積更小，滿足地鐵車輛對(duì)電機(jī)安裝空間和重量等方面的要求。目前，交流牽引電機(jī)主要應(yīng)用于城市軌道交通、輕電車軌以及地鐵車輛。而除了交流牽引電機(jī)，在牽引電機(jī)發(fā)展過(guò)程中，還出現(xiàn)了直流牽引電機(jī)，滿足了各種電動(dòng)車輛和電力機(jī)車牽引特性的需要[1]。

2 地鐵車輛牽引電機(jī)中存在的主要故障

地鐵車輛牽引電機(jī)中存在的故障主要包括以下2種：1） 電機(jī)通電時(shí)出現(xiàn)的故障，電機(jī)通電后無(wú)法正常轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)?shù)罔F車輛的電機(jī)通電啟動(dòng)之后無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，同時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)其他異常，例如冒煙、異響以及異味等，這意味著電流較小，無(wú)法滿足電機(jī)的運(yùn)作需要。造成該情況的原因：牽引電機(jī)的電源接觸不良造成的電流較小；或是過(guò)流繼電器的調(diào)節(jié)不合理，導(dǎo)致電源沒(méi)有有效接通造成的故障；還可能是因?yàn)檫^(guò)高的溫度使熔絲發(fā)生熔斷情況導(dǎo)致無(wú)法正常的故障；最后，還有可能是軸承出現(xiàn)電流，軸承出現(xiàn)電流后的流動(dòng)如圖2所示。為了保證電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，需要計(jì)算其電壓變化率，計(jì)算公式是通過(guò)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，能夠有效地避免軸承電流的出現(xiàn)。2）地鐵車輛牽引電機(jī)運(yùn)作過(guò)程中出現(xiàn)的故障。一般情況下，地鐵車輛牽引電機(jī)運(yùn)作過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)異響這一問(wèn)題，主要是因?yàn)殡娫措妷哼^(guò)高，長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)使其出現(xiàn)異響。除此之外，還有可能是電機(jī)的定子油量較低，進(jìn)而導(dǎo)致異響故障的發(fā)生。另外，地鐵車輛牽引電機(jī)在運(yùn)作過(guò)程中的振動(dòng)幅度較大是由電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子出現(xiàn)問(wèn)題或者鐵芯松動(dòng)和變形引發(fā)的。

圖2 軸承電流流動(dòng)示意圖

3 分析診斷地鐵車輛電機(jī)牽引故障的技術(shù)

3.1 聲音診斷技術(shù)

技術(shù)維修人員在開(kāi)展實(shí)際的故障診斷工作過(guò)程中，應(yīng)保證電機(jī)處于空載穩(wěn)定狀態(tài)，之后再對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析和診斷。一般情況下，電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)速是同步的，也就是按照公式的速度進(jìn)行，其中，n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以，60為每分鐘60秒，f為電源頻率，p為電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)。在對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷時(shí)，可使用額定轉(zhuǎn)速的方法進(jìn)行，從而保證測(cè)試結(jié)果的科學(xué)性和合理性。需要注意的是，技術(shù)維修人員應(yīng)保證電壓率的穩(wěn)定性和點(diǎn)頻率的穩(wěn)定性，從而提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外，還要保證電機(jī)處于通電狀態(tài)，并且結(jié)合自身的診斷經(jīng)驗(yàn)作為參照標(biāo)準(zhǔn)之一，對(duì)電機(jī)軸承的噪聲進(jìn)行評(píng)估，從而開(kāi)展全面、科學(xué)的地鐵車輛電機(jī)故障噪聲診斷工作，為后續(xù)的故障處理工作以及地鐵車輛的使用奠定良好的基礎(chǔ)[2]。

以軸承出現(xiàn)異常聲音的電機(jī)故障為例，在對(duì)其進(jìn)行故障診斷時(shí)，主要是對(duì)電機(jī)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的雜音進(jìn)行判斷，然后使用聲音對(duì)比法對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步診斷，最后得到測(cè)試數(shù)據(jù)。需要注意的是，在開(kāi)展測(cè)試工作時(shí)，要保證電機(jī)處于額定頻率或是低頻的狀態(tài)。具體診斷步驟包括以下2點(diǎn)內(nèi)容：1）科學(xué)分解電機(jī)，對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行觀察。在該技術(shù)案例中發(fā)現(xiàn)，電機(jī)內(nèi)部的油脂出現(xiàn)固化的現(xiàn)象，且存量較少，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中摩擦較大。另外，電機(jī)內(nèi)部的滾珠面已生銹，在將油脂擦拭掉后，發(fā)現(xiàn)少許滾珠面出現(xiàn)了幾個(gè)沿軸向且程度不一的凹陷印子。2）對(duì)電機(jī)內(nèi)部現(xiàn)象進(jìn)行分析，研究導(dǎo)致其生銹的原因。對(duì)其進(jìn)行全面分析后發(fā)現(xiàn)，在電機(jī)日常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，水分隨著空氣進(jìn)入了電機(jī)的軸承室內(nèi)，經(jīng)過(guò)時(shí)間的推移，逐漸發(fā)生銹蝕反應(yīng)。然后判斷滾珠面凹陷印子的來(lái)源，可與內(nèi)環(huán)面的印槽進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在組裝電機(jī)轉(zhuǎn)子的過(guò)程中，滾珠拉傷了內(nèi)環(huán)面，在牽引電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，摩擦力逐漸增加，進(jìn)而導(dǎo)致凹陷印子的出現(xiàn)。

3.2 電機(jī)體診斷技術(shù)

在對(duì)地鐵車輛牽引電機(jī)故障進(jìn)行診斷時(shí)，可以采用電機(jī)體振動(dòng)診斷技術(shù)，從而提高診斷工作的全面性和準(zhǔn)確性。具體來(lái)說(shuō)，在使用電機(jī)體振動(dòng)診斷技術(shù)時(shí)，主要是對(duì)電機(jī)體的振動(dòng)幅度進(jìn)行測(cè)試。一般情況下，是在電機(jī)體的水平方向使用彈性吊架對(duì)其幅度進(jìn)行測(cè)試，或是在電機(jī)體的垂直方向進(jìn)行測(cè)試。技術(shù)維修人員應(yīng)注意，在開(kāi)展電機(jī)體振動(dòng)診斷作業(yè)時(shí)，要確保避免外界其他因素的干擾，保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外，在通過(guò)電機(jī)體振動(dòng)進(jìn)行故障診斷時(shí)，應(yīng)明確把握震蕩參考測(cè)量點(diǎn)以及震蕩值，數(shù)值一般不超過(guò)3.5 m/s。具體如圖3所示。

3.3 溫度診斷技術(shù)

從目前現(xiàn)狀來(lái)看，在對(duì)電機(jī)軸承溫度進(jìn)行診斷時(shí)，使用的方法一般是利用商用磁石PT100溫度傳感器對(duì)其溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)試。首先，接通電機(jī)的電源，靜置一段時(shí)間，等待軸承溫度的升高；其次，使用商用磁石PT100溫度傳感器對(duì)軸承溫度進(jìn)行測(cè)試；最后，對(duì)溫度進(jìn)行判斷，并對(duì)其進(jìn)行二次測(cè)試，對(duì)比2次的溫度值，從而判斷牽引電機(jī)是否出現(xiàn)軸承溫度過(guò)高的故障。另外，還可以使用通用傳感器接口UTI法，該方法主要通過(guò)MCU得到PT100和參考電阻的比例，進(jìn)而得到溫度[3]。該傳感器如圖4所示。

4 分析維修地鐵車輛電機(jī)牽引故障的技術(shù)

4.1 結(jié)合實(shí)際情況，構(gòu)建故障表格

故障類型結(jié)構(gòu)表的構(gòu)建主要是歸納、整理、劃分各種類型的故障，提高維修工作的效率和質(zhì)量。由于在實(shí)際的地鐵車輛牽引電機(jī)維修過(guò)程中，維修人員僅通過(guò)故障診斷技術(shù)就對(duì)具體故障進(jìn)行判斷是不全面的，且故障不一定是單一的，也有可能是多個(gè)故障同時(shí)發(fā)作。因此，僅通過(guò)故障診斷或是人員描述無(wú)法確切地把握地鐵車輛牽引電機(jī)的具體故障。但通過(guò)構(gòu)建故障類型結(jié)構(gòu)表，能夠根據(jù)該表格掌握目標(biāo)電機(jī)曾出現(xiàn)的故障以及引發(fā)故障的原因，從而對(duì)故障類別以及故障的實(shí)際成因進(jìn)行全面準(zhǔn)確的分析，進(jìn)而提高故障處理、電機(jī)維修的質(zhì)量和效率。同時(shí)，加強(qiáng)維護(hù)，具體維護(hù)周期及內(nèi)容見(jiàn)表1。

圖3 電機(jī)體振動(dòng)診斷

圖4 商用磁石PT100溫度傳感器

表1 具體維護(hù)周期及內(nèi)容

4.2 處理電腐蝕故障的有效技術(shù)

對(duì)于地鐵車輛牽引電機(jī)的故障來(lái)說(shuō)，最常出現(xiàn)的就是電機(jī)異響，會(huì)對(duì)地鐵車輛牽引電機(jī)產(chǎn)生重要影響且會(huì)出現(xiàn)異響的原因之一就是電機(jī)的軸承出現(xiàn)了電腐蝕現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)較為嚴(yán)重的故障。在對(duì)該故障進(jìn)行處理時(shí)，可采用以下4點(diǎn)維修措施：1）低逆變器負(fù)極和EMI電容進(jìn)行優(yōu)化。該維修措施的主要根據(jù)為地鐵車輛的接線原理和結(jié)構(gòu)，相關(guān)技術(shù)維修人員結(jié)合實(shí)際情況，選擇合適的變流器負(fù)極EMI變?nèi)荩ㄟ^(guò)優(yōu)化軸承電流的通路，進(jìn)而降低電壓，解決電機(jī)軸承異響的出現(xiàn)。具體操作步驟是首先對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行分析，科學(xué)選擇EMI電容；然后合理安裝EMI電容，一般情況下，可將其安裝在靠近逆變器負(fù)極的地方，且選擇質(zhì)地軟、長(zhǎng)度短的線進(jìn)行對(duì)接，例如銅絞線，從而降低電感值[4]。2）對(duì)接地方案進(jìn)行完善。在使用該方法對(duì)地鐵車輛牽引電機(jī)軸承的電腐蝕故障進(jìn)行處理時(shí)，需要以整個(gè)車輛的接地標(biāo)準(zhǔn)為前提，再對(duì)接地位置進(jìn)行合理調(diào)整。一般情況下是通過(guò)安裝接地電阻，將其安裝在構(gòu)架和軸端之間后，能夠降低感抗值，減少電機(jī)軸承的電流和電機(jī)的軸電壓。3）加設(shè)濾波器，對(duì)逆變器控制軟件進(jìn)行優(yōu)化。該設(shè)備一般安裝在逆變器上的輸出端，進(jìn)而降低低脈沖電壓的電壓變化率。同時(shí)，轉(zhuǎn)差率s如公式（2）所示。

式中：s為轉(zhuǎn)差率，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，n1為同步轉(zhuǎn)速，通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)差率并對(duì)其進(jìn)行控制，能夠有效減少電機(jī)軸承電流在對(duì)逆變器控制軟件進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，主要是對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)進(jìn)行調(diào)整，從而在保證逆變器平穩(wěn)運(yùn)作的同時(shí)，降低電壓變化率。4）對(duì)電機(jī)絕緣軸承進(jìn)行更換，優(yōu)化其性能。從目前現(xiàn)狀來(lái)看，絕緣軸承主要分為3種，分別是內(nèi)圈絕緣軸承、外圈絕緣軸承以及陶瓷混合滾子軸承。但是，其中的外圈絕緣軸承具有一定的局限性，當(dāng)遇到高頻軸電壓時(shí)，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效絕緣，因此在使用該絕緣軸承時(shí)，往往需要配備潤(rùn)滑油膜，但這極易導(dǎo)致軸承電流的出現(xiàn)，不利于電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。而內(nèi)圈絕緣軸承的適用性較差，在其使用過(guò)程中需要開(kāi)展高標(biāo)準(zhǔn)的裝配工作。因此，最好使用陶瓷混合滾子軸承，相較于內(nèi)圈絕緣軸承和外圈絕緣軸承，該軸承不僅成本適中，還能夠?qū)﹄妷哼^(guò)高進(jìn)行抑制，最重要的是可以降低電腐蝕發(fā)生的概率，進(jìn)而徹底解決牽引電機(jī)軸承電腐蝕故障問(wèn)題，避免異響，保證地鐵車輛的安全運(yùn)作。

4.3 以排除法為核心，處理具體故障

綜上所述，在地鐵車輛牽引電機(jī)運(yùn)作過(guò)程中，其電機(jī)極易出現(xiàn)各種各樣、不同程度的故障，導(dǎo)致相關(guān)技術(shù)維修人員在對(duì)故障進(jìn)行處理時(shí)，往往出現(xiàn)故障混亂或者漏掉故障的情況。因此，在對(duì)地鐵車輛牽引電機(jī)故障進(jìn)行維修處理時(shí)，維修人員可以使用故障排除法開(kāi)展精準(zhǔn)的維修工作。具體來(lái)說(shuō)，相關(guān)技術(shù)維修人員應(yīng)制定定期的檢修方案，定期更換軸承，并對(duì)其進(jìn)行異物清理等方面的工作，在對(duì)其進(jìn)行組裝時(shí)注重油脂的刷涂，避免故障的出現(xiàn)。在此過(guò)程中需要注意的是，在對(duì)其進(jìn)行刷涂時(shí)，要提前預(yù)留空間，降低溫度升高情況的發(fā)生概率，而且，在開(kāi)展電機(jī)測(cè)試作業(yè)時(shí)，要對(duì)額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，在此之前需要掌握最大轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式如公式（3）所示。

式中：γ為電機(jī)過(guò)載能力，Mmax為最大扭矩力，MN為額定轉(zhuǎn)矩，通過(guò)計(jì)算和對(duì)最大轉(zhuǎn)矩的把握，使油脂和軸承能夠進(jìn)行充分的磨合，從而提高電機(jī)的穩(wěn)定性。最后，通過(guò)測(cè)試溫度、聽(tīng)電機(jī)運(yùn)行聲音等方式進(jìn)行故障維修時(shí)，關(guān)注技術(shù)要點(diǎn)，從而保證維修質(zhì)量。

5 結(jié)論

總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于地鐵車輛的日常運(yùn)行來(lái)說(shuō)，保證牽引電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)質(zhì)量具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，直接影響地鐵車輛運(yùn)作的安全性和穩(wěn)定性。相關(guān)技術(shù)維修人員應(yīng)通過(guò)噪聲診斷法以及溫度測(cè)試法等措施科學(xué)診斷故障，通過(guò)故障排除法和電腐蝕故障處理技術(shù)等開(kāi)展維修工作，促進(jìn)地鐵事業(yè)可持續(xù)發(fā)展。