HX系列機車交流牽引電機典型故障分析與解決方案

牛志鈞，衛文改，王 鑫

（中車永濟電機有限公司，山西永濟 044502）

交流牽引電機是HX系列機車的關鍵部件，它的順暢運轉直接影響到HX系列機車的正常運行，甚至影響列車正點率。

公司制造及高級修的新型HX系列機車用交流牽引電機，目前在線運行最高里程已達200余萬公里，牽引電機的檢修開始進入大修階段，隨著電機運行里程的不斷增加，牽引電機故障也在逐年增加，于是我們對牽引電機檢修過程中發現的故障進行匯總歸類，逐一分析原因并提出解決方案，下面從轉子、定子、電機裝配和電機振動等幾個方面闡述。

1 轉子故障類型與解決方案

1.1 轉子軸錐面損傷

1.1.1轉子軸錐面損傷特征及原因

轉子軸錐面損傷是轉子最常見的故障現象之一，如圖1所示，主要表現為①表面圓周劃傷；②運行中轉軸彎曲變形、磨損、裂紋；③流轉過程中造成磕碰等損傷，原因系機車運行中振動、齒輪嚙合對轉軸軸錐的沖擊力及主動齒輪與軸錐面間的摩擦力對軸錐面影響[1]。如HX機車某牽引電機經過一段時間運行，轉子傳動端軸錐面大端與主動齒輪配合部位根部出現目視可見或探傷可見的圓周向裂紋，經探傷分析為疲勞裂紋。經過長期跟蹤研究及分析，最終發現軸錐面產生疲勞裂紋的原因為主動齒輪與轉軸軸錐面過盈配合，同時承受機車振動，最終導致在接觸線處產生圓周向微動裂紋，如圖2所示。

1.1.2軸錐面損傷修復方案

通過軸錐面手工修磨達使用狀態。用專用油石、沙紙蘸上煤油對軸錐面損傷部位沿圓周方向進行修研，消除損傷缺陷，然后將軸錐面用煤油擦洗干凈，用專用環規、深度尺檢測軸錐接觸面積是否符合標準。如果H值超差，即軸錐沒有研磨的余量，則換軸處理，如圖3所示。

圖1 轉軸軸錐工作表面劃傷

圖2 軸錐與主動齒輪交界面圓周向裂紋

1.1.3避免軸錐面磕碰傷的措施

為消除在轉子檢修或流轉過程中對轉軸的磕碰傷，針對不同產品的轉軸制作專用的橡膠保護套對轉軸軸錐面進行防護，有效避免轉運及檢修過程中對轉軸可能造成的磕碰傷、劃傷等機械損傷，如圖4所示。

1.2 鼠籠轉子導條斷裂

1.2.1故障特征

圖3 軸錐表面修研

圖4 用專用護套對軸錐面防護

在轉子檢修時對導條與端環焊接部位進行滲透探傷，發現導條表面有裂紋，如圖5所示，將轉子端環融掉后，發現導條裂紋從導條內徑處向外徑處呈放射狀出現，如圖6所示。

圖5 導條與端環焊接熱影響區裂紋

圖6 導條裂紋從內徑處向外徑處延伸

1.2.2原因分析

（1）端環和導條離心力使導條根部應力集中。由于端環是兩個純銅厚壁圓環，在電機高轉速旋轉時，端環和導條會產生較大的離心力，特別是導條伸出部分不受約束[2]，離心力作用在導條和端環的焊接部位，產生比較大的內應力，時間長容易疲勞斷裂。

（2）電機啟動電流大且啟動頻繁。交流牽引電機在啟動時，導條中會產生額定電流4～7倍的啟動電流，導條在大電流作用下會發熱變形，機械強度隨之下降，導條在槽中部分因為受到鐵芯約束變形較小，銅條伸出鐵芯部分由于沒有約束，在大電流發熱的情況下容易產生變形，電機啟動后，轉子電流逐漸恢復額定值，導條溫度開始下降，導條銅材又開始收縮，如此反復熱漲冷縮，電機的頻繁啟動又加劇了這種變形，使導條逐漸疲勞產生裂紋。

（3）導條與端環焊接問題。當焊材由液相向固相轉變過程中以及溫度降低的過程中，體積會減小很多，這會造成焊接結構的內應力，嚴重時會在焊接部分出現小裂紋[3]。

1.2.3解決方案

（1）減小應力集中。把導條端部伸出部分加工的清根直角改圓角，這樣有效減小了應力集中的影響，如圖7所示。

（2）將導條端部加工成鋸齒槽形狀，以增加導條與端環的焊接面積，同時鋸齒槽有利于導條之間的融化的焊料相互融通，如圖8所示。焊前將焊接部位清理到金屬光澤，不得有任何雜物，端環與導條凹槽接觸之根部焊縫應呈圓滑浸潤狀的圓角過渡。

（3）對于極個別導條經常斷裂的鼠籠轉子，在端環外圓加工凹槽，熱套護環，抵消端環離心力。轉子護環采用不銹鋼材質，目的是避免產生渦流。安裝護環時，端環與護環配車應保證0.2 mm左右的過盈量，如圖9所示。

圖7 圓角導條過渡角

1.3 轉子鐵芯沖片松動、掉齒

1.3.1故障特征

圖8 導條端部鋸齒槽

圖9 加護環的鼠籠轉子結構

轉子鐵芯沖片間松動、掉齒是常見的電機轉子故障之一，在檢修采用目測方案就能發現轉子沖片是否有松動、掉齒，轉子鐵芯沖片松動、掉齒時繼續使用，危害性很大，會導致沖片斷裂，嚴重的會使沖片頭斷裂甩脫，對電機定子繞組絕緣造成損傷，造成繞組接地，如圖10所示。

圖10 轉子沖片松動

1.3.2原因分析

電機運行時，鐵芯受熱膨脹，遭到附加壓力，沖片之間的漆膜在壓力和熱膨脹作用下產生逐漸收縮，粗糙面逐漸密合，降低沖片密合度，當鐵芯之間收縮0.3%時，鐵芯壓力降至初始壓力的一半。鐵芯松動后，在轉子高速旋轉下，沖片會產生振動，使沖片絕緣摩擦和變薄，進一步降低鐵芯壓力，形成惡性循環[4]。

1.3.3解決方案

在檢修中發現轉子沖片有松動而未出現掉齒現象的，即沖片間有明顯縫隙的，先將轉子導條進行漲緊，加大對轉子沖片的預緊力，然后將轉子進行真空壓力浸漆，即用絕緣漆填充沖片之間的縫隙，使沖片之間粘接牢固并消除沖片之間的縫隙，從而避免鐵芯松動。

2 定子故障類型與解決方案

2.1 定子繞組接地

2.1.1故障特征

對接地故障電機的情況進行統計分析，得出以下規律及結論：

（1）隨上線運行時間及運行里程的增加呈增長趨勢。

（2）故障位置規律明顯，集中在槽口部位。

（3）在潮濕環境下接地故障率明顯升高。

2.1.2原因分析

①槽口部位線圈存在拐角區，存在一定空隙，這樣線圈存在移動的空間。電機長期振動導致線圈振動，槽口部分的線圈由于拐角區空隙的存在逐漸松動，并與鐵芯槽口反復摩擦導致絕緣破損接地。②槽口部位線圈拐角區存在空隙，牽引電機在車底下安裝，工況惡劣，這樣槽口拐角區會堆積大量導電性灰塵，使槽口處線圈的絕緣性能大幅下降，導致絕緣電阻低，這樣槽口處線圈成為薄弱點。③定子繞組某一部位長期遭受細微粒子不斷沖擊后損傷絕緣，機車牽引電機的過濾網是設置在通風機吸風孔處，運行過程中若吸入風內夾雜的棉絮或沙粒異物時，風源中夾帶的微小沙粒會直接進入牽引電機內部，加上風壓，便會對電機端部繞組及槽口表面線圈進行沖擊，造成電機繞組端部及槽口絕緣磨損，進風端槽口損傷高于出風端槽口，這與故障部位趨向性相吻合，如圖11所示。

圖11 定子繞組短路燒損

2.1.3解決方案

（1）針對槽口部位絕緣薄弱，對繞組槽口部位進行某種雙組份硅橡膠灌封，灌封后會在電機線圈兩端槽口25 mm區域形成一個硅橡膠圓柱體，增加線圈與鐵芯的一體化程度，減小線圈與鐵芯之間的振動摩擦，同時將線圈槽口拐角區域密封，減小導電性灰塵進入，增強絕緣性能，如圖12～圖13所示。

（2）針對牽引電機長期運行絕緣漆表面易產生龜裂的現象，對牽引電機定子采取真空壓力浸漆，以修復定子絕緣漆表面龜裂的現象。

（3）檢修過程中對牽引電機定子繞組進行浸水試驗，根據電機冷態絕緣電阻的下降程度發現電機絕緣隱患，對于嚴重不達標的電機更換繞組。

圖12 定子槽口灌封示意圖

圖13 定子槽口灌封效果圖

2.2 定子繞組絕緣介質損耗偏大超標

絕緣在交變電場的作用下產生極化損耗和導電損耗，損耗視在功率可分為有功損耗P和無功損耗Q，其比值就是介質損耗tanδ，tanδ=P/Q。無功損耗Q由通過介質的電容電流Ic產生，有功損耗P由電阻性電流Ir使介質發熱產生[5]，如圖14。

介質損耗高的主要原因有繞組絕緣受潮、絕緣老化變質等。

圖14 介質損耗tanδ 原理圖

解決方案：對介質損耗超標的電機，一般采取對定子重新進行烘焙以排除定子繞組絕緣受潮的影響，若烘焙處理后測量值仍然不符合標準，則說明定子繞組絕緣存在缺陷或絕緣劣化，可采用對定子繞組重新浸漬絕緣漆、繞組槽口部位硅橡膠灌封等處理方案降低定子繞組介質損耗。

2.3 定子機座裂紋

在電機定子機座檢修過程中，通過目測及無損探傷檢測的方案，可發現部分定子機座尤其是吊掛及定子焊縫處出現裂紋缺陷，主要原因系牽引電機長期運行過程中受振動，內部應力集中造成疲勞裂紋。

解決方案：對裂紋故障記錄、標記并處置，處置方案為將裂紋缺陷打磨消除后進行無損探傷檢測，確認缺陷完全消除后進行補焊、然后對焊接部位再次進行無損探傷確認。

3 電機總裝后軸對地絕緣電阻值低故障

交流牽引電動機兩端采用絕緣軸承，總裝后常發現軸對地絕緣電阻低，甚至絕緣電阻為零。經過跟進后發現，檢修電機配件附著有浮銹、沙塵，配件從上工序向下工序進行流轉過程防護不當會發生小磕碰，導致配件加工面出現肉眼難以分辨的微小高點、毛刺。這類配件裝配后，因配件配合間隙夾雜著浮銹、沙塵或磕碰產生的高點或毛刺，導致本應間隙配合的配件間介電常數變小，產生電機轉軸對機座絕緣電阻低故障。

遇到上述故障后，電機進行拆解，在轉軸熱套件上或軸承室內封環上經常發現浮塵、高點或毛刺等，將配件重新清洗或去除高點毛刺，再次裝配，電機軸對地絕緣恢復正常。

在防止牽引電機軸對地絕緣電阻低故障的措施中，加強各檢修配件上的微小浮塵、高點和毛刺的檢查和清理是防止絕緣軸承對地絕緣電阻值低的關鍵措施，需引起質量管理人員的高度關注。

4 電機振動故障

牽引電機出廠試驗振動是最常見的故障，振動分為電磁振動和機械振動，特征及原因見表1。

根據表1，從電機振動的頻率與電源頻率的關系，水平、垂直、軸向3個方向振動速度值的大小，振動頻率與轉速的關系3個方面入手，我們能夠快速找到振動原因，消除故障因素，提高電機振動診斷的效率和準確率。

表1 電機振動原因及特征

5 結束語

通過對HX系列機車牽引電機檢修過程中發現的典型故障進行匯總分類，分析原因并提出解決方案，有利于廣大機車、動車檢修技術人員快速識別故障類型并找到解決方案，也有利于電機設計人員從源頭上杜絕問題發生。