基于故障樹的牽引電機典型故障診斷研究

羅準，來占立，陳光興

（湖南聯誠軌道裝備有限公司，湖南 株洲 412000）

隨著“十四五”規劃提出的加快建設交通強國，同時，進一步實現國家雙碳戰略，軌道交通裝備的可靠性已經成為極其重要的一環。牽引電機發生故障將直接影響軌道交通裝備的發展，更重要的是關系到社會秩序的有序進行。因此，對牽引電機故障診斷研究是十分有意義的。為了有效降低和諧機車發生故障的概率，確保和諧機車的運營質量，本文對某型號牽引電機八年的故障數據進行了詳細分析和研究，得到導致該型牽引電機發生故障的關鍵原因，并在設計、加工與安裝、使用與維護中提出改進措施，確保和諧機車的可靠運行。

1 FTA技術原理概述

故障樹分析法，又名FTA(Fault Tree Analysis)，是一種評價系統可靠性和安全性的故障分析方法, 常用于電子、儀器儀表和機械設備的故障分析，對于系統故障的診斷、控制、預防有顯著的效果。該方法是一種由失效結果推演到失效原因的分析方法，它對系統失效的原因采用從整體至局部，按樹枝狀逐漸細化分析的方法。故障樹分析法可以分析單一缺陷引發的系統故障，同時，還可以分析多因素同時失效發生的情況。

故障樹的定性分析就是找出有可能導致頂事件發生的所有子事件，又稱為最小割集。割集指的就是故障樹中底事件的集合，當割集中這些底事件都發生時候，將會導致頂事件發生。

2 牽引電機典型故障診斷

2.1 故障統計

本文研究對象為本公司參與設計制造的某牽引電機，深入分析了2013～2021年的故障數據。故障發生次數共為377次，其中，257次軸承異響，22次絕緣失效，9次動平衡失效，10次跑外圈，74次軸承失效，5次電磁噪聲過大。該型電機故障所占比例圖如圖1所示。

圖1 電機故障所占比例

從圖1可以發現導致該型電機故障的主要原因是軸承異響﹑軸承失效和線圈絕緣失效3種情況。本文將針對這幾種情況開展故障樹的建立和定性分析。

2.2 軸承異響診斷

軸承是電機連接定子與轉子的關鍵部分，可以減少軸與端蓋之間的摩擦，是保障電機正常運行的核心零部件之一。隨著該型牽引電機在鐵路上的廣泛運用，電機軸承異響也成為了影響電機可靠性的重中之重。電機軸承異響的外在表現為軸承在電機運行中噪聲過大，通常是異常磨損的原因，導致異常磨損的有以下四種情況。

軸承磨粒磨損導致過早老化，將導致軸承異響。磨粒磨損是指微細顆粒或金屬磨屑擠入軸承內部，造成油脂上粘附大量的顆粒和異物，致使軸承在工作時，工作表面摩擦磨損，從而造成軸承異響，典型案例如圖2所示。這類異響故障軸承可以繼續運轉，但很快就會發展至疲勞剝落階段，所以應盡快更換清理軸承。

圖2 軸承磨粒磨損

軸承出現銹蝕情況，將導致軸承異響。軸承出現銹蝕包括套圈銹蝕；滾動體表面出現凹坑并銹蝕；套圈與鋼球的接觸部位，產生等間距或局部的銹蝕；以及嚴重的大面積的銹蝕。軸承銹蝕的形成原因與電機密封結構和軸承密封有關，軸承內部進水或由于水蒸氣凝聚，同時還帶入一些微細硬質物體粘附在摩擦副上，造成軸承銹蝕。當軸承發生銹蝕時，一方面，銹蝕產生的微細顆粒進入油脂中劣化基礎油的潤滑性能；另一方面，軸承本體上的銹蝕破壞了原有的滾動摩擦副，軸承運轉不暢而產生異響，典型案例如圖3所示。

圖3 軸承銹蝕

軸承潤滑脂不合格，也會導致軸承異響，如圖4所示。軸承潤滑脂不合格包括潤滑脂干涸發黑、潤滑不良、潤滑脂的使用量不合理以及潤滑脂本身質量不合格。如潤滑條件嚴重惡化時，局部摩擦發生，會導致摩擦面局部變形，甚至局部融化，產生粘著磨損。遇到此類問題時，及時更換潤滑脂。

圖4 潤滑油脂不合格

軸承過早磨損。軸承過早磨損包括轉子平衡未校準；電機使用不當，如長期超載運行；未按要求正常維護、保養；軸承配合部位制造精度不良；潤滑效果不佳等都會導致軸承過早磨損。

在發現電機軸承異響后，需對電機進行解體，再結合軸承異響的表現形式即可對軸承異響的原因進行判斷，最后，針對軸承異響的原因提出故障應對及預防措施。

造成軸承異響的原因，除上文所述外。由于牽引電機的組裝是由人工進行的，所以裝配不良也是造成軸承異響的原因之一。裝配不良包括軸承裝配過緊（或過松），過緊將導致摩擦增加（過松將出現走外圓的現象），亦或是端蓋與軸承蓋裝配不平行，均會造成軸承異響。

電機進水也會導致軸承異響，當電機防水結構失效或設計不當時，將導致電機密封不良，水將從電機軸伸端爬行入侵電機內部，或者從電纜處進入電機內部，將造成積水，引起外部硬質物質入侵破壞軸承。另外，根據該型電機故障分析報告，軸承本身質量不合格也是造成軸承異響的原因，如：新軸承金相組織不合格。

根據以上分析可以建立關于軸承異響的故障樹，如圖5所示。

圖5 軸承異響故障樹

2.3 軸承失效診斷

目前該型電機采用的是某品牌軸承6310/C3型軸承，造成該軸承失效的主要原因是：電機形位公差超差、軸承產生剝落、軸承游隙變化失效以及保持架破損，以此來編制軸承失效的故障樹，如圖6所示。

圖6 軸承失效故障樹

電機的形位誤差是通過改變軸承的內外圈接觸角來影響軸承壽命的，套圈傾斜條件下，內圈和外圈與滾動體之間相互接觸，產生接觸夾角，如圖7所示。同理，在徑向載荷和軸向載荷作用也會形成接觸角。不同之處在于內外套圈是否處于平行狀態。具體的協調方程如式（1）和（2）所示。

圖7 軸承套圈傾斜的幾何協調關系

根據該電機的軸承壽命計算可知，和諧機車運行時軸承將承受軸向方向3g的沖擊載荷，徑向方向承受1.5g的沖擊載荷。極端情況下非負載端軸承的徑向受力500N，軸向受力1500N。轉速為3500rpm時，考慮軸承套圈傾斜條件下，軸承的壽命分布如圖8所示(圖8為轉速變化時，傾斜角度對軸承壽命的影響變化趨勢)。軸承壽命計算表達式如式（3）所示。

圖8 不同轉速下傾斜角對軸承壽命的影響

根據計算結果，設計狀態下電機組裝后軸承極限傾角誤差為2.71′，當傾斜角度達到5′時，軸承壽命縮短20%；當達到7′時，軸承壽命將下降到原來的60%。

軸承套圈傾斜直接改變軸承的接觸角、接觸應力、旋滾比和溫度的分布。增大套圈的傾斜角度，將增大軸承的局部接觸角、局部接觸應力和局部溫度和滾珠的局部旋滾比，從而加劇軸承磨損，縮短軸承壽命。

2.4 絕緣失效診斷

該型電機絕緣主要分為繞組絕緣和引接線絕緣，從八年的故障統計分析結果來看，電機如出現絕緣失效，則都是繞組絕緣出現故障，而絕緣熱老化、絕緣發生浸漬或浸漆不良現象是造成繞組絕緣失效的原因。

熱老化本質上是氧化反應，在溫度比較高的情況下，絕緣內部的化學鍵會因為發熱引起的振動造成斷裂，從而導致絕緣更脆弱更易碎。電機發生過載和線圈松動均會導致溫度升高，從而導致絕緣熱老化。

浸漬或浸漆處理，能夠預防灰塵、潮氣和油等污物對絕緣的影響。當絕緣發生浸漬或浸漆不良的現象時，沙子、灰塵等微細顆粒將會存在電機內部，這些微細顆粒會隨著空氣流動對繞組絕緣造成磨損，以至于露出導體，便會發生接地故障。而潮氣、油等其它含化學污物將導致繞組絕緣發生軟化或者膨脹現象，結果會產生匝間短路或對地短路。

若檢查發現電機外殼帶電或測量絕緣電阻只有數十到數百歐，則需要及時檢查電機繞組絕緣是否發生故障。根據以上分析，可以總結出絕緣失效的故障樹，如圖9所示。

圖9 絕緣失效故障樹

3 故障預防及改進措施

3.1 設計

在電機軸伸端增加防護等級更高的防水、防塵罩和骨架油封等密封件和絕緣材料，防止雨水等其它外部異物浸入電機，對軸承、潤滑脂造成損害。優化轉軸的公差帶，將電機端蓋的軸承室的過渡配合改為間隙配合，改善軸承有效游隙的分布范圍。設計增加附加彈簧進行預緊，防止跑外圈和抑制轉軸軸向竄動，同時一定程度上優化軸承異響?？煽紤]在軸承上部設計儲油室，定期定量為軸承加潤滑脂。

3.2 加工與安裝

采用高精度數控車床，提高現有機床的加工精度。同時，改進軸承壓裝機和電機軸承組裝工藝，優化形位公差和尺寸公差的檢測方法和檢測標準，提高電機組件尺寸精度和形位精度的一致性。在進行軸承安裝時，應選取有資質的人員進行安裝，遵循軸承安裝規定，實現作業的程序化和標準化。

3.3 使用與維護

建立軸承存儲使用規范，確保軸承安裝符合工藝規范。定期加油加脂持續不傳潤滑脂，彌補因密封不良或運行磨損導致的缺油情況。定期清理絕緣和軸承，去除積存的粉塵及油污，進行干燥處理，保證電機運行的環境。根據使用與維護記錄，建立電機失效和故障診斷數據庫，形成電機發生故障的判斷準則，研究預防電機發生故障的判斷方法，比如振動的時域頻譜和頻域頻譜，形成量化標準。

4 結語

本文以某型牽引電機為研究對象，通過收集公司近八年的故障數據，統計并總結出其在使用中的最典型的幾種故障現象,針對軸承異響、軸承失效和絕緣失效這3種典型故障原因，剖析其形成機理和危害，并采用故障樹分析法對電機開展定性分析和研究。電機組裝后軸承極限傾角誤差為2.71′，當傾斜角度達到5′時，軸承壽命縮短20%；當達到7′時，軸承壽命將下降到原來的60%。最后，在設計、加工與安裝、使用與維護3個方面上提出預防電機典型故障的應對措施，保證牽引電機的運行效果及其可靠性。