牽引電機的主要故障及診斷方法綜述*

楊宏博，劉詩佳，宋永豐，黃 金

（1 中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081；2 北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，北京100081；3 中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京100081）

牽引電機的主要故障及診斷方法綜述*

楊宏博1，劉詩佳2，宋永豐3，黃 金3

（1 中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081；2 北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，北京100081；3 中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京100081）

以牽引電機使用過程中發(fā)生的常見故障為研究對象，從電氣和機械兩方面分析了電機故障的原因，電機在實際使用過程中存在多重故障同時發(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、擴展Park矢量變換等多種故障診斷方法，為電機故障診斷的研究提供指導(dǎo)。

牽引電機；故障分析；診斷方法

牽引電機作為主要動力設(shè)備，對動車組的可靠運行起著至關(guān)重要的作用，同時電機故障所造成的損失和維修費用也是相當(dāng)可觀的。因此分析牽引電機的故障及對故障診斷方法的探索具有重要理論研究價值和工程實踐意義。

1 牽引電機的故障類型及原因

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

電機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導(dǎo)致層間墊條磨損、線圈制作過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長期處于過載狀態(tài)或操作過電壓，導(dǎo)致繞組絕緣老化變質(zhì)，從而引起絕緣對地擊穿［1］。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械力的振動，致使導(dǎo)線焊接點開焊，或因焊接工藝不當(dāng)，引起焊接點過熱造成開焊，有時導(dǎo)線存在夾層、脫皮等缺陷也會導(dǎo)致繞組斷路（圖1）。

鐵芯松動一方面是由于制造時鐵芯壓裝不緊或定子鐵芯緊固件松脫或失效時發(fā)生的，另一方面是電機運行時，其鐵芯會受熱膨脹、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。鐵芯松動會導(dǎo)致電磁噪聲增加，長期存在將導(dǎo)致繞組絕緣因振動大而縮短壽命。

轉(zhuǎn)子故障表現(xiàn)為籠條及端環(huán)斷裂、開焊。電機在反復(fù)啟動、運行、停轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子不僅承受很大沖擊力和熱應(yīng)力，還會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)會因應(yīng)力分布不均勻而斷裂。另外，負載變化和電壓波動使籠條在交變負荷的作用下容易產(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)力沒有徹底消除，將更容易發(fā)生轉(zhuǎn)子故障，出現(xiàn)電機啟動時間延長、轉(zhuǎn)差率增大、電機噪聲增加甚至更嚴重的影響［2］。

軸承的內(nèi)外滾道和滾動體表面之間既承受載荷又相對滾動，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（點蝕）故障。由于軸承表面有較大的電流通過，軸承表面長期存在有潤滑油、水分或濕氣等，同時軸承套環(huán)在軸承座孔中或者軸頸上產(chǎn)生微小相對運動，軸承會分別產(chǎn)生電腐蝕、化學(xué)腐蝕和微振磨耗腐蝕。腐蝕失效會加劇軸承的磨損。軸承零件斷裂是由于工作應(yīng)力過大或熱處理、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啟動加速度過大、速度過高、溫度過高、潤滑不良導(dǎo)致軸承的外滾道或內(nèi)滾道與滾動體表面之間由于受熱而局部熔合在一起的。

2 電機故障診斷方法

通過分析定子三相電流，文獻［3］開發(fā)了電機故障診斷虛擬儀器系統(tǒng)，診斷電機定子繞組匝間短路、轉(zhuǎn)子斷條、氣隙偏心等故障。定子的三相電流由傳感器測得，故障診斷系統(tǒng)相應(yīng)模塊將信號適當(dāng)放大，進行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集，以及對采樣信號進行時域和頻域分析。由于不同故障模式會產(chǎn)生不同的電流頻譜，其中定子繞組匝間短路時三相定子電流不對稱，出現(xiàn)負序電流分量；轉(zhuǎn)子斷條或氣隙偏心故障發(fā)生時也會在定子繞組中出現(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)計程序處理，最終輸出電機的故障狀態(tài)，從而實現(xiàn)電機故障的在線診斷和自動識別。

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

文獻［5］基于定子電流信號處理對電機轉(zhuǎn)子故障和氣隙不均勻故障進行診斷分析。電機故障時，定子電流的幅頻特性和相頻特性會有明顯的變化，相同頻帶內(nèi)信號的能量會有較大差別，通過對采集到的定子電流信號進行小波分解和分解系數(shù)重構(gòu)，提取各頻帶范圍的信號特征，以各頻帶信號的總能量構(gòu)造特征向量，經(jīng)過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故障之間的映射關(guān)系，最終確定故障類別。該方法從能量分布的角度出發(fā)，可快速且較為準確地診斷出電機故障。

文獻［6］介紹了峰值能量法和沖擊脈沖法，用于診斷電機軸承的故障。峰值能量法利用軸承發(fā)生故障時會產(chǎn)生高頻振動的機理，將傳感器拾取的振動信號進行濾波放大處理，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產(chǎn)生脈沖性振動且沖擊脈沖的強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［7］將Park矢量變換應(yīng)用于異步電機的故障診斷中，應(yīng)用矢量變換將三相對稱定子電流產(chǎn)生的合成基波旋轉(zhuǎn)磁場等效變換為兩個軸線相互垂直的合成磁場，使電機定子三相電流能夠在d，q坐標系的平面軌跡圖中表示，用圖形化的方式表述電機的狀態(tài)信息。電機正常工作時電流Park矢量軌跡接近于圓，當(dāng)電機出現(xiàn)斷條故障時，Park矢量軌跡為非圓，當(dāng)電機定子繞組短路時，Park矢量軌跡是一個橢圓，橢圓的長軸指向故障相。Park矢量變換能正確提取異步電機的故障特征，有效鑒別電機的多種故障及故障存在位置。

文獻［8］分析了擴展Park矢量方法診斷鼠籠型異步電機轉(zhuǎn)子斷條故障的有效性?；赑ark矢量，對Park矢量的模進行頻譜分析。轉(zhuǎn)子發(fā)生斷條故障時，擴展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應(yīng)的兩個邊頻交流分量。通過分析實測數(shù)據(jù)，得出擴展Park矢量頻譜分析的結(jié)果與計算結(jié)果相吻合，驗證了運用擴展Park矢量方法診斷轉(zhuǎn)子斷條故障的可用性和準確性。

電機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、操作簡單等優(yōu)勢，但傳統(tǒng)的基于傅里葉變換的信號分析方法難以對故障信號中的微弱信號和奇異信號成分進行特征提?。恍〔ㄗ儞Q與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的診斷方法以方便信號特征提取的優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用，但計算量比較大，還會受到神經(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，更直觀地鑒別電機的故障情況，但實際測量的電機定子電流通常存在諧波和噪聲信號，對于故障特征的提取和判定有一些難度。

以上方法均在試驗中驗證了故障診斷的有效性，但由于電機在實際故障時一般會影響多個參數(shù)變化，同時體現(xiàn)故障特征的信號比較微弱并且不是唯一的，這對故障診斷和定位帶來極大的困難。若要實現(xiàn)電機故障的在線診斷，可通過綜合多種診斷方法，識別故障特征，從而得出較為準確的診斷結(jié)果。例如以虛擬儀器系統(tǒng)為平臺，采集并向系統(tǒng)輸入電機的振動信號和定子電流信號，在軟件的程序中添加小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Park矢量變換和擴展Park矢量變換等故障診斷方法，將采集到的信號用多種方法同時診斷，并對診斷結(jié)果進行對比，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，同時各種方法的分析結(jié)果也可通過點擊軟件面板相應(yīng)的按鈕顯示出來，方便后續(xù)故障分析和軟件程序修改。以這種方式進行電機故障在線診斷，可以避免單一診斷方法的局限性，擴展了診斷系統(tǒng)的適用范圍。

3 結(jié)束語

本文對牽引電機使用過程中發(fā)生的主要故障進行分類，簡要分析故障發(fā)生的原因，并介紹了電機主要故障的診斷方法，最后提出電機故障在線診斷的思路。通過多種方法對故障進行診斷和比較，能夠得出更為準確的診斷結(jié)果，具有實際應(yīng)用價值。

［1］ 韋光慶.電機檢修技術(shù)問答［M］.北京：中國電力出版社，2002.

［2］ 郭世明.機車檢測與故障診斷技術(shù)［M］.北京：中國鐵道出版社，2011.

［3］ 鄭玉芳，馬松齡.基于電流分析法的電動機故障診斷虛擬儀器系統(tǒng)的研制［J］.計算機測量控制，2010，18（3）：512-514.

［4］ 王紅君，劉冬生，岳有軍.基于小波分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電機故障診斷方法研究［J］.電氣傳動，2010，40（3）：69-73.

［5］ 肖蕙蕙，熊雋迪，李川，何莉.基于定子電流監(jiān)測方法的電機故障診斷［J］.電機與控制應(yīng)用，2008，35（1）：54-57.

［6］ 付茂生.電機故障診斷探討［J］.電站系統(tǒng)工程，2006，22（6）：48.

［7］ 張 強，張建文，張 勇.Park矢量變換在異步電機故障診斷中的應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2006，25（6）：35-36.

［8］ 張建文，張振明，朱寧輝，姚 奇.基于Park矢量的變頻電源供電的籠型異步電機轉(zhuǎn)子斷條故障診斷方法［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報，2006，33（6）：39-42.

［9］ 劉曼蘭，崔淑梅.永磁直流電機繞組脫焊故障在線診斷與分析［J］.電機與控制學(xué)報，2008，12（4）：430-434.

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

*鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目（2012J005－A）

8—）男，碩士研究生（

2014－02－28）