HX系列機(jī)車(chē)交流牽引電機(jī)典型故障分析與解決方案

牛志鈞，衛(wèi)文改，王 鑫

（中車(chē)永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西永濟(jì) 044502）

交流牽引電機(jī)是HX系列機(jī)車(chē)的關(guān)鍵部件，它的順暢運(yùn)轉(zhuǎn)直接影響到HX系列機(jī)車(chē)的正常運(yùn)行，甚至影響列車(chē)正點(diǎn)率。

公司制造及高級(jí)修的新型HX系列機(jī)車(chē)用交流牽引電機(jī)，目前在線運(yùn)行最高里程已達(dá)200余萬(wàn)公里，牽引電機(jī)的檢修開(kāi)始進(jìn)入大修階段，隨著電機(jī)運(yùn)行里程的不斷增加，牽引電機(jī)故障也在逐年增加，于是我們對(duì)牽引電機(jī)檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的故障進(jìn)行匯總歸類(lèi)，逐一分析原因并提出解決方案，下面從轉(zhuǎn)子、定子、電機(jī)裝配和電機(jī)振動(dòng)等幾個(gè)方面闡述。

1 轉(zhuǎn)子故障類(lèi)型與解決方案

1.1 轉(zhuǎn)子軸錐面損傷

1.1.1轉(zhuǎn)子軸錐面損傷特征及原因

轉(zhuǎn)子軸錐面損傷是轉(zhuǎn)子最常見(jiàn)的故障現(xiàn)象之一，如圖1所示，主要表現(xiàn)為①表面圓周劃傷；②運(yùn)行中轉(zhuǎn)軸彎曲變形、磨損、裂紋；③流轉(zhuǎn)過(guò)程中造成磕碰等損傷，原因系機(jī)車(chē)運(yùn)行中振動(dòng)、齒輪嚙合對(duì)轉(zhuǎn)軸軸錐的沖擊力及主動(dòng)齒輪與軸錐面間的摩擦力對(duì)軸錐面影響[1]。如HX機(jī)車(chē)某牽引電機(jī)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行，轉(zhuǎn)子傳動(dòng)端軸錐面大端與主動(dòng)齒輪配合部位根部出現(xiàn)目視可見(jiàn)或探傷可見(jiàn)的圓周向裂紋，經(jīng)探傷分析為疲勞裂紋。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期跟蹤研究及分析，最終發(fā)現(xiàn)軸錐面產(chǎn)生疲勞裂紋的原因?yàn)橹鲃?dòng)齒輪與轉(zhuǎn)軸軸錐面過(guò)盈配合，同時(shí)承受機(jī)車(chē)振動(dòng)，最終導(dǎo)致在接觸線處產(chǎn)生圓周向微動(dòng)裂紋，如圖2所示。

1.1.2軸錐面損傷修復(fù)方案

通過(guò)軸錐面手工修磨達(dá)使用狀態(tài)。用專(zhuān)用油石、沙紙蘸上煤油對(duì)軸錐面損傷部位沿圓周方向進(jìn)行修研，消除損傷缺陷，然后將軸錐面用煤油擦洗干凈，用專(zhuān)用環(huán)規(guī)、深度尺檢測(cè)軸錐接觸面積是否符合標(biāo)準(zhǔn)。如果H值超差，即軸錐沒(méi)有研磨的余量，則換軸處理，如圖3所示。

圖1 轉(zhuǎn)軸軸錐工作表面劃傷

圖2 軸錐與主動(dòng)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(zhuǎn)子檢修或流轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)轉(zhuǎn)軸的磕碰傷，針對(duì)不同產(chǎn)品的轉(zhuǎn)軸制作專(zhuān)用的橡膠保護(hù)套對(duì)轉(zhuǎn)軸軸錐面進(jìn)行防護(hù)，有效避免轉(zhuǎn)運(yùn)及檢修過(guò)程中對(duì)轉(zhuǎn)軸可能造成的磕碰傷、劃傷等機(jī)械損傷，如圖4所示。

1.2 鼠籠轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂

1.2.1故障特征

圖3 軸錐表面修研

圖4 用專(zhuān)用護(hù)套對(duì)軸錐面防護(hù)

在轉(zhuǎn)子檢修時(shí)對(duì)導(dǎo)條與端環(huán)焊接部位進(jìn)行滲透探傷，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)條表面有裂紋，如圖5所示，將轉(zhuǎn)子端環(huán)融掉后，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)條裂紋從導(dǎo)條內(nèi)徑處向外徑處呈放射狀出現(xiàn)，如圖6所示。

圖5 導(dǎo)條與端環(huán)焊接熱影響區(qū)裂紋

圖6 導(dǎo)條裂紋從內(nèi)徑處向外徑處延伸

1.2.2原因分析

（1）端環(huán)和導(dǎo)條離心力使導(dǎo)條根部應(yīng)力集中。由于端環(huán)是兩個(gè)純銅厚壁圓環(huán)，在電機(jī)高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，端環(huán)和導(dǎo)條會(huì)產(chǎn)生較大的離心力，特別是導(dǎo)條伸出部分不受約束[2]，離心力作用在導(dǎo)條和端環(huán)的焊接部位，產(chǎn)生比較大的內(nèi)應(yīng)力，時(shí)間長(zhǎng)容易疲勞斷裂。

（2）電機(jī)啟動(dòng)電流大且啟動(dòng)頻繁。交流牽引電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，導(dǎo)條中會(huì)產(chǎn)生額定電流4～7倍的啟動(dòng)電流，導(dǎo)條在大電流作用下會(huì)發(fā)熱變形，機(jī)械強(qiáng)度隨之下降，導(dǎo)條在槽中部分因?yàn)槭艿借F芯約束變形較小，銅條伸出鐵芯部分由于沒(méi)有約束，在大電流發(fā)熱的情況下容易產(chǎn)生變形，電機(jī)啟動(dòng)后，轉(zhuǎn)子電流逐漸恢復(fù)額定值，導(dǎo)條溫度開(kāi)始下降，導(dǎo)條銅材又開(kāi)始收縮，如此反復(fù)熱漲冷縮，電機(jī)的頻繁啟動(dòng)又加劇了這種變形，使導(dǎo)條逐漸疲勞產(chǎn)生裂紋。

（3）導(dǎo)條與端環(huán)焊接問(wèn)題。當(dāng)焊材由液相向固相轉(zhuǎn)變過(guò)程中以及溫度降低的過(guò)程中，體積會(huì)減小很多，這會(huì)造成焊接結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)在焊接部分出現(xiàn)小裂紋[3]。

1.2.3解決方案

（1）減小應(yīng)力集中。把導(dǎo)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(yīng)力集中的影響，如圖7所示。

（2）將導(dǎo)條端部加工成鋸齒槽形狀，以增加導(dǎo)條與端環(huán)的焊接面積，同時(shí)鋸齒槽有利于導(dǎo)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(huán)與導(dǎo)條凹槽接觸之根部焊縫應(yīng)呈圓滑浸潤(rùn)狀的圓角過(guò)渡。

（3）對(duì)于極個(gè)別導(dǎo)條經(jīng)常斷裂的鼠籠轉(zhuǎn)子，在端環(huán)外圓加工凹槽，熱套護(hù)環(huán)，抵消端環(huán)離心力。轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)采用不銹鋼材質(zhì)，目的是避免產(chǎn)生渦流。安裝護(hù)環(huán)時(shí)，端環(huán)與護(hù)環(huán)配車(chē)應(yīng)保證0.2 mm左右的過(guò)盈量，如圖9所示。

圖7 圓角導(dǎo)條過(guò)渡角

1.3 轉(zhuǎn)子鐵芯沖片松動(dòng)、掉齒

1.3.1故障特征

圖8 導(dǎo)條端部鋸齒槽

圖9 加護(hù)環(huán)的鼠籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子鐵芯沖片間松動(dòng)、掉齒是常見(jiàn)的電機(jī)轉(zhuǎn)子故障之一，在檢修采用目測(cè)方案就能發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子沖片是否有松動(dòng)、掉齒，轉(zhuǎn)子鐵芯沖片松動(dòng)、掉齒時(shí)繼續(xù)使用，危害性很大，會(huì)導(dǎo)致沖片斷裂，嚴(yán)重的會(huì)使沖片頭斷裂甩脫，對(duì)電機(jī)定子繞組絕緣造成損傷，造成繞組接地，如圖10所示。

圖10 轉(zhuǎn)子沖片松動(dòng)

1.3.2原因分析

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，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(chǎn)生逐漸收縮，粗糙面逐漸密合，降低沖片密合度，當(dāng)鐵芯之間收縮0.3%時(shí)，鐵芯壓力降至初始?jí)毫Φ囊话搿ｈF芯松動(dòng)后，在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)下，沖片會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，使沖片絕緣摩擦和變薄，進(jìn)一步降低鐵芯壓力，形成惡性循環(huán)[4]。

1.3.3解決方案

在檢修中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子沖片有松動(dòng)而未出現(xiàn)掉齒現(xiàn)象的，即沖片間有明顯縫隙的，先將轉(zhuǎn)子導(dǎo)條進(jìn)行漲緊，加大對(duì)轉(zhuǎn)子沖片的預(yù)緊力，然后將轉(zhuǎn)子進(jìn)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(dòng)。

2 定子故障類(lèi)型與解決方案

2.1 定子繞組接地

2.1.1故障特征

對(duì)接地故障電機(jī)的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出以下規(guī)律及結(jié)論：

（1）隨上線運(yùn)行時(shí)間及運(yùn)行里程的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

（2）故障位置規(guī)律明顯，集中在槽口部位。

（3）在潮濕環(huán)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(qū)，存在一定空隙，這樣線圈存在移動(dòng)的空間。電機(jī)長(zhǎng)期振動(dòng)導(dǎo)致線圈振動(dòng)，槽口部分的線圈由于拐角區(qū)空隙的存在逐漸松動(dòng)，并與鐵芯槽口反復(fù)摩擦導(dǎo)致絕緣破損接地。②槽口部位線圈拐角區(qū)存在空隙，牽引電機(jī)在車(chē)底下安裝，工況惡劣，這樣槽口拐角區(qū)會(huì)堆積大量導(dǎo)電性灰塵，使槽口處線圈的絕緣性能大幅下降，導(dǎo)致絕緣電阻低，這樣槽口處線圈成為薄弱點(diǎn)。③定子繞組某一部位長(zhǎng)期遭受細(xì)微粒子不斷沖擊后損傷絕緣，機(jī)車(chē)牽引電機(jī)的過(guò)濾網(wǎng)是設(shè)置在通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)孔處，運(yùn)行過(guò)程中若吸入風(fēng)內(nèi)夾雜的棉絮或沙粒異物時(shí)，風(fēng)源中夾帶的微小沙粒會(huì)直接進(jìn)入牽引電機(jī)內(nèi)部，加上風(fēng)壓，便會(huì)對(duì)電機(jī)端部繞組及槽口表面線圈進(jìn)行沖擊，造成電機(jī)繞組端部及槽口絕緣磨損，進(jìn)風(fēng)端槽口損傷高于出風(fēng)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(duì)槽口部位絕緣薄弱，對(duì)繞組槽口部位進(jìn)行某種雙組份硅橡膠灌封，灌封后會(huì)在電機(jī)線圈兩端槽口25 mm區(qū)域形成一個(gè)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(dòng)摩擦，同時(shí)將線圈槽口拐角區(qū)域密封，減小導(dǎo)電性灰塵進(jìn)入，增強(qiáng)絕緣性能，如圖12～圖13所示。

（2）針對(duì)牽引電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行絕緣漆表面易產(chǎn)生龜裂的現(xiàn)象，對(duì)牽引電機(jī)定子采取真空壓力浸漆，以修復(fù)定子絕緣漆表面龜裂的現(xiàn)象。

（3）檢修過(guò)程中對(duì)牽引電機(jī)定子繞組進(jìn)行浸水試驗(yàn)，根據(jù)電機(jī)冷態(tài)絕緣電阻的下降程度發(fā)現(xiàn)電機(jī)絕緣隱患，對(duì)于嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)的電機(jī)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(zhì)損耗偏大超標(biāo)

絕緣在交變電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生極化損耗和導(dǎo)電損耗，損耗視在功率可分為有功損耗P和無(wú)功損耗Q，其比值就是介質(zhì)損耗tanδ，tanδ=P/Q。無(wú)功損耗Q由通過(guò)介質(zhì)的電容電流Ic產(chǎn)生，有功損耗P由電阻性電流Ir使介質(zhì)發(fā)熱產(chǎn)生[5]，如圖14。

介質(zhì)損耗高的主要原因有繞組絕緣受潮、絕緣老化變質(zhì)等。

圖14 介質(zhì)損耗tanδ 原理圖

解決方案：對(duì)介質(zhì)損耗超標(biāo)的電機(jī)，一般采取對(duì)定子重新進(jìn)行烘焙以排除定子繞組絕緣受潮的影響，若烘焙處理后測(cè)量值仍然不符合標(biāo)準(zhǔn)，則說(shuō)明定子繞組絕緣存在缺陷或絕緣劣化，可采用對(duì)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(zhì)損耗。

2.3 定子機(jī)座裂紋

在電機(jī)定子機(jī)座檢修過(guò)程中，通過(guò)目測(cè)及無(wú)損探傷檢測(cè)的方案，可發(fā)現(xiàn)部分定子機(jī)座尤其是吊掛及定子焊縫處出現(xiàn)裂紋缺陷，主要原因系牽引電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中受振動(dòng)，內(nèi)部應(yīng)力集中造成疲勞裂紋。

解決方案：對(duì)裂紋故障記錄、標(biāo)記并處置，處置方案為將裂紋缺陷打磨消除后進(jìn)行無(wú)損探傷檢測(cè)，確認(rèn)缺陷完全消除后進(jìn)行補(bǔ)焊、然后對(duì)焊接部位再次進(jìn)行無(wú)損探傷確認(rèn)。

3 電機(jī)總裝后軸對(duì)地絕緣電阻值低故障

交流牽引電動(dòng)機(jī)兩端采用絕緣軸承，總裝后常發(fā)現(xiàn)軸對(duì)地絕緣電阻低，甚至絕緣電阻為零。經(jīng)過(guò)跟進(jìn)后發(fā)現(xiàn)，檢修電機(jī)配件附著有浮銹、沙塵，配件從上工序向下工序進(jìn)行流轉(zhuǎn)過(guò)程防護(hù)不當(dāng)會(huì)發(fā)生小磕碰，導(dǎo)致配件加工面出現(xiàn)肉眼難以分辨的微小高點(diǎn)、毛刺。這類(lèi)配件裝配后，因配件配合間隙夾雜著浮銹、沙塵或磕碰產(chǎn)生的高點(diǎn)或毛刺，導(dǎo)致本應(yīng)間隙配合的配件間介電常數(shù)變小，產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)軸對(duì)機(jī)座絕緣電阻低故障。

遇到上述故障后，電機(jī)進(jìn)行拆解，在轉(zhuǎn)軸熱套件上或軸承室內(nèi)封環(huán)上經(jīng)常發(fā)現(xiàn)浮塵、高點(diǎn)或毛刺等，將配件重新清洗或去除高點(diǎn)毛刺，再次裝配，電機(jī)軸對(duì)地絕緣恢復(fù)正常。

在防止?fàn)恳姍C(jī)軸對(duì)地絕緣電阻低故障的措施中，加強(qiáng)各檢修配件上的微小浮塵、高點(diǎn)和毛刺的檢查和清理是防止絕緣軸承對(duì)地絕緣電阻值低的關(guān)鍵措施，需引起質(zhì)量管理人員的高度關(guān)注。

4 電機(jī)振動(dòng)故障

牽引電機(jī)出廠試驗(yàn)振動(dòng)是最常見(jiàn)的故障，振動(dòng)分為電磁振動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)，特征及原因見(jiàn)表1。

根據(jù)表1，從電機(jī)振動(dòng)的頻率與電源頻率的關(guān)系，水平、垂直、軸向3個(gè)方向振動(dòng)速度值的大小，振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系3個(gè)方面入手，我們能夠快速找到振動(dòng)原因，消除故障因素，提高電機(jī)振動(dòng)診斷的效率和準(zhǔn)確率。

表1 電機(jī)振動(dòng)原因及特征

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)HX系列機(jī)車(chē)牽引電機(jī)檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的典型故障進(jìn)行匯總分類(lèi)，分析原因并提出解決方案，有利于廣大機(jī)車(chē)、動(dòng)車(chē)檢修技術(shù)人員快速識(shí)別故障類(lèi)型并找到解決方案，也有利于電機(jī)設(shè)計(jì)人員從源頭上杜絕問(wèn)題發(fā)生。