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基于漏电电流的铁路牵引电机轴承故障检测

发表时间：2020/12/28 来源：《基层建设》2020年第24期作者：1王丰 2段红伟 3崔婵

[导读] 摘要：近些年，随着社会发展，我国的科学技术水平不断提升，目前，提出了一种利用漏电电流检测铁路牵引电机轴承故障的方法。

        1.2 中车永济电机有限公司山西永济 044500
        3 永济电机幼儿园山西永济 044500
        摘要：近些年，随着社会发展，我国的科学技术水平不断提升，目前，提出了一种利用漏电电流检测铁路牵引电机轴承故障的方法。对故障轴承进行了异常模拟试验，试验结果验证了该方法的有效性。
        关键词：牵引电机轴承；故障检测；漏电电流
        引言
        电动机实现了电能和机械能的有效转化，在定子、转子和其他附件的共同运作下产生磁场和动能，带动电机的转动。电机产生的电能为生产生活的正常运行和快速发展提供了主要动力能源，成为生产运输的核心设备。在科技的不断进步下，电机得到了更加广泛的使用，这对电机的质量也提出了更高的标准。在电机的使用中容易受到来自外部侵蚀、冲击、自然老化、操作不当、检修不及时等问题带来的损害，因此会不可避免的出现故障难以正常运行。
        1概述
        铁路牵引系统的故障有时会造成灾难性事故，因此，需要定期进行维护以保证铁路车辆的安全。为了提高铁路牵引系统的安全性，对车辆设备状态监视进行了大量的研究。对于一般的电机故障，几乎一半都是由轴承引起的，因此早期的轴承故障检测是极为重要的。现已提出许多基于振动、声发射、温度和绕组电流这类物理特性的状态监视方法。这些方法经常使用信号处理技术，也有些方法把这些技术与机器学习结合起来。其中，振动作为一种轴承故障缺陷指示，因其可靠性在状态监视系统中得到了广泛的应用。对铁路牵引系统进行振动监测时，需要在牵引电机上直接装一个振动传感器，使其处于恶劣的环境中。此外，还需要一条从地板下牵引电机延伸出来的长信号线。因此，铁路牵引系统的状态监视最好是参考除振动外的物理特性。本文研究的重点是可以直接从为电机供电的逆变器获得的漏电电流。电机上不需要安装传感器。漏电电流是在正常情况下发生在不需要的电流路径中的电流。共模电压是产生多余电流的原因之一。逆变器会产生一个共模电压，这会导致从电机绕组流出的共模电流（CMC）经杂散的路径进入地面。流过轴和轴承的电流，导致轴承部件之间放电，并导致轴承接触面劣化。放电对轴承的损伤被称为电蚀。铁路牵引电机轴承电蚀曾是一个严重问题，但开发绝缘轴承就防止了这一问题。
        由于绝缘轴承的存在，电蚀已不再是铁路牵引电机的主要问题。然而，由于外圈的绝缘层，绝缘轴承存在电容器寄生效应。由于电容和来自逆变器的众多电压脉冲，一个小的流动电流偶尔流经轴承。这意味着有可能从轴承故障引起的漏电电流变化来检测轴承故障。此外，还利用共模电流对轴承故障检测进行了研究。这次研究提出了２种轴承诊断方法。第一种方法计算超过前面门槛值的放电脉冲数。根据研究，CMC放电的振幅随着故障轴承的出现而减小，这意味着大脉冲的数量随着轴承的劣化而减小。第二种方法是在频域上分析CMC。随着轴承的劣化，最高峰值的频率向低频一侧偏移，因此可以通过监测CMC峰值偏移来进行检测。在本研究中，进行了试验，证明了轴承故障在某种程度上影响CMC。
        2诊断方法
        2.1温度监控系统原因分析及诊断处理
        铁路牵引电机的温度一般是借助温度传感器来进行监控的，在温度传感器出现故障的情况下，其测定的温度数值就不再准确，会给工作人员判断电机运行状态带来负面影响。因此，我们有必要对温度监控系统的故障进行分析和诊断。一般来说，其故障分析和处理可以从以下两个方面入手：（1）通风装置通风量不足导致的电机温度过高。这种故障表现为一个转向架上的两个牵引电机会在同一时间出现故障警报。这主要是因为二者借助一个通风冷却装置进行降温通风，而在通风装置的通风量不足以降温的时候，牵引电机就会出现温度过高的问题。

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（2）动车组高压供电中，通风装置往往需要持续高速运行，此时如果温度监控系统出现了质量问题，工作人员可借助风速计对故障牵引电机和无故障电机的出风口风速分别进行测定，而后对数据进行比对，如发现风速存在较大差异，即可判断通风量不足，空气过滤器出现故障。只要采取针对性的措施，对空气过滤器进行清理处理，即可消除故障。
        2.2电机过热
        电机在运行的同时会伴随大量的热产生，甚至会冒烟，导致这种故障的原因如下：首先，电动机的电源电压过低，会使其在额定负载下产生热量，这种故障宜及时调整电机电压。其次，电机的工作环境湿度大或者电机风扇故障也会造成电机过热现象，应及时排除环境中的不利因素保证电机风扇的运转。再次，电机的负荷超过了其承载量也会造成发热，应控制电机的负荷在额定范围内。最后，电机在启动中转动的正反频次过多也会造成发热，因此在选择电机的过程中要优先选择正反转适应性佳的机械，预防过热现象的产生。
        2.3检修工艺核查
        对比不同牵引电机厂家的检修工艺，对拆解、清洗、检查、组装、试验、运输等环节工艺的科学有效性进行验证。从核查结果看，两家单位按照各自制定的工艺开展电机二年检，工艺纪律检查并未发现违反工艺的情况。通过工艺对比，发现两家单位的轴承拆卸工艺存在的主要差异为：未发生轴承故障的企业采取火焰加热轴承挡圈，热量传导给轴承内环进行轴承内环拆卸；发生轴承故障的企业采取火焰加热轴承内环，轴承内环直接受热。
        2.4定子和转子的铁芯有问题
        电机的核心便是定子和转子，然而在运行过程中由于电机温度过高，定子转子过度磨损使原来处于绝缘状态的硅钢片连电短路，此时要排除轴承超出使用年限出现的偏心故障，通过涂抹绝缘漆的方法处理定子转子会触碰的部位，同时要更换新的轴承。其次，定子转子遇水生锈也会造成电机运行不畅，应该采取打磨和清理铁锈工作，并且涂抹绝缘漆，排除电机工作过程中出现的水分。最后，如果铁芯与底座松动，要及时进行加固或者更换部件。
        结语
        本文提出了一种基于漏电电流的故障检测方法，并用带有人为故障的轴承进行了异常模拟试验，验证了所提方法的有效性。利用新开发的状态监视系统，在试验过程中记录了漏电电流的RMS值和倍频带分析结果。从平均值可以看出，轴承故障降低了轴承的阻抗，增加了漏电电流值。倍频带分析结果表明，特别是在矩形波模式空载时，轴承故障对漏电电流的高频分量有较大影响。然后通过倍频带分析诊断异常，再进行单值分类。应用诊断程序，计算了正常和异常测试数据的异常度。在矩形波模式空载时，使用漏电电流的高频带，诊断程序可精确地检测轴承故障。这些结果验证了漏电电流在特定条件下可以作为判定轴承故障的异常的指标。然而，漏电电流可能受到本试验未涉及的其他分量的影响。这意味着必须阐明漏电电流变化背后的机理。
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