杨棯斐 刘晓荔 叶蛟 梁志伟
中车永济电机有限公司 山西 永济 044500
摘要：牵引电机能帮助地铁列车实现较高效率的稳定运行操作，对其应用性能加以检测，是判断地铁出行安全的重要指标。对牵引电机进行性能检测，常使用到振动测试仪，该设备可根据检测数据，来准确反映出振动位置的幅度数值，因此可由振动检测结果来及时判断出电机异常振动的故障位置，并使故障程度有明确显示，帮助检测人员对牵引电机有无故障产生准确认知。检测人员当发现电机设备存在异常振动危害时，可以选择适宜处理方法，结合振动频谱，维修电机振动异常位置，提高地铁列车运行安全程度。
关键词：电机转子；牵引电机故障；异常振动
引言
地铁车辆牵引电机是车辆动力来源，牵引电机故障将直接影响车辆牵引性能。地铁车辆若出现牵引电机轴承卡死故障，可能导致车辆轮对擦伤轨道影响行车安全的严重后果。某地铁车辆项目在运营两年后，出现了批量车辆牵引电机异响问题。针对牵引电机出现的异响问题，地铁运营方组织更换并拆解了4台异响较大的牵引电机。经检查发现4台电机非传动端轴承的外圈滚道均出现了发暗的波纹状凹槽。
1地铁车辆电机故障表现
在地铁车辆电机检修中出现的故障主要是牵引电机异响问题。这种牵引电机的异响问题，在实际解决中难度较大，需要进一步探索其产生原因，才能从源头上抑制异响问题的出现。在开展地铁车辆电机检修的过程中，对牵引电机检测时偶尔会出现异响情况，并且电机轴承还伴有一定程度的损坏，经过仔细检查观察得出:与牵引电机异响同时存在的情况为电机与联轴节之间的金属刮碰声，并表现出节奏感和规律感的特点。这种异响问题的存在，实际上并不会造成地铁车辆的车体本身造成较大程度的损害，只是造成车体发生横向的偏移或者振动情况，但长此以往势必会影响到地铁车辆运行的安全性，甚至为牵引电机的应用埋下潜在的安全隐患。此外，经过拆卸具有异响问题的牵引电机之后，还发现牵引电机内部的轴承设备也存在较大的损耗，电腐蚀、磨损、烧伤等情况也较为常见，并直接影响到牵引电机的使用寿命。
2地铁列车牵引电机检修中的异常振动
2.1频谱分析
振动最大位置都在电机驱动端水平处①点，因此可以着重对此处的振动频谱图进行分析，牵引电机振动速度峰值为6.133mm/s，其所在的频率为25Hz，说明振动原因是来自于周期频率为25Hz的运动部件。其余振动速度峰值0.603mm/s、0.4mm/s、0.675mm/s所处的频率分别为50Hz、75Hz、100Hz，这些振动速度值均较小，振动频率均在以25Hz为基频的整数倍上，且这些振幅均远低于标准要求的3.5mm/s，所以对振动的影响不大。根据牵引电机的转动频率公式f=n/60，可以得出当牵引电机转速n=1500转/s时，周期T=0.04s，即转动频率f0=25Hz，此频率与频谱图上所显示的最大振幅值的频率非常吻合。由此可以判断，此牵引电机的振动可能为单个旋转体不平衡造成，比如电机转子每转动1圈，转子上存在缺陷的部位在旋转到一固定角度位置时也就随之产生1次周期性波动。
2.2阶次分析
前面分析表明地铁车辆牵引电机振动噪声频谱特征与转速呈现倍频关系，一方面牵引电机在运行中由于转子转动切割磁力线而产生电磁振动噪声，另一方面牵引电机转子系统由于无法完全消除动不平衡、轴不对中等影响而产生机械振动噪声。
为进一步了解牵引电机振动噪声与转速的关系，选择车辆启动时间较长的一个路段工况（有坡道）进行分析，提取牵引电机启动过程中的转速变化曲线，利用阶次分析对车底和车厢噪声进行研究。提取1、2低阶次和噪声相对较明显的14、15阶次数据并与噪声总量级进行对比。可以看出无论是车底还是车厢噪声，牵引电机低阶的噪声量级小于高阶次，且均显著小于噪声总量级（10dB（A）以上），考虑到测试噪声数据不完全是牵引电机产生的，也包括其他噪声源数据，因此，阶次分析再次定性证明了牵引电机噪声对该车底和车厢内噪声贡献有限，不是主要噪声源的结论。
2.3振动分析的结果验证
上述结果得出后，牵引电机可在设计、安装、运行时着重关注转子平衡问题，确保动平衡保持稳定，在转子校准完毕后，检测人员需要再次借助频谱分析办法，将解决办法做以验证分析。将牵引电机进行拆解检查，以此来确保振动分析结果的准确性。首先将电机设备返厂测试，可发现电机的运转过程并未振动异常隐患，在拆解后发现电机表面无损伤，另外转子校准的平衡性较高，可说明在地铁列车运行时，牵引电机动平衡控制良好。将转子设备单独做以动平衡检测，可发现转子将出现不平衡情况，其数值超过标准建设需求。据G2.5D要求规定，转子的不平衡数值相比于各项标准数值，较多数值超标，比如转子质量、平衡精度等，所以当不平衡数值在测试中超出规定数值，则需要将转子平衡性加以调整，避免在转子设备配置时，出现位置偏差，导致不平衡数值发生改变。以标准中规定的允许不平衡质量可知，转子配置仍需进一步校准校正，当重新校正完毕后，继续对装配完成的电机设备加以空载振动等相关测试项目。根据振动测试，可以得出全新的振动速度，由数据可知，电机转子重新校准了转子配置后，能将其动平衡属性进行优化，确保电机运行期间的振动速度可维持在标准要求的3.5mm/s下。借助频谱仪设备，对原本测到的最大振动幅度位置重新测试，可发现电机驱动端口的水平方向上，其振动数据在周期性数值上有了较大幅度降低，显示出现阶段经调整校正后的速度振幅仅为0.9mm/s，此时频率在50Hz，其频谱波形峰值也相对较低，可知速度振幅能符合地铁列车实际运营期间所规定的标准要求。通过将单个转子进行动平衡调整，本文案例中牵引电机设备可以将原本25Hz下存在的振动异常现象加以避免，由数据可知，原有最高振幅已经下降到了0.25mm/s，远低于规定标准，因此对单个转子做出针对调整，有其必要性。另外，借助频谱图来帮助检测人员更好的分析异常振动其故障原因，能在检测中较快、较明确发现故障规律，由此便可推导出实际故障部位，促进振动异常尽早解决。而且，频谱图还可将异常振动程度进行有效展示分析，由各项数值来对应电机现阶段运动状态，最终得出正确分析解决办法。
结语
针对地铁列车牵引电机检修中发现的异常振动问题，通过振动频谱分析的方法提高了对电机状态、劣化趋势的认知和控制能力。检修人员在检修作业中可利用所采集的频谱特征图，对牵引电机的异常振动排查做到有的放矢，有效避免了重大故障的发生，提高了设备的作业可靠性，延长了电机的使用寿命，降低了电机在全寿命周期里的维护费用。
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