HXN3型機車牽引電機故障診斷技術研究

張明杰　曾祥東（沈陽鐵路局科學技術研究所，遼寧　沈陽　110013）

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HXN3型機車牽引電機故障診斷技術研究

張明杰曾祥東
（沈陽鐵路局科學技術研究所，遼寧沈陽110013）

摘要：牽引電機是鐵道機車車輛驅動裝置的關鍵部件之一，其運行狀況直接關系到行車安全和運輸效率。常用的牽引電機工況監測與故障診斷方法基于振動信號分析，需要布置振動（加速度）傳感器。本文介紹了HXN3型機車牽引電機無傳感器故障診斷方法——定子電流分析法，并在HXN3型機車實際上線運行檢驗，證明該方法能夠有效診斷牽引電機早期故障。

關鍵詞：機車；牽引電機；故障診斷；定子電流分析

HXN3型機車是目前國內功率最大、速度最高的交流傳動內燃機車，由大連機車有限公司和美國EMD公司合作開發，主要用于沈陽鐵路局西部鐵路干線貨運。在一個時期內，HXN3型機車牽引電機故障頻發，嚴重影響機車的正常運行。解決問題方法之一是安裝隨車故障診斷裝置，在運行過程中連續監測牽引電機狀態，發現早期故障及時報警，制定合理的維修計劃。常用的故障診斷系統基于振動信號，需要額外安裝測振傳感器，布線較復雜，費用高。而且傳感器需要持續跟蹤維護，以防止誤報警發生，應用起來受到很大限制。

牽引電機定子電流中蘊藏著電機運行狀況豐富的信息，電機發生斷條、匝間短路等電氣故障，定子電流特征會發生變化。此外，牽引電機軸承異常振動會引起定子和轉子間的相對運動，改變定子與轉子間的氣隙。由于異步電機的氣隙原本就很小，氣隙的微小變化也會使定子電流特征發生變化。因此，通過定子電流分析能夠有效檢測HXN3型機車牽引電機不同類型的故障。

并且，采用定子電流分析方法可以實現非接觸式的故障檢測和診斷，不需要額外布線，不切斷機車原有的電纜電路，不影響機車的正常運行，應用簡單，操作便捷。

電機軸承故障引發定子電流變化一般比較微弱，故障診斷需要采用先進信號分析方法提取故障特征。因此，將小波變換用于定子電流分析，開發故障診斷裝置，可以實現對HXN3型機車牽引電機的故障檢測。

一、定子電流分析技術

牽引電機發生電氣類故障（如定子匝間短路），將引起相應電感發生變化，通過磁場內電流關系，能推導出繞組中的感應電流分量，在頻譜中出現新的頻率成份。理論分析證明，定子匝間短路故障發生時產生以下定子電流的諧波成分：

fs＝（1＋2k（1-s））f（1）

其中fs為定子電流中產生的頻率，k為正整數，即k＝0，1，2...，s為轉差率，f為電源基頻頻率。

軸承故障引起轉軸振動，轉軸振動又引起電機膛內氣隙變化，使氣隙磁通受到調制，調制的磁通又在定子繞組中感生出響應的諧波電流。對于局部損傷類故障（內圈、外圈、滾動體損傷），當電機軸承出現局部損傷后，都會在定子電流中感生出確定的諧波分量。軸承磨損所引起的電機振動和定子電流頻譜的變化通常是寬帶的，具體頻率難以確定。軸承磨損使電機全頻帶振動增大，進而引起定子電流頻譜低頻段某些頻帶能量增加。因此，電機軸承磨損故障監測可采用定子電流分頻帶分析的方法，即將定子電流頻譜分為多個頻帶，逐個頻帶分析電流信號能量，如某幾個頻帶能量比正常狀況明顯增大，則可判定軸承出現磨損。

二、雙樹復小波變換

從上述分析中可以看出，用定子電流法診斷電機軸承故障需要高精度的頻譜分析方法。

小波變換被稱為數學顯微鏡，能夠由粗到精的逐步觀察信號，實現較高的頻率分辨率。雙樹復小波變換保留了傳統小波變換的優良特性，而且采用雙樹濾波器的形式，保證了信號的完全重構性。因此，雙樹復小波變換是一種具有近似平移不變性、良好的方向選擇性、有限的數據冗余性、完全重構性和計算效率高等良好特性的小波變換。

對于一維信號，雙樹復小波分析具有抗頻帶混疊與近似平移不變等特性，這對分析牽引電機定子電流信號，檢測多重諧波，提取周期性沖擊特征非常有利。

三、診斷實例

用定子電流分析診斷電機電氣故障和電機軸承局部損傷故障其它文獻已經有報導，本文重點說明如何用所開發的診斷裝置來識別牽引電機軸承磨損。

2015年5月26日HXN30032號機車在

圖1　牽引電機定子電流信號功率譜

圖2　定子電流頻譜對比

表1　小波包能量

通霍線擔當牽引作業。隨車安裝的診斷裝置提示2號轉向架1號電機電流特征持續偏離正常值。為了診斷電機故障，挑選速度穩定時的數據進行分析。圖1為2015年5月26日檢測的b相電流信號功率譜。當時機車運行速度70km/h。

從圖1中可以看出：由于電機結構、電網諧波以及噪聲的作用，機車牽引電機定子電流中存在諸多諧波分量。功率譜圖上電機供電頻率65Hz兩側有邊頻帶，是定子電流頻譜最基本的特征。

為了對比分析，將原先測量的牽引電機電流信號頻譜（用蘭色線表示）和新測的電流頻譜（用紅色線表示）畫在同一張圖上，如圖2所示。可以看出高頻段的諧波頻率成份明顯增加。

為了定量表達頻譜的變化，對定子電流信號實施雙樹復小波包分析。計算各頻帶能量在信號總能量中所占的比例，對比見表1。

可以看出500Hz～750Hz和750Hz～1000Hz兩個結點的能量增加，其余兩個結點能量下降。反映500Hz～1000Hz頻段有很多新的頻率成份。由此推斷電機軸承出現磨損。HXN30032號機車回段檢修時，將牽引電機拆下并進行解體分析，發現2號轉向架1號電機軸伸端軸承已經嚴重磨損，事實證明：用定子電流分析法來診斷牽引電機故障是可行和有效的。

結語

基于定子電流分析方法，并結合雙樹復小波變換的故障特征提取技術，成功研制并開發HXN3型機車牽引電機故障診斷裝置，具有診斷準確、成本低廉、可操作性強等優點。該裝置通過在HXN3型機車上實際運用，證明系統先進可靠，能夠有效檢測和診斷牽引電機故障，指導技術人員對故障的牽引電機進行及時維護維修，對于保障機車的正常運行有重要意義。

參考文獻

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