基于故障樹的牽引電機典型故障診斷研究

羅準(zhǔn)，來占立，陳光興

（湖南聯(lián)誠軌道裝備有限公司，湖南 株洲 412000）

隨著“十四五”規(guī)劃提出的加快建設(shè)交通強國，同時，進一步實現(xiàn)國家雙碳戰(zhàn)略，軌道交通裝備的可靠性已經(jīng)成為極其重要的一環(huán)。牽引電機發(fā)生故障將直接影響軌道交通裝備的發(fā)展，更重要的是關(guān)系到社會秩序的有序進行。因此，對牽引電機故障診斷研究是十分有意義的。為了有效降低和諧機車發(fā)生故障的概率，確保和諧機車的運營質(zhì)量，本文對某型號牽引電機八年的故障數(shù)據(jù)進行了詳細(xì)分析和研究，得到導(dǎo)致該型牽引電機發(fā)生故障的關(guān)鍵原因，并在設(shè)計、加工與安裝、使用與維護中提出改進措施，確保和諧機車的可靠運行。

1 FTA技術(shù)原理概述

故障樹分析法，又名FTA(Fault Tree Analysis)，是一種評價系統(tǒng)可靠性和安全性的故障分析方法, 常用于電子、儀器儀表和機械設(shè)備的故障分析，對于系統(tǒng)故障的診斷、控制、預(yù)防有顯著的效果。該方法是一種由失效結(jié)果推演到失效原因的分析方法，它對系統(tǒng)失效的原因采用從整體至局部，按樹枝狀逐漸細(xì)化分析的方法。故障樹分析法可以分析單一缺陷引發(fā)的系統(tǒng)故障，同時，還可以分析多因素同時失效發(fā)生的情況。

故障樹的定性分析就是找出有可能導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有子事件，又稱為最小割集。割集指的就是故障樹中底事件的集合，當(dāng)割集中這些底事件都發(fā)生時候，將會導(dǎo)致頂事件發(fā)生。

2 牽引電機典型故障診斷

2.1 故障統(tǒng)計

本文研究對象為本公司參與設(shè)計制造的某牽引電機，深入分析了2013～2021年的故障數(shù)據(jù)。故障發(fā)生次數(shù)共為377次，其中，257次軸承異響，22次絕緣失效，9次動平衡失效，10次跑外圈，74次軸承失效，5次電磁噪聲過大。該型電機故障所占比例圖如圖1所示。

圖1 電機故障所占比例

從圖1可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致該型電機故障的主要原因是軸承異響﹑軸承失效和線圈絕緣失效3種情況。本文將針對這幾種情況開展故障樹的建立和定性分析。

2.2 軸承異響診斷

軸承是電機連接定子與轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵部分，可以減少軸與端蓋之間的摩擦，是保障電機正常運行的核心零部件之一。隨著該型牽引電機在鐵路上的廣泛運用，電機軸承異響也成為了影響電機可靠性的重中之重。電機軸承異響的外在表現(xiàn)為軸承在電機運行中噪聲過大，通常是異常磨損的原因，導(dǎo)致異常磨損的有以下四種情況。

軸承磨粒磨損導(dǎo)致過早老化，將導(dǎo)致軸承異響。磨粒磨損是指微細(xì)顆粒或金屬磨屑擠入軸承內(nèi)部，造成油脂上粘附大量的顆粒和異物，致使軸承在工作時，工作表面摩擦磨損，從而造成軸承異響，典型案例如圖2所示。這類異響故障軸承可以繼續(xù)運轉(zhuǎn)，但很快就會發(fā)展至疲勞剝落階段，所以應(yīng)盡快更換清理軸承。

圖2 軸承磨粒磨損

軸承出現(xiàn)銹蝕情況，將導(dǎo)致軸承異響。軸承出現(xiàn)銹蝕包括套圈銹蝕；滾動體表面出現(xiàn)凹坑并銹蝕；套圈與鋼球的接觸部位，產(chǎn)生等間距或局部的銹蝕；以及嚴(yán)重的大面積的銹蝕。軸承銹蝕的形成原因與電機密封結(jié)構(gòu)和軸承密封有關(guān)，軸承內(nèi)部進水或由于水蒸氣凝聚，同時還帶入一些微細(xì)硬質(zhì)物體粘附在摩擦副上，造成軸承銹蝕。當(dāng)軸承發(fā)生銹蝕時，一方面，銹蝕產(chǎn)生的微細(xì)顆粒進入油脂中劣化基礎(chǔ)油的潤滑性能；另一方面，軸承本體上的銹蝕破壞了原有的滾動摩擦副，軸承運轉(zhuǎn)不暢而產(chǎn)生異響，典型案例如圖3所示。

圖3 軸承銹蝕

軸承潤滑脂不合格，也會導(dǎo)致軸承異響，如圖4所示。軸承潤滑脂不合格包括潤滑脂干涸發(fā)黑、潤滑不良、潤滑脂的使用量不合理以及潤滑脂本身質(zhì)量不合格。如潤滑條件嚴(yán)重惡化時，局部摩擦發(fā)生，會導(dǎo)致摩擦面局部變形，甚至局部融化，產(chǎn)生粘著磨損。遇到此類問題時，及時更換潤滑脂。

圖4 潤滑油脂不合格

軸承過早磨損。軸承過早磨損包括轉(zhuǎn)子平衡未校準(zhǔn)；電機使用不當(dāng)，如長期超載運行；未按要求正常維護、保養(yǎng)；軸承配合部位制造精度不良；潤滑效果不佳等都會導(dǎo)致軸承過早磨損。

在發(fā)現(xiàn)電機軸承異響后，需對電機進行解體，再結(jié)合軸承異響的表現(xiàn)形式即可對軸承異響的原因進行判斷，最后，針對軸承異響的原因提出故障應(yīng)對及預(yù)防措施。

造成軸承異響的原因，除上文所述外。由于牽引電機的組裝是由人工進行的，所以裝配不良也是造成軸承異響的原因之一。裝配不良包括軸承裝配過緊（或過松），過緊將導(dǎo)致摩擦增加（過松將出現(xiàn)走外圓的現(xiàn)象），亦或是端蓋與軸承蓋裝配不平行，均會造成軸承異響。

電機進水也會導(dǎo)致軸承異響，當(dāng)電機防水結(jié)構(gòu)失效或設(shè)計不當(dāng)時，將導(dǎo)致電機密封不良，水將從電機軸伸端爬行入侵電機內(nèi)部，或者從電纜處進入電機內(nèi)部，將造成積水，引起外部硬質(zhì)物質(zhì)入侵破壞軸承。另外，根據(jù)該型電機故障分析報告，軸承本身質(zhì)量不合格也是造成軸承異響的原因，如：新軸承金相組織不合格。

根據(jù)以上分析可以建立關(guān)于軸承異響的故障樹，如圖5所示。

圖5 軸承異響故障樹

2.3 軸承失效診斷

目前該型電機采用的是某品牌軸承6310/C3型軸承，造成該軸承失效的主要原因是：電機形位公差超差、軸承產(chǎn)生剝落、軸承游隙變化失效以及保持架破損，以此來編制軸承失效的故障樹，如圖6所示。

圖6 軸承失效故障樹

電機的形位誤差是通過改變軸承的內(nèi)外圈接觸角來影響軸承壽命的，套圈傾斜條件下，內(nèi)圈和外圈與滾動體之間相互接觸，產(chǎn)生接觸夾角，如圖7所示。同理，在徑向載荷和軸向載荷作用也會形成接觸角。不同之處在于內(nèi)外套圈是否處于平行狀態(tài)。具體的協(xié)調(diào)方程如式（1）和（2）所示。

圖7 軸承套圈傾斜的幾何協(xié)調(diào)關(guān)系

根據(jù)該電機的軸承壽命計算可知，和諧機車運行時軸承將承受軸向方向3g的沖擊載荷，徑向方向承受1.5g的沖擊載荷。極端情況下非負(fù)載端軸承的徑向受力500N，軸向受力1500N。轉(zhuǎn)速為3500rpm時，考慮軸承套圈傾斜條件下，軸承的壽命分布如圖8所示(圖8為轉(zhuǎn)速變化時，傾斜角度對軸承壽命的影響變化趨勢)。軸承壽命計算表達(dá)式如式（3）所示。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下傾斜角對軸承壽命的影響

根據(jù)計算結(jié)果，設(shè)計狀態(tài)下電機組裝后軸承極限傾角誤差為2.71′，當(dāng)傾斜角度達(dá)到5′時，軸承壽命縮短20%；當(dāng)達(dá)到7′時，軸承壽命將下降到原來的60%。

軸承套圈傾斜直接改變軸承的接觸角、接觸應(yīng)力、旋滾比和溫度的分布。增大套圈的傾斜角度，將增大軸承的局部接觸角、局部接觸應(yīng)力和局部溫度和滾珠的局部旋滾比，從而加劇軸承磨損，縮短軸承壽命。

2.4 絕緣失效診斷

該型電機絕緣主要分為繞組絕緣和引接線絕緣，從八年的故障統(tǒng)計分析結(jié)果來看，電機如出現(xiàn)絕緣失效，則都是繞組絕緣出現(xiàn)故障，而絕緣熱老化、絕緣發(fā)生浸漬或浸漆不良現(xiàn)象是造成繞組絕緣失效的原因。

熱老化本質(zhì)上是氧化反應(yīng)，在溫度比較高的情況下，絕緣內(nèi)部的化學(xué)鍵會因為發(fā)熱引起的振動造成斷裂，從而導(dǎo)致絕緣更脆弱更易碎。電機發(fā)生過載和線圈松動均會導(dǎo)致溫度升高，從而導(dǎo)致絕緣熱老化。

浸漬或浸漆處理，能夠預(yù)防灰塵、潮氣和油等污物對絕緣的影響。當(dāng)絕緣發(fā)生浸漬或浸漆不良的現(xiàn)象時，沙子、灰塵等微細(xì)顆粒將會存在電機內(nèi)部，這些微細(xì)顆粒會隨著空氣流動對繞組絕緣造成磨損，以至于露出導(dǎo)體，便會發(fā)生接地故障。而潮氣、油等其它含化學(xué)污物將導(dǎo)致繞組絕緣發(fā)生軟化或者膨脹現(xiàn)象，結(jié)果會產(chǎn)生匝間短路或?qū)Φ囟搪贰?/p>

若檢查發(fā)現(xiàn)電機外殼帶電或測量絕緣電阻只有數(shù)十到數(shù)百歐，則需要及時檢查電機繞組絕緣是否發(fā)生故障。根據(jù)以上分析，可以總結(jié)出絕緣失效的故障樹，如圖9所示。

圖9 絕緣失效故障樹

3 故障預(yù)防及改進措施

3.1 設(shè)計

在電機軸伸端增加防護等級更高的防水、防塵罩和骨架油封等密封件和絕緣材料，防止雨水等其它外部異物浸入電機，對軸承、潤滑脂造成損害。優(yōu)化轉(zhuǎn)軸的公差帶，將電機端蓋的軸承室的過渡配合改為間隙配合，改善軸承有效游隙的分布范圍。設(shè)計增加附加彈簧進行預(yù)緊，防止跑外圈和抑制轉(zhuǎn)軸軸向竄動，同時一定程度上優(yōu)化軸承異響。可考慮在軸承上部設(shè)計儲油室，定期定量為軸承加潤滑脂。

3.2 加工與安裝

采用高精度數(shù)控車床，提高現(xiàn)有機床的加工精度。同時，改進軸承壓裝機和電機軸承組裝工藝，優(yōu)化形位公差和尺寸公差的檢測方法和檢測標(biāo)準(zhǔn)，提高電機組件尺寸精度和形位精度的一致性。在進行軸承安裝時，應(yīng)選取有資質(zhì)的人員進行安裝，遵循軸承安裝規(guī)定，實現(xiàn)作業(yè)的程序化和標(biāo)準(zhǔn)化。

3.3 使用與維護

建立軸承存儲使用規(guī)范，確保軸承安裝符合工藝規(guī)范。定期加油加脂持續(xù)不傳潤滑脂，彌補因密封不良或運行磨損導(dǎo)致的缺油情況。定期清理絕緣和軸承，去除積存的粉塵及油污，進行干燥處理，保證電機運行的環(huán)境。根據(jù)使用與維護記錄，建立電機失效和故障診斷數(shù)據(jù)庫，形成電機發(fā)生故障的判斷準(zhǔn)則，研究預(yù)防電機發(fā)生故障的判斷方法，比如振動的時域頻譜和頻域頻譜，形成量化標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

本文以某型牽引電機為研究對象，通過收集公司近八年的故障數(shù)據(jù)，統(tǒng)計并總結(jié)出其在使用中的最典型的幾種故障現(xiàn)象,針對軸承異響、軸承失效和絕緣失效這3種典型故障原因，剖析其形成機理和危害，并采用故障樹分析法對電機開展定性分析和研究。電機組裝后軸承極限傾角誤差為2.71′，當(dāng)傾斜角度達(dá)到5′時，軸承壽命縮短20%；當(dāng)達(dá)到7′時，軸承壽命將下降到原來的60%。最后，在設(shè)計、加工與安裝、使用與維護3個方面上提出預(yù)防電機典型故障的應(yīng)對措施，保證牽引電機的運行效果及其可靠性。