机车车辆(内燃机车)论文

正文

动力集中式200 km/h电动车组用脉流牵引电动机常见故障及处理

前言

我国首台速度为200 km/h的高速电动车组用ZD118型脉流牵引电动机是继SS8机车ZD115型脉流牵引电动机之后，我国单机功率最大的脉流牵引电动机，其各项技术经济指标达到了国际先进水平。1999年初完成了6台样机的试制。其中4台装车试运，2台在我所试验站进行了型式试验。

附图一

ZD115型脉流牵引电动机

主要参数如下：

额定功率： 1000 kW

额定电压： 1080 V

额定电流： 990 A

额定转速： 1138 r/min

励磁方式：串励，β

N =87%，β

min

=44%

恒功率转速范围： 1138 r/min～1790 r/min

（相应于轮对半磨耗时机车速度124 km/h～195 km/h)

最高转速：1 946 r/min

(相应于轮对全磨耗时机车速度203 km/h，半磨耗时212 km/h，新轮221 km/h) 该电机是根据200 km/h旅客列车动车牵引的需要，在原SS8机车900 kW 牵引电机的基础上进行研制的。原电机的各项性能指标已比较紧张，持续功率再增加11%，并且要求电机的空间尺寸不变，质量不增加，其设计制造难度是不言而喻的。

发展趋向为了解决直流和脉流牵引电动机的“转向”问题，有些国家已在使用晶闸管无换向器式牵引电动机和三相交流异步变频牵引电动机，并在试验以直线异步电动机为动力的磁悬浮高速车辆。晶闸管无换向器式牵引电动机是由一台同步电动机和一组晶闸管逆变器组成，用晶闸管和转子位置检测器来代替直流牵引电动机的换向器和炭刷结构。这种电动机具有直流电机的优点而没有困难的“换向”问题。但晶闸管及其控制系统相当复杂，所以电子元件直接影响电动机的运行可靠性。三相交流异步变频牵引电动机结构简单，工作可靠，成本低廉，是比较

理想的牵引电动机。但由于需用变频调速，它的发展和应用一度受到限制。60年代，大功率晶闸管变频装置的发展使异步电动机能够实现变频

调速。现在各国已有较多机车和动车采用三相交流异步变频牵引电动机。联邦德国和日本在试验的磁悬浮高速车辆上采用直线异步电动机。它的初级绕组敷设在地面导轨上，由地面的变频电源供电以产生行波磁场，调节供电电源频率就可改变磁悬浮高速车辆的速度。次级绕组就是反应板，装在车辆的构架上。初级行波磁场和次级感应电流的相互作用，不仅产生使车辆前进的推力，而且还产生磁拉力以悬浮车辆，并在制动工况时起着动力制动的作用。

本文将就电机的设计难点、技术关键以及解决这些问题所采取的措施等进行论述。

1 设计

1.1 技术难点及关键

电机通过增加电流和提高电压的途径来提高功率。但由于电流、电压的提高以及转速的增加，给电机设计带来了以下困难。

1.1.1 电机的换向性能

表1列出了该电机与SS8机车电机的主要性能参数比较。从表中可看出，ZD118电机的换向指标、电位条件均超过了ZD115电机。

表1 主要性能参数比较

表中：P N ——额定功率；U N /U m ——额定电压/最高恒功电压；I N /I m ——额定

电流/最大电流；βN /βmin ——额定励磁率/最小励磁率；Q ——风量；K n ——额定工况的电流脉动因数；V kn /V km ——换向器额定线速度及最高线速度；J m 、J H 、J k 、J b ——主极、换向极、补偿绕组及电刷电流密度；e rn /e rm ——额定工况及最大电

抗电势；A s j a ——电枢发热因数；K em ——换向器单位长度上的最大能量指标；U kN /U km ——额定片间电压/最高片间电压；εm ——最大电位梯度。

衡量直流电机换向性能的主要指标之一是电抗电势，尤其在最高恒功速度工况时的最大电抗电势值e rm ，它与换向器最大线速度、电流等因素有关，反

映了电机换向的紧张程度。通常e rm 的推荐值为不超过5 V 。由表1可知，ZD118

电机已超过了此值。

在研究电机的换向性能时，还用换向器单位长度上的最大换向能量指标K em ，即换向强度准则来衡量电机的换向紧张程度。它以换向能量为理论基础，认为在换向过程中，换向元件储存的电磁能量由一个元件向另一个元件传递，当槽内最后一个元件换向时，其本身包括其他元件传过来的电磁能量在电刷下扩散，最终以火花的形式释放出来。该准则还认为，评价换向还要考虑到换向能量对时间的比值，即换向功率。而换向功率是在电刷下释放的，所以与电刷和换向器的接触面积及接触状态有关。其大小表明了电机换向火花的程度。表达式如下： K em =(k v /k u )2e m i a V k /(2βk L B )

(1)式中：k v ——电机恒功速比；

k u ——k u =U m /U N ，电机调压比；

i a ——电机支路电流；

βk 、L B ——换向片宽度、每刷握电刷总长度。

在常规的设计中，K em 的推荐值为2 500～2 800，最大不超过3 000。ZD115

电机的K em 为2 909，已处于边缘值。由于电流增加，转速提高，而换向器及电

刷的尺寸没有改变，所以ZD118电机的K em 已经达到3 486，远超过了推荐值，

这意味着电机换向火花等级加大，换向变得更加困难。由此可见，改善电机的换向性能是保证功率扩大后电机可靠运行的当务之急。

1.1.2 温升问题

从表1可知，由于电流增加，而各导体线规不变，所以各绕组电流密度增加，其温升将与电流的平方成正比例增加。以ZD115电机作参考：型式试验中的一台电机，其电枢、主极绕组的脉流持续温升已分别到了150 ℃和170 ℃左右，当电流由970 A增加到990 A，考虑到电机转速提高后铁损的增加，以及脉动系数加大后损耗的增加，温升将达到允许值，这其中尚未考虑工艺、材料的离散性。所以，由900 kW扩大到1 000 kW，原来的H级绝缘已不能满足要求。

1.1.3 轴承问题

由于该电机的额定转速比原900 kW电机提高，作为高速客运动车的牵引电机，经常运行在高速区段，即电机的实际运行速度很高，所以对所有旋转部件的机械强度都提出了更高要求，尤其对轴承提出了更高要求。因为轴承一旦出现故障而没有及时发现，往往会引起机破事故，影响列车的正常运行，这对于客运牵引动车来说是不希望发生的。

1.2 精密诊断法

简易诊断只能诊断出电机轴承有无故障，但不能判断出故障的具体部位。而精密诊断方法则是采用共振解调技术，利用频谱分析方法，就能够判断出轴承发生故障的部位，可以做到准确判断，视情维修。

轴承的加工精度分为基本尺寸精度和旋转精度两类：基本尺寸精度是指内外圈滚道直径、内外圈装配直径、宽度等按不同等级规定的尺寸公差要求。

旋转精度是指轴承元件形位公差按等级规定的要求，如滚道径向跳动、内圈端跳、内外滚道对基准面垂直度、滚道侧摆、内外圈端面平行度、滚动体椭圆度、游隙、光洁度、波纹度等。电机轴承出现故障时，其精度尺寸就会发生变化，轴承及滚动体旋转就会轮番碾压这些损伤表面，高速旋转的内圈会使这种碾压形成冲击。这种故障冲击波在电机轴承尚未发生破损形变前，就以声波的形式向外发射，并有着陡峭的前沿和极其丰富的频谱。精密诊断法就是利用对此频谱的检测分析，确定故障部位。