地铁车辆电机牵引故障的诊断及维修

（成都中车四方轨道车辆有限公司，四川 成都 610101）

0 引言

在地铁车辆日常运行过程中，其电机极易发生故障，影响地铁车辆的安全性能和可靠性能。而针对该故障，只能通过及时诊断、分析和维修，才能够避免再次发生相同的故障。因此，分析地铁车辆电机牵引故障的诊断及维修技术是十分必要的。

1 牵引电机的概念和先进性

牵引电机是一种用于牵引的电机，凭借的是牵引电机发出的牵引力对车辆进行牵引，其公式如公式（1）所示。

式中：F为牵引力，P为电机车质量，v为机车平均速度。

该电机主要应用于各种电动车辆和电力机车，其中，地铁车辆就是应用最为广泛的一个领域。具体的牵引电机如图1所示。

图1 牵引电机

在科学技术水平不断提高的背景下，交流变频调速技术愈发成熟，通过在牵引电机中应用交流变频调速技术，相较于直流调速范围，交流牵引电机能够进行平稳的无极调速，且结构更加简单，占地面积更小，满足地铁车辆对电机安装空间和重量等方面的要求。目前，交流牵引电机主要应用于城市轨道交通、轻电车轨以及地铁车辆。而除了交流牵引电机，在牵引电机发展过程中，还出现了直流牵引电机，满足了各种电动车辆和电力机车牵引特性的需要[1]。

2 地铁车辆牵引电机中存在的主要故障

地铁车辆牵引电机中存在的故障主要包括以下2种：1） 电机通电时出现的故障，电机通电后无法正常转动。当地铁车辆的电机通电启动之后无法正常运转时，同时没有出现其他异常，例如冒烟、异响以及异味等，这意味着电流较小，无法满足电机的运作需要。造成该情况的原因：牵引电机的电源接触不良造成的电流较小；或是过流继电器的调节不合理，导致电源没有有效接通造成的故障；还可能是因为过高的温度使熔丝发生熔断情况导致无法正常的故障；最后，还有可能是轴承出现电流，轴承出现电流后的流动如图2所示。为了保证电机稳定运行，需要计算其电压变化率，计算公式是通过对其进行计算，能够有效地避免轴承电流的出现。2）地铁车辆牵引电机运作过程中出现的故障。一般情况下，地铁车辆牵引电机运作过程中往往会出现异响这一问题，主要是因为电源电压过高，长时间高负荷的运转使其出现异响。除此之外，还有可能是电机的定子油量较低，进而导致异响故障的发生。另外，地铁车辆牵引电机在运作过程中的振动幅度较大是由电机内部的转子出现问题或者铁芯松动和变形引发的。

图2 轴承电流流动示意图

3 分析诊断地铁车辆电机牵引故障的技术

3.1 声音诊断技术

技术维修人员在开展实际的故障诊断工作过程中，应保证电机处于空载稳定状态，之后再对电机的运行状态进行分析和诊断。一般情况下，电机内部的转速是同步的，也就是按照公式的速度进行，其中，n为电机的转速，所以，60为每分钟60秒，f为电源频率，p为电机旋转磁场极对数。在对电机运行状态进行诊断时，可使用额定转速的方法进行，从而保证测试结果的科学性和合理性。需要注意的是，技术维修人员应保证电压率的稳定性和点频率的稳定性，从而提高测试结果的准确性。另外，还要保证电机处于通电状态，并且结合自身的诊断经验作为参照标准之一，对电机轴承的噪声进行评估，从而开展全面、科学的地铁车辆电机故障噪声诊断工作，为后续的故障处理工作以及地铁车辆的使用奠定良好的基础[2]。

以轴承出现异常声音的电机故障为例，在对其进行故障诊断时，主要是对电机轴承运转的杂音进行判断，然后使用声音对比法对其进行进一步诊断，最后得到测试数据。需要注意的是，在开展测试工作时，要保证电机处于额定频率或是低频的状态。具体诊断步骤包括以下2点内容：1）科学分解电机，对其内部进行观察。在该技术案例中发现，电机内部的油脂出现固化的现象，且存量较少，导致电机运转过程中摩擦较大。另外，电机内部的滚珠面已生锈，在将油脂擦拭掉后，发现少许滚珠面出现了几个沿轴向且程度不一的凹陷印子。2）对电机内部现象进行分析，研究导致其生锈的原因。对其进行全面分析后发现，在电机日常运转过程中，水分随着空气进入了电机的轴承室内，经过时间的推移，逐渐发生锈蚀反应。然后判断滚珠面凹陷印子的来源，可与内环面的印槽进行对比，发现在组装电机转子的过程中，滚珠拉伤了内环面，在牵引电机长时间的运转过程中，摩擦力逐渐增加，进而导致凹陷印子的出现。

3.2 电机体诊断技术

在对地铁车辆牵引电机故障进行诊断时，可以采用电机体振动诊断技术，从而提高诊断工作的全面性和准确性。具体来说，在使用电机体振动诊断技术时，主要是对电机体的振动幅度进行测试。一般情况下，是在电机体的水平方向使用弹性吊架对其幅度进行测试，或是在电机体的垂直方向进行测试。技术维修人员应注意，在开展电机体振动诊断作业时，要确保避免外界其他因素的干扰，保证测试结果的准确性。另外，在通过电机体振动进行故障诊断时，应明确把握震荡参考测量点以及震荡值，数值一般不超过3.5 m/s。具体如图3所示。

3.3 温度诊断技术

从目前现状来看，在对电机轴承温度进行诊断时，使用的方法一般是利用商用磁石PT100温度传感器对其温度进行准确的测试。首先，接通电机的电源，静置一段时间，等待轴承温度的升高；其次，使用商用磁石PT100温度传感器对轴承温度进行测试；最后，对温度进行判断，并对其进行二次测试，对比2次的温度值，从而判断牵引电机是否出现轴承温度过高的故障。另外，还可以使用通用传感器接口UTI法，该方法主要通过MCU得到PT100和参考电阻的比例，进而得到温度[3]。该传感器如图4所示。

4 分析维修地铁车辆电机牵引故障的技术

4.1 结合实际情况，构建故障表格

故障类型结构表的构建主要是归纳、整理、划分各种类型的故障，提高维修工作的效率和质量。由于在实际的地铁车辆牵引电机维修过程中，维修人员仅通过故障诊断技术就对具体故障进行判断是不全面的，且故障不一定是单一的，也有可能是多个故障同时发作。因此，仅通过故障诊断或是人员描述无法确切地把握地铁车辆牵引电机的具体故障。但通过构建故障类型结构表，能够根据该表格掌握目标电机曾出现的故障以及引发故障的原因，从而对故障类别以及故障的实际成因进行全面准确的分析，进而提高故障处理、电机维修的质量和效率。同时，加强维护，具体维护周期及内容见表1。

图3 电机体振动诊断

图4 商用磁石PT100温度传感器

表1 具体维护周期及内容

4.2 处理电腐蚀故障的有效技术

对于地铁车辆牵引电机的故障来说，最常出现的就是电机异响，会对地铁车辆牵引电机产生重要影响且会出现异响的原因之一就是电机的轴承出现了电腐蚀现象，进而引发较为严重的故障。在对该故障进行处理时，可采用以下4点维修措施：1）低逆变器负极和EMI电容进行优化。该维修措施的主要根据为地铁车辆的接线原理和结构，相关技术维修人员结合实际情况，选择合适的变流器负极EMI变容，通过优化轴承电流的通路，进而降低电压，解决电机轴承异响的出现。具体操作步骤是首先对实际情况进行分析，科学选择EMI电容；然后合理安装EMI电容，一般情况下，可将其安装在靠近逆变器负极的地方，且选择质地软、长度短的线进行对接，例如铜绞线，从而降低电感值[4]。2）对接地方案进行完善。在使用该方法对地铁车辆牵引电机轴承的电腐蚀故障进行处理时，需要以整个车辆的接地标准为前提，再对接地位置进行合理调整。一般情况下是通过安装接地电阻，将其安装在构架和轴端之间后，能够降低感抗值，减少电机轴承的电流和电机的轴电压。3）加设滤波器，对逆变器控制软件进行优化。该设备一般安装在逆变器上的输出端，进而降低低脉冲电压的电压变化率。同时，转差率s如公式（2）所示。

式中：s为转差率，n为电机转速，n1为同步转速，通过计算转差率并对其进行控制，能够有效减少电机轴承电流在对逆变器控制软件进行优化时，主要是对IGBT开关进行调整，从而在保证逆变器平稳运作的同时，降低电压变化率。4）对电机绝缘轴承进行更换，优化其性能。从目前现状来看，绝缘轴承主要分为3种，分别是内圈绝缘轴承、外圈绝缘轴承以及陶瓷混合滚子轴承。但是，其中的外圈绝缘轴承具有一定的局限性，当遇到高频轴电压时，无法对其进行有效绝缘，因此在使用该绝缘轴承时，往往需要配备润滑油膜，但这极易导致轴承电流的出现，不利于电机的稳定运转。而内圈绝缘轴承的适用性较差，在其使用过程中需要开展高标准的装配工作。因此，最好使用陶瓷混合滚子轴承，相较于内圈绝缘轴承和外圈绝缘轴承，该轴承不仅成本适中，还能够对电压过高进行抑制，最重要的是可以降低电腐蚀发生的概率，进而彻底解决牵引电机轴承电腐蚀故障问题，避免异响，保证地铁车辆的安全运作。

4.3 以排除法为核心，处理具体故障

综上所述，在地铁车辆牵引电机运作过程中，其电机极易出现各种各样、不同程度的故障，导致相关技术维修人员在对故障进行处理时，往往出现故障混乱或者漏掉故障的情况。因此，在对地铁车辆牵引电机故障进行维修处理时，维修人员可以使用故障排除法开展精准的维修工作。具体来说，相关技术维修人员应制定定期的检修方案，定期更换轴承，并对其进行异物清理等方面的工作，在对其进行组装时注重油脂的刷涂，避免故障的出现。在此过程中需要注意的是，在对其进行刷涂时，要提前预留空间，降低温度升高情况的发生概率，而且，在开展电机测试作业时，要对额定转速进行控制，在此之前需要掌握最大转矩，最大转矩的计算公式如公式（3）所示。

式中：γ为电机过载能力，Mmax为最大扭矩力，MN为额定转矩，通过计算和对最大转矩的把握，使油脂和轴承能够进行充分的磨合，从而提高电机的稳定性。最后，通过测试温度、听电机运行声音等方式进行故障维修时，关注技术要点，从而保证维修质量。

5 结论

总的来说，对于地铁车辆的日常运行来说，保证牵引电机的运转质量具有极强的现实意义，直接影响地铁车辆运作的安全性和稳定性。相关技术维修人员应通过噪声诊断法以及温度测试法等措施科学诊断故障，通过故障排除法和电腐蚀故障处理技术等开展维修工作，促进地铁事业可持续发展。