HXN3型机车牵引电机故障诊断技术研究

张明杰　曾祥东（沈阳铁路局科学技术研究所，辽宁　沈阳　110013）



HXN3型机车牵引电机故障诊断技术研究

张明杰曾祥东
（沈阳铁路局科学技术研究所，辽宁沈阳110013）

摘要：牵引电机是铁道机车车辆驱动装置的关键部件之一，其运行状况直接关系到行车安全和运输效率。常用的牵引电机工况监测与故障诊断方法基于振动信号分析，需要布置振动（加速度）传感器。本文介绍了HXN3型机车牵引电机无传感器故障诊断方法——定子电流分析法，并在HXN3型机车实际上线运行检验，证明该方法能够有效诊断牵引电机早期故障。

关键词：机车；牵引电机；故障诊断；定子电流分析

HXN3型机车是目前国内功率最大、速度最高的交流传动内燃机车，由大连机车有限公司和美国EMD公司合作开发，主要用于沈阳铁路局西部铁路干线货运。在一个时期内，HXN3型机车牵引电机故障频发，严重影响机车的正常运行。解决问题方法之一是安装随车故障诊断装置，在运行过程中连续监测牵引电机状态，发现早期故障及时报警，制定合理的维修计划。常用的故障诊断系统基于振动信号，需要额外安装测振传感器，布线较复杂，费用高。而且传感器需要持续跟踪维护，以防止误报警发生，应用起来受到很大限制。

牵引电机定子电流中蕴藏着电机运行状况丰富的信息，电机发生断条、匝间短路等电气故障，定子电流特征会发生变化。此外，牵引电机轴承异常振动会引起定子和转子间的相对运动，改变定子与转子间的气隙。由于异步电机的气隙原本就很小，气隙的微小变化也会使定子电流特征发生变化。因此，通过定子电流分析能够有效检测HXN3型机车牵引电机不同类型的故障。

并且，采用定子电流分析方法可以实现非接触式的故障检测和诊断，不需要额外布线，不切断机车原有的电缆电路，不影响机车的正常运行，应用简单，操作便捷。

电机轴承故障引发定子电流变化一般比较微弱，故障诊断需要采用先进信号分析方法提取故障特征。因此，将小波变换用于定子电流分析，开发故障诊断装置，可以实现对HXN3型机车牵引电机的故障检测。

一、定子电流分析技术

牵引电机发生电气类故障（如定子匝间短路），将引起相应电感发生变化，通过磁场内电流关系，能推导出绕组中的感应电流分量，在频谱中出现新的频率成份。理论分析证明，定子匝间短路故障发生时产生以下定子电流的谐波成分：

fs＝（1＋2k（1-s））f（1）

其中fs为定子电流中产生的频率，k为正整数，即k＝0，1，2...，s为转差率，f为电源基频频率。

轴承故障引起转轴振动，转轴振动又引起电机膛内气隙变化，使气隙磁通受到调制，调制的磁通又在定子绕组中感生出响应的谐波电流。对于局部损伤类故障（内圈、外圈、滚动体损伤），当电机轴承出现局部损伤后，都会在定子电流中感生出确定的谐波分量。轴承磨损所引起的电机振动和定子电流频谱的变化通常是宽带的，具体频率难以确定。轴承磨损使电机全频带振动增大，进而引起定子电流频谱低频段某些频带能量增加。因此，电机轴承磨损故障监测可采用定子电流分频带分析的方法，即将定子电流频谱分为多个频带，逐个频带分析电流信号能量，如某几个频带能量比正常状况明显增大，则可判定轴承出现磨损。

二、双树复小波变换

从上述分析中可以看出，用定子电流法诊断电机轴承故障需要高精度的频谱分析方法。

小波变换被称为数学显微镜，能够由粗到精的逐步观察信号，实现较高的频率分辨率。双树复小波变换保留了传统小波变换的优良特性，而且采用双树滤波器的形式，保证了信号的完全重构性。因此，双树复小波变换是一种具有近似平移不变性、良好的方向选择性、有限的数据冗余性、完全重构性和计算效率高等良好特性的小波变换。

对于一维信号，双树复小波分析具有抗频带混叠与近似平移不变等特性，这对分析牵引电机定子电流信号，检测多重谐波，提取周期性冲击特征非常有利。

三、诊断实例

用定子电流分析诊断电机电气故障和电机轴承局部损伤故障其它文献已经有报导，本文重点说明如何用所开发的诊断装置来识别牵引电机轴承磨损。

2015年5月26日HXN30032号机车在

图1　牵引电机定子电流信号功率谱

图2　定子电流频谱对比

表1　小波包能量

通霍线担当牵引作业。随车安装的诊断装置提示2号转向架1号电机电流特征持续偏离正常值。为了诊断电机故障，挑选速度稳定时的数据进行分析。图1为2015年5月26日检测的b相电流信号功率谱。当时机车运行速度70km/h。

从图1中可以看出：由于电机结构、电网谐波以及噪声的作用，机车牵引电机定子电流中存在诸多谐波分量。功率谱图上电机供电频率65Hz两侧有边频带，是定子电流频谱最基本的特征。

为了对比分析，将原先测量的牵引电机电流信号频谱（用兰色线表示）和新测的电流频谱（用红色线表示）画在同一张图上，如图2所示。可以看出高频段的谐波频率成份明显增加。

为了定量表达频谱的变化，对定子电流信号实施双树复小波包分析。计算各频带能量在信号总能量中所占的比例，对比见表1。

可以看出500Hz～750Hz和750Hz～1000Hz两个结点的能量增加，其余两个结点能量下降。反映500Hz～1000Hz频段有很多新的频率成份。由此推断电机轴承出现磨损。HXN30032号机车回段检修时，将牵引电机拆下并进行解体分析，发现2号转向架1号电机轴伸端轴承已经严重磨损，事实证明：用定子电流分析法来诊断牵引电机故障是可行和有效的。

结语

基于定子电流分析方法，并结合双树复小波变换的故障特征提取技术，成功研制并开发HXN3型机车牵引电机故障诊断装置，具有诊断准确、成本低廉、可操作性强等优点。该装置通过在HXN3型机车上实际运用，证明系统先进可靠，能够有效检测和诊断牵引电机故障，指导技术人员对故障的牵引电机进行及时维护维修，对于保障机车的正常运行有重要意义。

参考文献

[1]温吉斌.HXN3型机车牵引电机轴承故障分析及改进措施[J].铁道机车与动车，2014（06）：40.

[2]王天松.论内燃机车的检测技术及其运用.中国新技术新产品，2012（23）：126.

[3]杨江天.基于定子电流小波包分析的牵引电机轴承故障诊断[J].铁道学报，35 （02）：32.

中图分类号：TP277

文献标识码：A