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，βN=87%，βmin=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 电机 PN/kW UN/Um 　/V IN/Im　/A βN/βmin Q/m3.min－1 Kn／％ Vkn/Vkm　／m.s－1 Asja ZD115 900 1 030/1 100 945/1 450 87/42 130 28 28.7/50.9 3 351 ZD118 1 000 1 080/1 180 990/1 485 87/44 130 29 29.8/50.9 3 680 电机 Jm／A.mm－2 JH／A.mm－2 Jk／A.mm－2 Jb／A.mm－2 ern／erm　／V Kem UkN／Ukm　／V εm／V.cm－1 ZD115 3.92 4.78 7.67 12.50 3.08/4.60 2 915 17.74/29.54 70 ZD118 4.11 5.01 8.03 13.09 3.23/5.04 3 486 19.03/31.69 75.1                   表中：PN——额定功率；UN/Um——额定电压/最高恒功电压；IN/Im——额定电流/最大电流；βN/βmin——额定励磁率/最小励磁率；Q——风量；Kn——额定工况的电流脉动因数；Vkn/Vkm——换向器额定线速度及最高线速度；Jm、JH、Jk、Jb——主极、换向极、补偿绕组及电刷电流密度；ern/erm——额定工况及最大电抗电势；Asja——电枢发热因数；Kem——换向器单位长度上的最大能量指标；UkN/Ukm——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erm，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erm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Kem，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： Kem=(kv/ku)2emiaVk/(2βkLB)  (1)式中：kv——电机恒功速比； ku——ku=Um/UN，电机调压比； ia——电机支路电流； βk、LB——换向片宽度、每刷握电刷总长度。 在常规的设计中，Kem的推荐值为2 500～2 800，最大不超过3 000。ZD115电机的Kem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Kem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、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。 1.2.1 电机轴承故障的测定 把从传感器接收到的轴承故障冲击力脉冲信号，经放大后，采用滤波技术，获得高信噪比的故障信号，通过共振解调处理，就可得到与轴承故障部位相应的频率信号，从而确定故障部位。共振解调诊断轴承故障的步骤见图2。 图2 共振解调步骤示意图 1.2.2 滚动轴承故障频率计算 不同型号电机的故障轴承，在不同的转速下，有着各自相应部位的故障频率，但是轴承不同部位的故障频率计算方法是一致的。具体计算公式如下： 1.2.3 轴承检测的频谱分析 电机轴承有缺陷时，滚动体滚过缺陷部位就会产生冲击振动，在轴承转速固定的情况下，这种振动具有固定的频率，称之为故障特征频率。不同的轴承元件对应不同的故障特征频率。在对轴承检测信号作频谱分析后，就可以找出相应的故障特征频率，从而确定轴承存在缺陷的部位。 1.3　措施 1.3.1　优化换向极极靴形状，选择合适的换向极第二气隙，改善换向性能 由上述可知，电机的电抗电势、换向强度准则已超过了推荐值。由式(1)可知，在恒功速比及调压比、换向器结构不变的情况下，要降低kem只有降低ern。在上述条件下，ern则是由电枢结构如槽形结构、铁心长度、绕组形式等所决定的，比如可通过改变电枢槽形或改为异槽结构等来降低ern，但这些均要牵涉到大型模具及工装的改变，设计制造成本增加，周期延长，是不可行的。然而我们还知道，电机换向的好坏不仅取决于电抗电势绝对值的大小，主要还取决于换向电势ek对电抗电势er的补偿程度，即换向火花的大小主要取决于未补偿电抗电势的大小。实际上，要达到理想的换向，必须要求元件的换向电势在换向过程中的任一瞬间都能补偿电抗电势，即要求换向电势的空间波形与电抗电势的波形相吻合。这就是我们所要解决的主要问题。 为使换向电势和电抗电势的波形基本一致，通常有两个途径，一是选择换向极气隙(第一气隙和第二气隙)，二是设计合理的换向极极靴形状。前者可使ek和er的平均值达到平衡，而后者将会使换向磁场与感应磁场的形状一致，从而使随时间变化的换向电势曲线形状与电抗电势曲线形状吻合。因此说换向极极靴形状对电机换向性能有很大的影响。 按照传统的设计方法，通常取换向周期内电抗电势的平均值等于换向电势，从而确定换向区内应有的磁通值，即换向极匝数、换向极极身尺寸等。事实上，对换向磁场进行分析时，还要考虑到主磁场对换向磁场的影响、换向元件在换向区的分布情况等，因此按照传统的路的设计方法进行准确计算是十分困难的。为此，我们采用我所引进的ANSYS多物理场软件包，对电机磁路进行了有限元分析与计算。考虑到主极极靴形状、主极气隙形状的改变均要涉及到大型冲模的变动，所以仅通过优化换向极的极靴形状及第二气隙来改善电机的换向。通过对不同换向极极靴形状及不同第二气隙下换向磁场的分析计算，根据最小的未补偿电抗电势，来确定最合适的换向极极靴形状及第二气隙，同时还用此方法对速率特性进行了求解，以提高速率特性的设计精度。 1.3.2　提高电机的绝缘等级 为解决温升问题，可采用3种方法：(1) 加大通风量；(2) 优化风路；(3) 提高电机本身的耐热等级。对于第1项措施，由于机车通风设备不变，所以风量无法加大；风路的优化要以不改变模子为前提，经分析原电机风路已趋合理，潜力不大。所以唯一可行且有效的是提高绝缘等级，即将原来的全H级提高到C级(200级)。C级绝缘系统在国外一些大、中型直流电机上已成功地运用，国内一些直(脉)流牵引电机也在尝试这种绝缘结构，对于像1 000 kW这样大功率的技术经济指标都很紧张的脉流牵引电机来说，采用C极绝缘系统是十分必要的，在技术上也是可行的。 1.3.3　轴承 900 kW牵引电机曾一度出现过非传动端轴承烧损故障，其主要原因是由于电机所受轴向力过大及润滑状况不良等。对于这种内圈带挡边的圆柱滚子轴承，在承受径向负荷的同时，还可以承受一定的轴向负荷。轴向负荷的承受能力主要不是由材料的疲劳强度决定，而是由滚子和挡边接触区滑动表面的负荷承受能力所决定，也就是说主要取决于轴承润滑状态、运行温度及轴承的散热条件。计算表明，在一定转速下，轴承直径的加大，可提高轴承的径向负荷能力，其轴向负荷能力增加甚微。轴承寿命计算表明，非传动端轴承的寿命完全满足要求，并且比传动端轴承寿命还长，事实上，传动端轴承运行情况良好。此外，如果加大轴承尺寸，不仅增加了成本，而且由于电机外部空间尺寸不变，内部风道尺寸必然减小，在电机温升较高的情况下，这种显然是不可取的。因此我们主要从以下几点着手提高轴承的运行可靠性。电机轴承有缺陷时，滚动体滚过缺陷部位就会产生冲击振动，在轴承转速固定的情况下，这种振动具有固定的频率，称之为故障特征频率。不同的轴承元件对应不同的故障特征频率。在对轴承检测信号作频谱分析后，就可以找出相应的故障特征频率，从而确定轴承存在缺陷的部位。把从传感器接收到的轴承故障冲击力脉冲信号，经放大后，采用滤波技术，获得高信噪比的故障信号，通过共振解调处理，就可得到与轴承故障部位相应的频率信号，从而确定故障部位。在实际检测中，通过对检测数据的观察，看峭度系数、振动有效值是否正常，来分析判定电机轴承是否异常。对存在故障现象的电机，可通过对轴承故障脉冲信号的共振解调处理，用频谱分析方法，找出轴承的周期性故障特征频率，对照轴承故障特征频率表，确定电机轴承故障部位。 (1) 减小电机的横向振动加速度。根据SS8机车的动力学试验，牵引电机的最大横向振动加速度已达到4g(比构架相应的横向振动加速度0.6g高出几倍)，电机所承受的轴向力远远超过了其许用值。从损坏的轴承上可看出，挡圈上有十分严重的锻打、冲击痕迹，这也充分说明轴向冲击力相当大。在动车的总体设计中，已对电机的悬挂方式进行改进，以减小电机的横向振动加速度，使之与构架的振动加速度相同，这样电机所受轴向力会大大减小，轴承的受力情况将会得到有效改善。 (2) 改善润滑条件。从对ZD115电机轴承润滑脂的分析可知，国产3号锂基润滑脂的性能不够稳定，运行一段时间后，其粘度、氧化度等指标均有不同程度的变化，难以满足电机高速运行的需要。根据轴承厂家的建议，在ZD118电机轴承上采用带有EP添加剂的EP2润滑脂(有关资料表明，这种润滑脂可在一定程度上提高轴承对轴向负荷的承受能力)；同时加强轴承油脂注入工艺的控制，保证加入量合适，加入部位正确。 (3) 改进油封结构。在不大改变外部尺寸的前提下，对油封结构进行改进，使之更有利于油脂的流动，提高润滑效果。 (4) 提高轴承的装配质量。对轴承内圈与转轴实行选配，以保证装配后合适的径向间隙。严格加工工艺，保证前后轴承孔的同轴度。检查并控制轴承端面跳动量在规定范围内。改进电机空转试验方法，使电机在出厂试验前轴承有一定的磨合时间。 (5) 加强对轴承温升的监视。对于高速客运动车，安全可靠是第一位的，为保证电机的可靠运行，前后端轴承盖上加装了温度传感器，可及时发现轴承的异常温升，防患于未然。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。 1.3.4    峭度系数 峭度系数是表示轴承工作表面出现疲劳故障时，每转一周，工作面缺陷处产生的冲击脉冲，故障越大，冲击响应幅值越大，故障现象越明显。 峭度系数表示故障形成的大幅值脉冲出现的概率。为了将脉冲响应与背景噪声的差距拉大以提高信噪比，峭度系数取脉冲响应幅值的4次方为判断依据，准确度大大提高。 Kv峭度系数的特性：一般运转平稳、无明显周期性干扰的轴承，其振动信号概率密度接近正态分布，而正态分布的峭度系数Kv=3。当轴承逐步出现故障，工作表面出现损伤引起机械冲击时，Kv值增加较快，其振动信号概率密度偏离正态分布。这是轴承简易诊断技术的重要依据。 峭度系数对轴承早期故障较敏感，轴承一旦发生故障，Kv值即增大。也就是说当轴承逐步出现滚动表面损伤时，振动信号中必然产生周期性大幅值脉冲。由于峭度系数表达式中分子为x的4次方，而分母为均方值的平方，也就是说分母是一个平均量，这就必然导致分子的增加快于分母，Kv上升很快，反映了故障已出现。峭度系数是振动幅值概率密度函数陡峭程度的量度，计算时，采样频率及采样点数对计算结果有一定的影响。Kv值的计算是在概率密度函数化后进行的，当转速或载荷变化虽然也发生变化，但其均值和标准差也随之变化，幅值概率密度函数的形状与原工作状况无太大差别，对轴承故障的发展程度反映不很敏感，所以Kv值变化不大。 1.3.5  环火 根据SS8型电力机车ZD115型牵引电机运用和检修实际情况,分析了环火形成的原因,并从5个方面进行了阐述,提出了防止牵引电机环火的措施.1年的运用明,因环火造成的电机落修率下降了62%.从粉煤灰及固化剂特性分析着手,介绍了在沪宁高速公路镇江东段扩建构造物拼接中,利用粉煤灰掺加固化剂对旧的搭板下坍空、新拼接的构造物台后处理,效果较好.该技术有效地解决了地基沉陷、桥头跳车等质量隐患.基于人-车-路相互作用建立了简化的三质量车辆模型,运用叠加法计算了车辆动载荷的幅频特性与功率谱密度、加速度放大因子与加速度谱,利用所建的简化车辆模型对车辆的振动特性进行了评价,研究了车辆载荷与行驶安全性、加速度与振动舒适性的关系.结果表明,三质量车辆模型更能体现人体的振动舒适程度与路面不平度的响应关系,对于深入分析路面结构的动力响应有重要价值.就高赞大桥主墩大直径桩基础施工中应用"油田泥浆"和水力漩流器配合改善泥浆循环净化控制系统的实践作简单介绍,将其如何克服复杂的地质情况,确保工程质量的前提下,高效、快速地完成施工的情况向同行们作通报,希望能为类似的项目施工提供一些参考.简述了路基压实度检测及评定的主要方法和实际存在的一些问题.片式离合器是摩托车上的重要部件,不同的摩托车其试验模拟参数也不同.LNs型摩托车片式离合器耐久试验台是利用磁粉制动器和惯性轮分别模拟摩托车在4°35'坡道上,处于满载常用起步档时,折算到离合器的坡道阻力矩和当量惯量.从底盘测功机模拟汽车滑行阻力的原理入手,对汽车在道路和转鼓上所受的力进行了比较分析,提出影响底盘测功机阻力设定的因素,如轮胎压力、车辆的载重负荷以及在转鼓上所设定的惯量等级等,并通过试验进行了验证.底盘测功机的阻力设定对汽车的尾气排放和油耗的影响进行了试验研究,结果表明如果增大底盘测功机的阻力设定将使车辆的油耗和尾气排放增加.本文介绍了一种基于PLC的开关电器电寿命试验监控系统,阐述了其硬件组成以及软件设计方面的一些基本情况,并与传统的控制系统进行了比较,简单说明其所具有的优点.通过在大齐公路旧路帮宽施工中,采用冲击压实技术降低路基土方的工后沉降,增强路基的强度和稳定性的实践,证明冲击压实技术在路基施工中能够广泛应用. 该文研究用BP神经网络建立船舶主柴油机模型的方法,并对BP算法进行了改进,提出了一种动态优化学习率的方法.对6L80MC柴油机实际数据用BP网络进行计算的结果表明,该算法能有效地建立船舶主柴油机模型.该模型已成功用于船舶主机遥控仿真系统中.水泥混凝土路面因其独有的优势在公路建设中受到充分重视,但它也有一个很大的缺点,就是在发生破坏、磨损等病害后,其维护、修复工作难度较大.本文介绍了一种水泥混凝土路面超薄层的快速修补技术,既做到了快速修补,快速开放交通,又保证了修复后的强度和耐用性,修补效果令人满意.介绍国内第一座钢结构独塔无背索单索面斜拉桥的设计.本文就优先发展公共交通中,利用区域差别化理论制定公交服务分区政策作初步探讨,利用层次分析法(AHP)对影响大城市公交服务分区的因素进行综合分析,并结合成都市用地布局的特性使用GIS栅格分析方法建立公交分区模型,实现公交服务分区的空间分析.目的是通过对政策层面的探讨和数据空间分析的实际引用,来引导不同交通方式在城市不同地区的优先使用,以利于形成合理的城市交通方式结构和与之协调发展的稳定城市空间布局,实现城市交通的可持续发展 1.3.6  其他 针对ZD115型牵引电机出线盒在运行中出现的进水问题，对出线盒的密封结构进行了改进。 在试验大纲中增加了出厂时检查振动性能一项，要求电机在整个工作速度范围内振动速度符合TB/T2436—93的相应标准要求，消除影响电机高速工况换向性能的机械因素，保证电机在高速工况下的平稳运行。在机车或动车上用于驱动一根或几根动轮轴的电动机。牵引电动机有多种类型，如直流牵引电动机、交流异步牵引电动机和交流同步牵引电动机等。直流牵引电动机，尤其是直流串励电动机有较好调速性能和工作特性，适应机车牵引特性的需要，获得广泛应用。