01
概述
铁路牵引传动动力已从蒸汽、内燃发展到了电力阶段，电力牵引主要有直流传动和交流传动2种模式。与直流传动相比，交流传动具有调速范围宽、功率密度大、维修简便等优点，逐步成为轨道交通装备发展的趋势和主流。1998年，原铁道部提出用10年左右的时间完成机车直流传动向交流传动转换的任务，经过数十年的技术攻关和积淀，加之技术引进的推动，我国已自主建立了大功率交流传动牵引系统的设计、制造、试验技术平台及体系。中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）拥有上万台交流传动机车、3000多列动车组成功投用，在运营时速、运行平稳性、行车密度等方面实现了全球引领，尤其是复兴号高铁列车已成为中国高端制造的金名片，取得了举世瞩目的成就。
牵引电机作为轨道交通列车的动力来源，其运行状态直接影响列车动力性能和行车安全。与一般工业应用场合不同，轨道交通应用环境极为恶劣。我国幅员辽阔且气候环境变化大，牵引电机转矩（功率）密度大、负荷变化范围大、工作温度变化范围宽且经常承受轨面非确定性冲击，同时其频繁工作于启动、牵引、制动、停车等循环工况，在电、磁、热、力等复合交变载荷长期作用下，性能存在退化和疲劳损伤将影响整车动力性能，甚至影响行车安全。实现牵引电机状态的监测与诊断，对于保障我国铁路机车车辆运行安全和行车秩序具有重大而积极的意义。
通过对铁路交流牵引电机常见故障类型进行归纳总结，明确轴承故障与定子绝缘故障是牵引电机的2种主要故障类型，对2种主要故障类型的诊断技术进行全面分析，提出铁路交流牵引电机故障诊断相关技术的发展方向，以期为相关科研人员提供一定的技术参考。
02
牵引电机常见故障类型
牵引电机主要故障可分为电气故障和机械故障2类，其中电气故障有定子绝缘故障、连接线故障等，机械故障有轴承故障、转子故障、紧固件故障等。根据国外学者对牵引电机各类故障的统计结果，约40%电机故障为轴承故障，约38%电机故障为定子绝缘故障，而转子故障不足10%，其他各类故障合计约10%。
我国不同区域有所差别，以HXD1系列交流传动机车为例，大坡道地区约50.0%电机故障为轴承故障，约33.0%电机故障为定子绝缘故障，转子故障为0，其他各类故障合计约17.0%；平直道地区约17.0%电机故障为轴承故障，约62.7%电机故障为定子绝缘故障，转子故障为0，其他各类故障合计约20.3%。可见，电机定子绝缘和轴承是较容易发生故障的部件，其故障类型见下图，着重介绍电机定子绝缘故障与电机轴承故障的诊断方法。
常见牵引电机故障类型
2.1
定子绝缘故障
牵引电机定子绝缘故障是由于电机长期工作在恶劣环境下，受到机械应力、热应力和环境应力等影响，同时承受具有较高频率和上升时间极短的脉冲电压，从而加速了定子绝缘的老化，导致绝缘损坏。常见的绝缘故障主要包括匝间短路、相间短路、接地、磨损等。铁路交流牵引电机典型定子绝缘故障见下图。
铁路交流牵引电机典型定子绝缘故障
（1）匝间短路是由绕组中相邻2匝或数匝线圈间的绝缘遭到破坏而引起的，是电机的主要故障类别，占其故障种类的15%。匝间发生轻微短路故障时，短路线圈内会产生很大的环流，产生大量热量，引起周围绝缘破坏，导致更严重的多匝线圈间短路，甚至相间短路、单相接地等严重故障，给铁路运输带来严重影响。
（2）相间短路是由电机不同相间的绝缘破坏造成的，相间短路瞬间产生较大电流将周围绝缘烧损，熔断绕组。
（3）接地故障是指绕组与铁心或与机壳绝缘被电压击穿，是电机的主要故障类型，由于电机槽口电场强度较大，因此接地故障部位一般在槽口。
（4）绝缘磨损是由于部分牵引电机防护等级较低，运行时容易将外部沙粒吸入电机，并随转子高速旋转，从而产生绝缘磨损。
2.2
轴承故障
牵引电机轴承工作环境复杂多变，旋转过程中主要承受较大的径向载荷，并受到轮轨面振动冲击作用，容易发生故障。由于变频调速牵引电机工作于逆变器供电模式，在电机上产生固有的共模电压，导致电机轴承易产生电腐蚀，即轴电压在旋转轴承滚道面和滚动体的接触部分击穿润滑薄膜产生放电现象，导致轴承工作表面出现局部熔融和凹凸现象。因此，相较于一般用途轴承，铁路交流牵引电机轴承更易发生故障，通常表现为内圈和外圈电蚀、滚动体剥落、保持架断裂等，并引起振动加剧及噪声增大等现象。铁路交流牵引电机轴承典型故障见下图。
铁路交流牵引电机轴承典型故障
03
电机定子绝缘故障诊断方法
3.1
在线诊断方法
针对定子绝缘故障，国内外开展了广泛而深入的研究，检测方式主要分为在线与离线2类。在线检测主要采用绝缘电阻、温度、局部放电、电压、电流、磁场等信号进行实时监测，其中定子电流的检测为主要研究方向。
电机正常状态下三相电流的不平衡量在可允许范围内，当绝缘状态发生变化时，不平衡量将发生相应变化，因此，监测三相电流不平衡量的变化，可实现在线实时监测电机绝缘的状态变化，此方法称为对称分量法。任意1组三相不平衡（不对称）向量表示为F?A，F?B，F?C，用式（1）表示，通过变换可分解成3组不同相序的三相对称分量，即零序、正序和负序。
零序、正序、负序分量示意
引入常数计算因子如下：
各相序分量间的关系可表示为：零序：F?A0=F?B0=F?C0；正序：F?B1=α2F?A1，F?C1=αF?A1；负序：F?B2=αF?A2，F?C2=α2F?A2。
研究表明，利用IPDT计算实时正序和负序电流能够消除其他非故障因素产生负序电流的影响，通过检测负序电流实现对定子线圈的故障诊断，但由于诊断精度不高未在产品上应用。
通过检测牵引系统中间电压与半电压差值的方法已广泛应用于轨道交通领域接地故障在线检测，但该方法只有当电机绝缘故障发展到接地时才能识别，无法实现电机定子绝缘故障的早期预警。基于牵引电机电流的多特征融合诊断技术，实现了定子绝缘状态的在线检测与故障预警，其具体诊断流程见下图。首先，采用频谱分析、派克矢量变换、对称分量分析等方法，从不同角度提取电流信号多维故障特征；然后，采用主成分分析法，将多维故障特征向量融合降维为能真实有效反映电机定子绝缘状态的单个特征向量，并将其送入模糊聚类模型，得到电机定子绝缘状态的诊断结果。
基于牵引电机控制信号的定子绝缘故障诊断流程
3.2
离线诊断方法
定子绝缘离线诊断方法是轨道交通领域普遍采用的检修维护方法，主要包括绝缘电阻、介质损耗因数、局部放电、匝间耐压及对地耐压等。
3.2.1
绝缘电阻
绝缘电阻是施加于绝缘的直流电压除以某一时刻全部合成电流的商，总的合成电流（IT）是表面泄漏电流（IL）、电容电流（IC）、电导电流（IG）和吸收电流（IP）之和。直流测试中绝缘电阻的等效电路见下图。
直流测试中绝缘电阻的等效电路
电容电流通常不影响测量，可忽略不计。在粘接较好的绝缘系统中，电导电流几乎为0（除非受潮）；表面泄漏电流对于时间是恒定的，潮湿或导电污秽会引起表面泄漏电流增高，导致绝缘电阻降低。通常对于清洁干燥的电机绝缘，其30s和几分钟之间的绝缘电阻主要由吸收电流决定，牵引电机绝缘为多层介质，采用双层介质模型描绘绝缘电阻的吸收现象。
双层介质的等值电路和吸收电流的变化曲线见下图。可见，合上开关S后直流电压加到绝缘上，电流表会测试出绝缘电阻的变化曲线，图（b）中阴影部分面积为绝缘在充电过程中逐渐吸收的电荷Qp，开始电流很大，随着时间延长逐渐减小，最后等于常数Ig，电流减小的时间与试品电容有关，电容越大，时间越长。通常选择施加电压1min后的读数作为绝缘电阻。
双层介质等值电路和吸收电流变化曲线
牵引电机绝缘电阻与运行时间的关系见下图。可见，其绝缘电阻呈先增加后降低的趋势，可有效诊断绝缘污染、吸潮或贯通的集中性缺陷，当绝缘电阻低于5MΩ时即判定为绝缘严重劣化。
牵引电机绝缘电阻与运行时间的关系
3.2.2
介质损耗因素
在交变电场中，由于介质极化建立过程相对电场的滞后作用，引起一部分电能转化为热效应，称为介质损耗。牵引电机绝缘中多种介质具有不同的介电常数?和电导率γ，因此在交变电压作用下除贯穿整个复合介质的电导损耗外，还可能在不均匀介质界面形成空间电荷的周期变化，造成局部电导损耗。根据麦克斯韦损耗理论，其介质损耗因数计算如下：
介质损耗因数的大小与测试电压、频率及环境温度、相对湿度等有关。牵引电机介质损耗因数与运行时间的关系见下图（图中Un为额定电压）。可见，电机运行2年后，由于绝缘中残存的水分、溶剂不断挥发，相应降低了绝缘内部小分子偶极子数量和离子载流子迁移率，其介质损耗因数呈下降趋势；电机运行6年后，由于绝缘受到电、热、机械等应力作用，绝缘材料分子链断裂，氧化后在绝缘中产生更多极性分子，使绝缘逐渐脆化，介质损耗因数逐步增加。因此，牵引电机介质损耗因数的定期监测可有效诊断电机定子的绝缘状态。
牵引电机介质损耗因数与运行时间的关系
3.2.3
局部放电
局部放电表现为绝缘内部气隙击穿、小范围固体或液体介质局部击穿或金属表面边缘及尖角部位场强集中引起的局部击穿等放电现象。气隙放电是常见的局部放电类型，其等效模型及电路见下图。
注：δ—气隙厚度；d—整个介质厚度；Rc、Cc—气泡电阻和电容；Rb、Cb—与气泡串联部分介质电阻和电容；Ra、Ca—其他部分介质电阻和电容
气隙放电的等效模型及等效电路
气隙和介质中的电场强度Ec、Eb关系如下：
式中：?c、?b分别为气隙和绝缘介质的相对介电常数。
当电场强度超过起始放电电场强度E0时，初始电子出现进而激发电子崩时会产生局部放电。理想气隙放电电场强度E0可表示为：
式中：（E/P）cr、B和n为常数，用来衡量绝缘中气隙的电离特性；P为气隙内的压强。
可见，局部放电发生时的场强主要取决于气体电离性质、气隙尺寸和气体压强，气隙放电过程各参数随时间的变化曲线见下图。可见，在正弦交流电压下，气隙放电出现在外加电压的一定相位上，通常使用起始放电电压（PDIV）和熄灭电压（PDEV）进行表征。
气隙放电过程各参数随时间的变化曲线
局部放电的检测可有效诊断定子绝缘是否存在缺陷，某牵引电机局部放电与运行时间的关系见下图。可见，电机运行2年时，有机绝缘材料进一步固化，PDIV和PDEV与出厂时相比略有增加；后续电机运行过程承受热应力和机械应力作用，造成绝缘材料本体或与铁心之间局部开裂，因此6年和10年时PDIV和PDEV与出厂时相比逐步有所下降。
某牵引电机局部放电与运行时间的关系
牵引电机匝间耐压、对地耐压测试可判断电机定子绝缘是否存在贯穿性缺陷，但不能评定电机的绝缘老化状态，而且对电机绝缘具有一定破坏性。
综上所述，离线检测中的绝缘电阻、介质损耗因数、局部放电可作为电机定子绝缘状态有效诊断的评估参量。同时，根据牵引电机定子绝缘的全生命周期测试数据或加速老化试验数据确定不同评估参量的阈值，并采用基于模糊数学的概念建立电机定子绝缘健康度评估模型，从而更加准确地评估电机绝缘状态。目前该方法已广泛应用于动车组、机车牵引电机的日常检修维护。
04
电机轴承故障诊断方法
目前的轴承故障诊断方法主要是基于振动信号、声发射信号、声信号、位移信号、温度信号、电信号等，利用时域分析法、频域分析法和时频分析法等进行分析。其中声发射信号的诊断方法虽然适用于强噪环境下，但信号采集成本较高；声信号则极易受其他噪声干扰，需剔除背景噪声，对高噪声场合不适用；激光测位移的实际操作难度极大且价格高昂，主要用于实验分析；电信号对工况敏感，技术尚未成熟。目前在轨道交通领域较常用的检测手段有基于温度信号与振动信号的在线检测方法。
常见电机轴承故障诊断方法与优缺点
车载轴温检测应用于机车等轨道交通装备的牵引电机轴承、滚动抱轴承、轴箱轴承等故障检测，是轴承故障报警检测的早期产品。由轴承故障机理可知，在轴承发生故障时会导致温度异常升高。轴承温度检测系统便是应用这一原理，通过检测轴承温度是否超过安全阈值或温升异常进行故障反馈，当检测到轴承温度（温升）异常时及时报警，提醒值乘人员采取降速保护等措施。该方法适用于故障程度比较严重的故障检测，对于轴承早期故障不敏感，是一种事后性故障检测方式，无法有效检测轴承早期故障，通过对发生轴承温度报警的牵引电机进行落车拆解来看，轴承失效严重且导致电机迷宫密封结构发生接磨，且温度传感器本身故障率较高，经常出现误报，严重影响正常行车秩序。根据牵引电机运行经验，一般牵引电机轴承预警温度为90~120℃、报警温度为110~140℃。
轴承故障早期，其发出的振动信号就有较大变化和反映，通过对振动信号的处理和时域、频域分析，取得牵引电机轴承运转的振动特征指标和特征频率，从而判断轴承故障状态和性质，提早采取必要措施，避免恶性事故发生。基于振动频谱的轴承故障诊断方法广泛应用于机械装备领域，但其诊断准确性与轴承工况、转速的稳定关联较大，加上振动采样用时长、诊断结果需人工判断等因素，不适用于工况、转速都在变化的牵引电机轴承在线检测，一般用于牵引电机落车后的轴承检测或顶轮检测。
电机滚动轴承故障特征频率
注：d为滚动体直径；D为滚动轴承平均直径（滚动体中心处直径）；φ为轴承径向方向接触角；Z为滚动体数目；n为电机转速
近年来，采用高速采样以获取轴承运行时的冲击信号进行轴承故障诊断的机车车载走行部监测系统（ATDR）广泛装备于交流电力机车和部分交直流机车，用于走行部（含电机轴承、滚动抱轴承、轴箱轴承及车轮踏面、齿轮表面等）的状态监测，在原有轴温检测技术基础上增加冲击检测技术。ATDR系统使用了广义共振解调技术，可用于电机轴承的早期故障诊断，其诊断过程见下图。该技术通过共振解调方法提取出冲击信号，进行共振解调变换，分离出高频故障信息进行诊断，进而识别出轴承故障，实现在线监测与故障预警。但由于传感器、轴承、牵引电机自身及机车走行部装配过程的离散性，加上机车运行时非平稳性因素，给该诊断方法中故障阈值、频率的确定带来困难，只能通过反复修正阈值、不断添加判据以适应不同配属、运用线路、系统、轴位等的牵引电机轴承故障诊断，存在一定漏判、误判情况。
基于共振解调技术的诊断流程
车辆滚动轴承故障轨边声学诊断系统（TADS）是一种目前广泛应用于铁路货车轴承的检测技术，并随着技术发展和机辆融合要求，逐步开始对客车、机车轴箱轴承进行检测，并实现了国铁集团主要干线的覆盖部署。该方法采用声学诊断技术与计算机网络技术，通过声音采集阵列（见下图）对运行的机车车辆轴箱轴承噪声信号进行采集和分析，评估轴承工作状态并进行早期故障预警。该系统通常布置在机车车辆运行线路上，通过轨边声学采集装置对途经机车车辆轴箱轴承部件进行实时在线监测。目前受噪声影响导致误报情况时有发生，且轨旁安装的声学传感器需尽可能靠近和指向轴承，所以也无法用于距离轨旁较远的牵引电机轴承故障诊断。
TADS系统的声音采集阵列
随着运行中轨道交通装备海量数据的产生和数据传输运算能力的快速提升，基于机理模型和机器学习的故障预测与健康管理（PHM）技术在牵引电机轴承故障诊断中得到探索和研究。该技术利用振动、温度等传感器采集牵引电机运行数据，通过转换、降噪、清洗进行信号处理，利用时域、频域、时频域分析、小波分析等方法提取有效特征，并与历史基线进行比较，完成轴承故障预测诊断和健康评估，进而预测轴承剩余寿命，具体流程见下图。
电机轴承PHM流程
PHM既继承了传统基于机理模型的分析方法，又结合了机器学习等数据驱动模型适应性强的特点，其中机理模型来源于轴承退化的动力学模型。牵引电机轴承内圈与转轴、轴承外圈与轴承座一般为过盈或过渡配合，所以轴承系统可简化为2个方向的弹簧-质量单元，根据Lagrange方程可得到正常轴承系统二自由度动力学微分方程为：
式中：m、c、k分别为滚动轴承质量、刚度和阻尼；Fx、Fy分别为x和y方向受到的载荷；g为重力加速度。基于此方程，可根据激励Fx和Fy求解出正常轴承工作下的响应信号。
当轴承元件（内圈、外圈、滚动体、保持架）表面出现退化时，缺陷会在两方面对轴承元件产生影响：一方面，旋转过程中局部损伤会周期性撞击轴承其他元件表面，产生周期变化的脉冲冲击力，且冲击力强度和持续时间与轴承元件的相对运动速度、所承受载荷等因素有关；另一方面，滚珠通过缺陷区域将引起滚珠与内外滚道的间隙改变，间隙变化将导致轴承非线性接触力发生变化。以轴承外圈为例，当滚动体与外圈损伤区域接触时，轴承与滚道的间隙突然增大；间隙变化只有在滚动体进入损伤区域后才会发生，在滚动体旋转一周范围内会产生周期性冲击力作用并使轴承刚度下降，周期性冲击力可视为外载荷；在正常轴承动力学基础上，考虑该冲击力和轴承刚度下降进行建模求解，得到轴承外圈退化条件下的振动响应信号。
PHM可实现牵引电机轴承的个性化故障诊断和健康评估，为牵引电机轴承计划修向状态修转变奠定技术基础，目前该技术已在我国地铁领域开始应用验证。
05
结论与展望
首先总结铁路交流牵引电机的常见故障类型，并指出轴承故障与定子绝缘故障是其较主要的故障类型。然后从轨道交通应用角度介绍现阶段牵引电机定子绝缘故障与轴承故障的主要诊断方法，并对各种诊断方法进行优缺点对比分析。对于电机定子绝缘故障诊断，在线监测方法主要采用绝缘电阻、温度、局部放电、定子电流、磁场等信号的实时监测，但均处于理论研究阶段。目前，成熟应用的绝缘故障诊断方法为离线检测，已广泛应用于牵引电机的日常检修维护。基于牵引电机电流的多特征融合诊断方法是定子绝缘状态在线监测与故障预警的发展方向。对于电机轴承故障诊断，目前较常用的检测手段为基于温度与振动信号的在线监测方法。其中，温度监测是一种事后性故障诊断方法；振动监测可用于电机轴承的早期故障诊断，但诊断准确性与轴承工况、转速的稳定关联较大，存在一定漏判、误判情况。综合考虑成本、诊断效果、工程应用等多种因素，牵引电机PHM技术可构建起集在线监测、故障诊断、剩余寿命预测于一体的健康管理系统，最终实现牵引电机及部件的状态检测、趋势分析和智能运维，具有较大的市场前景与工程应用价值，将得到广泛推广和应用。
END
文献来源
铁路交流牵引电机故障诊断技术研究及应用（《中国铁路》2021年第5期）
作者介绍
张大勇 中国国家铁路集团有限公司
