DF4B型内燃机车牵引电动机故障原因分析及防止措施.docx
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DF4B型内燃机车牵引电动机故障原因分析及防止措施
吉林铁道职业技术学院
毕业设计（论文）任务书
题目：
DF4B型内燃机车牵引电动机故障原因分析及防止措施
专业：
铁道机车车辆
姓名：
栾金榜
学号：
070030133
设计（论文）指导教师：
臧丽娟
发题日期：
2010年月5日10
毕业设计（论文）评议意见书
专业
铁道机车车辆
姓名
栾金榜
题目
DF4B型内燃机车牵引电动机故障原因分析及防止措施
指导教师评阅意见
成绩评定:
指导教师:
年月日
答辩组意见
答辩组负责人:
年月日
备注
一、设计题目及内容：
设计题目：
DF4B型内燃机车牵引电动机故障原因分析及防止措施
内容：
DF4B型内燃机车牵引电动机做为内燃机车实现电能转化为机械能的最重要的机车部件，它状态的好坏直接影响着机车的安全运行。
由于直流电机由于具有换向设备：
换向器、电刷、刷握等装置，而增加了其检修保养的环节。
特别电刷是活动的磨损部件，需要定期检查其活动间隙及磨损量，否则将引起换向不良，烧损换向器、主、附加极、电枢等，造成电机大修，后果相当严重。
因此，直流电机的运用、保养及检修就显得更重要了。
本文简述了DF4B型机车牵引电动机在运用中出现的故障和设计上的缺陷，指出了结构设计、组装、操纵、保养、检修等方面所存在的问题，并提出了相应的解决措施，针对环火、接地、断线、轴承及齿轮五种故障的原因提出了实际可行的防止措施，针对这些问题总结出了一些经验和一系列的管理保障措施，以及对牵引电动机的改进。
二、基本要求：
通过对运用高新技术在开行货运重载方面的革新，说明提高牵引电动机运用稳定性在铁路安全运输中的重要作用。
在实际运用中发现的一系列问题：
如环火、接地、断线、齿轮轴承故障等，进行分析说明，对这些故障进行了具体可行的防范，减少了此类故障的发生。
在实际运用中应用TY仪、TZ仪、轴温报警分析防止接地、断线、轴承破损的有效措施及实际操作过程。
对牵引电动机在设计上的缺陷加以改进。
三、重点研究问题：
1.牵引电动机故障原因分析
2.解决牵引电动机故障的对策
3.探析对牵引电动机的日常管理
四、主要技术指标：
额定功率（千瓦）
410
额定电压（伏）
550/770
额定电流（安）
800/570
最大电流（安）
1080
额定转速（转/分）
640
最大转速（转/分）
2365
工作制
持续
励磁方式
串励
磁场削弱等级
第一级60%
第二级43%
通风方式
强迫通风
绝缘等级（定子/转子）
H/B
电机重量（公斤）
2980
五、应搜集的资料及参考文献：
《电机学》………………………………………浙江大学出版社
《内燃机车》……………………中国北车集团大连机车研究所
《电传动技术》………………………中国北车集团永济电机厂
《内燃机车电传动》…………………中国北车集团大连机车厂
六、进度计划：
序号
论文内容
日期
完成情况（%）
1
确定论文设计题目，领取设计说明书
4.3
25
2
调研搜集资料
4.13
20
3
论文初稿
4.25
25
4
初稿审核、修改
5.1
20
5
定稿、编排、打印
5.15
10
完成设计日期2009年5月15日
答辩日期2009年月日
七、附注：
目录
序言……………………………………………………………7
第一章牵引电动机环火故障原因及措施
一分析环火产生的原因……………………………………8
二外界因素造成环火………………………………………10
第二章牵引电动机主、换向极、电枢绕组接地原因分析
一环火烧损电机……………………………………………14
二电机绝缘老化，击穿绝缘而接地………………………14
三主极、换向极线圈变形、松动…………………………15
四采取措施…………………………………………………16
第三章牵引电动机轴承故障原因分析………………………………………17
第四章电机内部断线故障原因分析………………………………19
第五章牵引电机齿轮故障原因分析………………………………20
第六章牵引电动机在管理上的建议（以哈尔滨机务段为例）……………………………………………………………23
结束语…………………………………………………………24
DF4B型内燃机车牵引电动机故障原因分析及防止措施
序言
随着铁路运输事业的迅猛发展，提速重载成为铁路跨越式发展的主旋律。
牵引电动机接地、环火、断线、电枢匝间短路、轴承破损、小齿轮断裂或脱落等故障明显上升，直接影响机车的运用安全。
ZQDR—410型牵引电动机作为DF4B型内燃机车的主要电气设备之一，其质量好坏对整个机车的安全走行起着至关重要的作用。
直流电机与交流电机相比，具有故障率相当高的特点，运用保养质量的高低可以直接决定直流电机的使用寿命。
总结直流电机在运用中出现的故障情况，采取正确的运用、保养及检修措施是减少和防止直流电机故障的有效途径。
现以哈尔滨机务段ZQDR-410型牵引电动机的故障情况为例，来分析该型牵引电动机的故障原因及在运用、保养及检修中应采取的措施。
表1 哈尔滨机务段牵引电动机落修统计表
落修原因
2004年1～10月份
2005年1～10月份
合计
百分比%
环火
16
9
25
23.1
主极绕组接地
19
8
27
25.0
换向极绕组接地
10
6
16
14.8
电枢绕组接地
2
1
3
2.8
断线
21
6
27
25.0
轴承故障
3
3
6
5.6
主动齿轮
2
2
4
3.7
合计
73
35
108
DF4B型内燃机车的6台牵引电动机均安装在机车底部，不但启动停车频繁，运行中振动大而且安装空间狭小，又要承受风、沙、雨、雪及灰尘的侵袭，运用条件非常恶劣，因而极易发生故障。
综合表1分析可知，该电机的主要故障为：
（1）环火；
（2）主极、换向极绕组或电枢绕组接地；
（3）牵引电机内部断线故障；
（4）轴承故障；
（5）齿轮故障；
现从五个方面具体分析DF4B型内燃机车牵引电动机的故障情况。
第一章牵引电动机环火故障原因及措施
当牵引电机受到冲击负载，电枢电流急剧增加，换向元件中的电抗电动势也随之急剧增加，但是由于换向极铁芯中涡流的阻尼作用，换向极磁场不能立即跟随电枢电流成正比的增大，将形成严重的延迟换向，后刷边出现火花和电弧。
同时因换向器旋转以及电动力的作用，电弧将沿着换向器的旋转方向被拉长。
此外，电枢电流急剧增加又引起强烈的电枢反应，使气隙磁场发生严重畸变而出现电位差火花。
当电刷下的电弧被拉长到与电位差火花汇合在一起时，便会引起换向器周围空气电离，将更进一步促使电弧的发生，最终形成一股跨越正、负碳刷之间的电弧，即发生环火，电机在短时间内将被烧毁。
第一节从电机本身的结构性能分析环火的原因
一电刷原始火花在较高的电位特性下会发展成环火，当最大片间电压瞬间大大超过允许值时，电位火花会发展为环火
由表2戚墅堰机车车辆厂1991年4月～1992年3月间厂修电机的试验数据：
表2 厂修电机火花试验数据
项目
火花1级
1+1/4级
1+1/2级
火花超限
环火故障
合计
台数
983
19
24
4
10
1040
比例/%
94.5
1.82
2.30
0.38
0.96
100
可以看出大修出厂的部分电机本身换向就不是很好，这样机车投入运用之后，由于运用条件恶劣，很容易出现换向器发黑，碳刷接触不良，过热灼烧刷握使之变形等现象，从而加重换向火花，最终造成环火。
机车在长时间运用后，电机换向器的保养好坏，将直接影响电机的质量。
因此运用中应及时检查电机，发现碳刷不良烧损，或刷握不良时应及时更换整修。
这就要求乘务员在交接班时及机车进库整备时认真检查，定期抽检碳刷、刷盒，将“事故苗子”消灭在萌芽状态。
一电刷是电机的关键部件，电刷不良、裂碎或固死，脱辫或烧损也易造成电机环火
电机对碳刷的要求是：
有良好的换向性能和机械性能；
有足够的机械强度和耐磨性；
有良好的成膜性能；
对换向器的磨损要小等。
从现用的国产电刷来看，主要有如下缺陷：
电刷耐磨性差、寿命短、换向性能差或者磨损换向器，使之产生铜毛刺。
据有关资料介绍，国外牵引电动机电刷寿命一般为15～20万公里，最好的达20～30万公里，而国产牵引电动机用的D374型电刷寿命为5～6万公里，最好的也不过7～10万公里。
这不仅给检修带来了大量工作，而且在材料上也造成了巨大的浪费（一块新造的D374型电刷总长度为60mm，其磨损的最低限度为35mm，带有铜辫的废旧电刷的价值几乎高于其原价值的二分之一），因此有必要研制和推广使用新型耐磨高质量电刷。
在1987年，自DF4B型机车上线之后，曾一度出现过多台机车整流子异常磨损，电机云母槽内积碳多的情况，在更换了电刷并彻底清理了云母槽运用一段时间之后逐渐好转，这说明其原因还是由于碳刷不良引起的。
因新造机车电机原装碳刷与哈机使用的电刷并非同一厂家生产的，其硬度也就不同，因此，在同一台电机上使用就造成了电机换向器的异常磨损。
针对碳刷问题，采取以下措施：
1严格把住材料进货关，要求材料室使用铁道部认可的正规厂家生产的质量信誉良好的碳刷；
2日常要求乘务员及时检查碳刷磨损状态，机车入库时地勤人员检查机车时必须将牵引电机碳刷状态做为重点，并跟踪碳刷磨损规律，发现整流子异常磨损必须进行提票处理；
3机车小辅修时，必须检查碳刷在刷盒内安装状态，要求碳刷在刷盒内活动自如，不允许有卡滞、偏磨、严重掉块、过热变色现象，同时检查刷辫状态，不允许出现过热变色等不良状态，避免刷辫与升高片碰磨。
4更换碳刷时，首先要对碳刷接触面进行研磨，保证碳刷接触面不少于80%，必须遵循同一电机使用同一厂家同一牌号的碳刷要求，如发现不符，必须更换整台电机的所有碳刷，同一组刷握上的电刷应保持相同的长度。
二电枢匝间短路
绕组与升高片、均压线与换向片开焊虚接，造成片间电压过高，引起牵引电机环火。
针对此故障，要求小辅修对牵引电机进行TY绝缘介电强度检测，中修及落修电机除进行TY检测外必须进行TA匝间耐压检测，通过检测发现并及时处理消灭隐患。
例：
2004年10月15日DF4B7323机车牵引38007次，5574吨，56辆，计长66.6，运行在对青山～里木店间上坡道时司机发现机车接地、过流同时动作，于23：
35分停于35K220m处，停车后检查工况转换开关第二电机触头粘连，第二电机环火。
司机于23：
35分停车后立即通知对青山及里木店车站请求救援，将第二电机甩掉后试验其它电机电流正常。
0：
20分DF4B6488机车里木店方向来救援挂头，区间0：
26分开车，里木店车站0：
43分停车。
检查情况：
机车第2动轮踏面擦伤110mm左右，动轮不能转动；解体齿轮箱后检查发现牵引齿轮脆裂为2部分，齿轮备帽裂损为2部分并且有碾伤，防缓锁片变形，齿轮裂口处有毛细裂纹；牵引电动机转子轴有压伤、颜色正常无拉伤及碾片；牵引电动机解体后发现整流子换向片同极间烧损4片并且出现凸片现象；牵引电动机定子内部在齿侧有严重扫膛现象；转子在齿侧的无纬带全部崩没，同侧的电枢绕组全部崩开；动轮从动齿轮有碾伤；分析监控，乘务员在机车卸载后，连续3次加载。
原因分析：
电机电枢绕组内部有薄弱点，电枢齿侧无纬带机械强度存在薄弱点，运行时大电流时匝间短路，电枢绕组崩开，瞬间大电流通过时使电枢轴过热后，造成牵引齿轮及备帽受到应力而崩裂，崩裂的牵引齿轮下半部脱落在齿轮箱内，上半部分仍在转子轴上，备帽崩裂的一部分落在牵引齿轮与从动齿轮间卡死，造成机车动轮不能转动。
乘务员在未准确发现问题点的情况下，反复加载三次，也使故障情况不断扩大。
措施：
牵引电动机备品组装时加强检测手段，检测时用木锤击打其检测部位，检测过程由质检员、验收员进行监控，技术室再次对此项进行专项写实。
第二节外界因素造成环火
一轮对空转造成瞬时过电压
轮对空转在长大坡道较多的线路上出现概率较大，主要原因是机车功率不足加之线路原因。
在哈尔滨机务段所担当的区段中，象哈——棋盘线上从周家到平房、东富到吉舒等都是长大坡道，在这些区段上途停或进站停车再启动时，启动后电流都在4000A左右，并且长时间低速大电流运行，很容易造成电机空转、电机环火放炮的几率也多。
乘务员操纵失误也能造成轮对空转，例如在2005年11月6日，哈机DF4B1081机车担当哈—三间28005次货物列车牵引任务，哈南开10：
16，里木店13：
07待避，13：
37开车，由于出站即千分之十一上坡道，乘务员提手柄过快，又没有及时采取撒砂措施，造成1位轮对空转不止，出现主电路过流故障，检查发现1位牵引电机发生严重环火。
采取措施：
合理配备机型，在运用中乘务员应正确操纵，提前撒沙，防止空转，重载长大坡道起车时不可提转数过快，尽可能减少产生此类故障。
二操作过电压
1过渡点不准确造成牵引电机环火
2004年统计，56台机车出现自动过渡故障，出现自动过渡故障后，要求乘务员必须手动过渡，由于乘务员操作不准确，过渡点选择时机不到位，会造成牵引电机的过电压从而引发环火。
现在由于机车检修质量已大大提高，机车功率、过渡装置均采用自动调节，过渡较平缓，此类故障已很少发生。
采取措施：
（1）、在小、辅修作业过程中，严把质量关，过渡装置在试验台上试验后严格按工艺要求校定数值，使机车过渡时电流电压在最理想的数据状态下；
（2）、教育乘务员运用中避免升降转数过快，防止负荷变化造成电流电压突变引发环火。
（3）、碎修、临修中提票自动过渡故障时必须及时组织检修，小辅修时对自动过渡装置进行试验，尽量使乘务员减少使用手动过渡的机会。
2逆电造成牵引电机环火
“主电路逆电”就是机车在牵引工况时牵引电动机发电。
这种情况与机车在电阻制动工况时牵引电动机发电不同，制动工况中牵引电动机所发出的电（热）能被消耗在具有冷却功能的制动电阻上，且该电流的大小能够被控制在安全、允许的范围内。
而发生逆电时牵引电动机所发出的电（热）能却被“消耗”在主电路中的电机、电器上，且逆电电流无法被控制在安全、允许的范围内。
一旦发生逆电故障，将烧损主电路中的主发电机、牵引电动机、主整流器、转换开关及电器，容易引发火灾，经济损失极大，后果十分严重。
例：
2004年1月20日，DF4B7387机车回段入库地勤人员检查机车发现1~6D全部环火，分析监控记录发现乘务员在调车作业时将换向手柄打至与运行方向相反，造成机车逆电，牵引电机全部发生严重环火。
发生逆电的条件是：
（1）机车有速度；
（2）方向手柄与机车运行方向不一致；
（3）主电路处在闭合状态；
逆电发生的原因：
由于错误的操纵，当机车有速度、牵引电动机主极有剩磁或主极绕组励磁方向不正确、主接触器闭合三个条件偶合时，使牵引电动机在非电阻制动工况而符合发电机发电条件，发电后由于主接触器的闭合，使外电路形成闭合回路。
由于该电路中没有负载，电流值失控，处于短路情况，巨大的电流值瞬间产生极大的热量，将会烧损主电路内所有发电机、电动机及其回路中其他电器。
针对逆电的发生所采取的预防措施：
逆电是机车五大病害之一，必须对此高度重视，教育乘务员严格标准化作业，运行中严禁变换换向手柄位置，机车未停稳之前严禁换向。
（1）机车没有停稳前，绝对禁止将方向手柄打到反向，更不准反向加负荷。
（2）作为补机或重联机车时，无论柴油机在启动或停机状态，方向手柄都应与运行方向一致。
运行中严禁做与运行方向有关的电器动作试验。
（3）上坡道停车再开时，注意制动机的使用，避免在向后溜的情况下提手柄开车。
（4）防止接地的发生，避免电器动作失控而形成逆电。
三整流子拉伤引起电机环火
DF4B型内燃机车ZQDR—410型牵引电机接连出现压指弹簧折损脱落划伤换向器，经过机车检查和调查分析发现，部分牵引电机刷握压指弹簧下方是全开放式，当压指弹簧出现故障折断或脱落时，压指弹簧就会落在电机换向器表面，造成换向器被划伤。
整流子拉伤以后表面粗糙度达不到技术要求，不仅会使碳刷和换向器异常磨损，还会因接触不良形成火花，造成环火。
自1991年至1997年，在哈尔滨机务段共有17台电机整流子拉伤，占总故障电机台数的13.5%。
经检查发现这些电机多数是由于压指弹簧断裂后掉入刷盒内整流子的上面，电机旋转后而拉伤整流子的。
因此，根据铁道部原机务局“七项专业会议文件”汇编的精神，将原有电机自2004年起进行了加装改造，段重新下发了ZQDR—410型牵引电机防止压指弹簧划伤换向器预防措施，为避免压指弹簧折损脱落拉伤换向器，段要求对所有ZQDR—410型牵引电机压指弹簧槽下方为全开放式的刷握加装橡胶防护胶皮。
安装范围：
ZQDR—410型牵引电机安装有双刷杆无芯杆压指弹簧并且压指弹簧槽下方为全开放式的刷握，四个位置的刷握均加装防护胶皮。
即在电机顶部刷盒的压指弹簧下面加装一托盒，这样，即使压指弹簧断裂，也会被托盒接住而不至于掉入换向器上部而拉伤整流子。
安装位置：
刷握底部压指弹簧下方。
哈尔滨机务段在对牵引电机加装改造以后，大大减少了整流子的拉伤。
从经济效益上看，每个托盒的材料费及加工安装费总共也不过几元钱，而每台电机整流子拉伤后仅旋整流子的加工费就两千多元，且电机落修，机车扣修费用更大。
据不完全统计，自2004年加装改造后至2005年10月至少防止拉伤整流子59次（即有59次压指弹簧断而未拉伤整流子），由此为机务段节省大修费用达十几万元。
四牵引电动机进油造成电机环火
内燃机车牵引电动机进油是运用过程中的惯性故障。
轻者影响电机绝缘,重者使电机途中环火接地。
一旦电机进油,扣车返修,几经清扫处理,耗费大量人力、物力。
电机进油后，整流子表面的油污会使碳刷接触不良，从而造成环火。
从几年来哈尔滨机务段共发生的32起电机进油故障看，大多是由电机通风道进入的。
我们知道牵引电动机的通风采用强迫外通风，风道进风口设在车上电气室和冷却室内。
在电气室，由于启动变速箱经常出现渗漏油现象，渗出的油不及时清除，就可能顺底板渗到第1、2、3电机通风道内而进入电机，其中DF4B型1888、1161两台机车在运用不足一个月时就因为启动变速箱漏油而导致电机进油。
另外，DF4型机车进油主要发生在4-6D牵引电动机,且以4D电机最严重。
自1998年10月至1999年10月间,我段96台DF4型机车,共发生36台次机车牵引电动机进油,特别是2005年9月至10月,DF4型7384号机车因静液压系统管路漏油造成4-6D牵引电动机进油,连续三次扣车临修。
其次,1-3D牵引电动机在一年内也出现过5台次,以1D电机为重。
原因多是由于静液压系统管路漏油被通风机吸入电机内造成的，另外少数是由于乘务员将油桶放在冷却间通风道进风口附近，不小心歪倒，流出的油被吸入电机内造成的。
通过调查分析,发现牵引电动机进油和其本身依赖集中通风的通风机吸口的环境、位置有关。
浸入电机内的油是从通风机吸口侧进入的。
DF4型机车1-3D牵引电动机的进油是从前台车通风机入口漏入的。
因风道低于地板,布置其后的前变速箱油封等处的油漏到地板后,经通风机传动轴下地板凹槽,汇集于通风机吸口背部。
当此处地板和通风机座面有缝隙时,在停机或低速态时,位差及机油重力作用,使漏油进入通风机通道。
高速时,风力又将机油吹经牵引电动机风道,帆布罩而达电机内部。
这种情况多见于前台车通风机背部安装座处,动态时看到通风机出来的风吹着机油流动现象,转速越高,油也流得越快。
针对以上两方面的原因，采取了如下措施：
（1）、针对静液压系统和启动齿轮箱漏油易进入牵引电动机的情况，在小、辅修和临修时发现有漏油部位，都进行重点整修，及时找出原因，消灭跑冒滴漏。
对已进油电机,我们先着手堵死进油源,又发动1～2h,利用通风机风力,让电机通风道内剩油吹出,然后彻底清扫处理电机。
平时教育乘务员,冷却室内的油壶要尽量远离通风机妥善放置,地板上的油及时擦净。
对新造的DF4型机车,落实事前控制的后台车通风机防油设施工作。
（2）、运转车间针对曾经因乘务员在冷却间放置油桶而导致电机进油，一方面下达书面通知，另一方面由各队队长在待乘点及段内乘务员学习会上传达“严禁在冷却间存放油桶，并要经常保持通风网及附近清洁”。
采取措施后，电机进油的故障大大减少了，至今再未发生一件因为牵引电动机进油而造成电机环火的故障。
（3）、在DF4型机车后台车通风机吸口地板处,铺设一块约长1200mm,宽500mm,厚50mm的海绵,将主机油管至后台车通风机间地板基本铺满,用重物压住,在通风机进风口、网罩、蜗壳体壁间胶上一层801胶水,这样无论从上方管路或者地板外部漏过来的机油,都由海绵吸进。
再由于通风机网罩、体壁间801胶水的二次封油作用,使漏油无法进入通风机内。
海绵有很大的吸湿性能,据我们运用观察,至少可用一个中修期。
1-3D牵引电动机的整治,只需将前台车通风机入口漏风处用电焊焊住即可。
第二章牵引电动机主、换向极、电枢绕组接地原因分析
由表1看，从2004年到2005年10月哈尔滨机务段因电机接地共计落修46台，占总故障台数的42.6%。
因此，要降低电机故障率，必须减少电机接地故障。
一环火烧损电机
由于电机环火造成电机主极、附极或电枢接地。
严重环火甚至可以将磁极或连线烧穿经济损失较大。
对于环火产生的原因及应采取的措施，前已叙述这里不再赘述。
二电机绝缘老化，击穿绝缘而接地
由于牵引电动机的工作条件十分恶劣，时刻受到热的、机械的、环境的和电的各种应力的直接作用，因而引起绝缘结构老化。
电机在工作时，电机运行中的能量损耗转变为热量，从而导致电机各部分温度升高，使绝缘材料逐步升温。
由于机车在运行中常发生通风罩破损、卡子脱落、通风口错位等故障，使电机不能得到有效通风冷却，温度常超过绝缘材耐热等级，加剧电机绝缘的老化，同时，由于铜、硅钢片、绝缘材料三者之间膨胀系数不同，在高温情况下，可使绝缘材料发生断裂。
在运用中就会因高电压击穿绝缘而接地。
产生老化的原因可分为以下3种：
1热老化
引起牵引电动机绝缘热老化的因素较多，如通风帆布道破损或堵塞，通风机不良等造成进风量不足；电机内部过脏，绕组散热性不良；磁极铁芯因制造工艺问题不能与机体座完全密贴；长时间满负荷运行或超负荷运行。
这些因素均会使绕组温升增加，引起绝缘材料热老化及绕组产生轻微热变形，其结果是在绝缘结构中产生脆裂。
2机械老化
由于牵引电动机采用轴悬式结构，机车运行时钢轨与轮对、轮对与牵引电动机传动齿轮之间及牵引电动机本身工作时，产生的各种机械振动和电机内部的电磁力均会作用于电枢及磁极上，而引起电机的振动，导致绝缘结构产生磨损、龟裂。
3环境老化
粉尘污染。
由于电动机采用强迫外通风，通风口未设滤网，因此，尘埃不可避免地被带入电机内部，再加上电机工作时产生的碳粉铜粉等导电物质也会遗留在电机内部，这些附着在电机内的混合物具有吸潮作用，会引起绝缘电阻的进一步降低；
油水污染。
由于冷却间静液压系统及油水管路滴漏的油水被通风机吸入通风道，进入电机内部造成电机绝缘老化。
电压老化。
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