【机电一体化论文】浅谈铁路机电设备的故障诊断

【摘要】：随着科技的快速发展，近年来我国在铁路建设方面取得优异的成绩，在铁路运输中，铁路机电设备充当着重要角色，是运营工作能安全顺利进行的可靠保证，对机电设备的故障进行分析诊断，并把所得结论运用于实践当中是现在重要的一项工作。

【关键词】：铁路机电；机电设备；故障诊断

1. 引言

随着我国铁路事业的蓬勃发展,其运输能力也在逐年的增加,而铁路机电设备的正常运转对于保证铁路系统的正常运行起着非常重要的作用。机电设备在日常的使用过程中,受环境、材料等各种因素的影响,其零部件会受到不同程度的磨损老化,对于一些关键性部件,一旦出现故障,因检修维修占用时间较长,则会影响铁路路线的正常运转。传统的检修方式以及无法适应当今新情况的要求,不仅占用大量的时间,还会使成本上升,为了充分发挥机电设备的性能,需对其进行动态的监测,做到提前预防,发现问题及时处理以增加其使用寿命。

2. 机电设备故障诊断的现状

2.1 机械故障

（1） 机械故障的类型

按故障发生速度分类：①渐发生故障；②突发性故障；③复合型故障。

按故障的危害程度分类：①故障频繁程度影响程度等级排除紧急程度；②非常容易发生一级重大故障需立即排除；③容易发生二级重大故障尽量快排除；④偶尔发生三级重大故障生产间歇时排除；⑤极少发生四级重大故障大中修期间排除。

另外，还可以故障出现的情况分为已发生的实际故障和未发生的潜在故障；也可以根据故障发生的原因或性质分为人为故障和自然故障等。总之，研究故障类型的目的是通过分析各种故障对设备功能、参数、零部件失效形式的影响，从而在设计，使用中采取改进措施，减少或杜绝故障发生，保证人员和机械安全。

（2） 机械故障的规律

机械故障随时间变化的规律叫机械的故障规律。用寿命特性曲线，也称“浴盆曲线”来描述机械故障时效率随使用时间的变化关系。寿命特性曲线分为三个阶段。第一阶段为早期故障期，即由于设计制造保管运输安装等原因造成的早期故障。其故障率较高，但容易排出。第二阶段为正常运转期，亦称随机故障期。机器经跑和、调整，故障率逐渐下降并趋于稳定。在该阶段内仅有突发性故障，一般故障率较小。这一阶段表征了机械的有效寿命。第三阶段为耗损故障期，由于零件的磨损、腐蚀、疲劳等原因造成故障上升率，这时对机器进行大修，更换达到寿命的零部件，加强维护，可延长使用期。但一般大修费用可能较高，大修后的机器性能往往不如新机器。

（3） 机械故障发生的原因

机械设备故障的原因是多种多样的，归纳起来有：①机械设备自身缺陷影响；②环境因素影响；③时间因素影响。

2.2 机械零件的失效形式

（1） 变形失效

变形失效件体现为：不能承受规定载荷；不能起到规定作用；与其他零件的运转发生干扰。变形—在某种程度上减弱了零件规定功能，可以是塑性的或弹塑性的变形基本类型：尺寸变形或体积变形(长大或缩小)和形状变形(如弯曲和翘曲)。

（2） 机械磨损

磨损又分为黏着磨损、磨粒磨损和表面疲劳磨损。机械磨损的一般规律：机械设备在运转时，零件各部位的磨损并非相同，但磨损的发展具有共同的规律。机械的磨损过程大致分为三个阶段：（1）“跑合”阶段；（2）稳定磨损阶段；（3）急剧磨损阶段。防止和减少磨损的方法和途径:(1)正确的选材是提高耐磨性的关键。(2)尽量保证液体润滑，对设备进行正确、合理的润滑，能有效减少设备零部件的磨损，延长设备使用寿命。(3)采用多种表面处理方法：如滚压、化学表面热处理、镀铬、喷涂等(4)正确进行(5)摩擦副的结构设计(6)设备正确的维护与使用对设备的寿命影响很大

相对于机械故障，电气故障的特点略显单一，收到环境温度、湿度的影响，凸显了电气故障敏感性特点，此外还具有隐蔽性和突发性。

2.3 机电设备常见故障分类判断

对于机电设备常见的故障可按照以下进行分类。

(1)按照有无指示分为有诊断指示故障和无指示故障。对于现在多数的设备,因其自能化,设备内部有监控部件性能的程序,在出现故障时可自动报警,维修人员可根据提示来排除故障;对于一些故障,并无指示提示,这就需要维修人员的经验来找到故障的来源,从而进行排除。如部件因压力过高导致的行程失调,部件老化、功能失效性能减退等。

(2)按照部件的破坏情况分为非破坏性和破坏性故障。对于非破坏性故障,只是由于设备的老化变形、磨损松动等情况,找到原因之后对其进行更换处理即可;对于破坏性故障,如轴承断裂开裂,机床出现点蚀压痕等现象,需找到原因,在维修之后,应尽量避免此类故障再次出现。

(3)设备故障还可以分为系统性和偶然性故障。对于系统性故障,则是由于因零部件使用寿命到期一定出现的故障,对于这类故障只要定期检修更换部件即可避免;偶然性故障则是因为某些机械结构部件发生松动、脱落,可能导致漏油渗油等现象出现,对于这类故障,分析其来源较为困难,需要反复试验才能确定。

3. 机电设备的故障诊断方案

3.1 故障诊断注意事项

机电设备故障诊断方法众多，一般情况下，维修人员较常用的方法有自诊断法、故障树分析法、金相检测诊断法等，有时会根据温度、噪音、压力等采用相应的方法，但是不管采用哪一个方法来诊断故障， 在诊断前都必须注意这三大项：①遵循先外后内原则，维修人员在做检修工作时，必须认真、细致地对每一个元件做检查， 按照从外至内的顺序，一步一步进行，首先是检查执行元件，然后再到控制元件，若发现故障及时处理，在处理好这两个元件的前提下，最后才驱动元件。②遵循先机后电原则，顾名思义先机后电是先检查机械故障，再到检查电气故障，机械结构直观，检修时可直接观察设备表面的状况，是否出现常见的打滑、卡死、裂缝等故障，随后再对电气做检修工作。③先干后叶，按照主次之分，先对主要部件做检修，尤其是接口部件和结合部零件，这两个部件务必着重检修，然后再对次要部件进行检修。机电设备故障类型繁多，给维修工作带来很大难度，维修人员除了熟悉掌握检修技术之外，还要熟悉故障的表象，检修时按照程序一步一步地进行，只有这样才能快速找出故障源头，并且高效率的修复好设备。

3.2 设备故障的判断

机电故障类型居多， 为了铁路机电设备故障能有效诊断，把故障进行分类判断：①根据故障是否对设备主体造成破坏，分为破坏性故障与非破坏性故障，在维修时务必处理好破坏性故障，不能遗漏，非破坏性故障也可不忽视，为了制止非破坏性故障演变成破坏性故障， 要及时找出并做好处理解决工作。②通常故障发生时，出现两种情况，一种情况会有报警，提示有故障存在，另一种情况恰恰相反，毫无预示，根据这两种情况，可把故障分为无指示故障和有诊断指示故障。有诊断提示故障一般是高级设备控制系统中才具有此功能，对整个系统的硬件与软件性能时刻监控，若一旦故障产生， 设备屏幕上就会立即自动显示或是发出报警信号， 维修人员可在第一时间里根据诊断手册提供的信息实施维修工作。有诊断提示如果对故障设备维修不彻底，会导致无诊断提示的发生，而且其维修难度较大，只有技术高超、对故障了如指掌的维修人员才能排除此类故障。③按系统的必然性区分，可把故障分为偶然性故障和系统性故障，偶然性故障也称为随机故障， 两者故障确切的分析存在一定难度，一般情况下把偶尔会发生的故障叫随机故障，而在满足一定条件下，100%发生的故障叫系统故障，排除此类故障必须要通过大量反复试验， 然后再根据试验所得信息综合判断才可解决。把故障分类细化， 能使维修人员能快速找出故障源头与处理方法，及时对机电设备故障进行维修工作，而且能把隐藏的故障做全面处理，避免在日后的使用中出现。

3.3 以动态观点诊断机电设备故障

铁路机电设备故障维修人员在对故障诊断时， 常常使用直流电阻测试法， 检查电机的使用状况来确定是否有故障存在，这样虽然诊断出故障所在，但是对未来可能发生的故障不能预测， 采用动态观点分析法， 做倍频测试、阻抗测试以及MCA 测试，可预测出未来很可能发生的故障。在发生故障或是转子位置改变时， 电感和阻抗会发生变化，是判断定子是否存在问题的主要依据，判断方法是：把频率、电流的基值依次设置好，再适当增加频率，此时认真观察电流的变化，并记录下来，倍频电流发生波动，波动在15~20%属于正常范围，绕组阻抗的成分复杂，但电感是其主要成分。除此之外的变化量，作为匝间短路的评判值I/F，三相交流电机的I/F 值效果显著， 所以利用三相交流电机做故障诊断，例如，当利用三相交流电机测试时，得到的结果为-46%，-45%，-41%，则说明交流电机相间出现短路现象，要修复，若测试出的数据为-46%，-46%，-45%，则说明出现的短路不太严重。阻抗测试：电机电路的阻抗受到多方面影响，与电机电路由本身结构复杂有关，其由阻抗、互感、电阻以及电容组成，工作时，不光是定子绕组的类型还是转子绕组的位置， 或是匝间互感自感都会对电机电路的阻抗造成明显的改变，由此看来，通过抗阻测试的方法，能反映出转子是否出故障，从而达到预测是否需要维修的目的。

MCA 测试转子是否存在故障，举例分析MCA 测试，测试一台修复后的铁路CA 拖动电机，测试结果如表1 所示。

表1 修复后的铁路拖动电机测试结果表

T1-T2 T1-T3 T2-T3

电感 0 0 0

电阻 0.037 0.037 0.037

电抗 4 4 4

相角 51 52 51

I/F -45 -45 -45

绝缘 >99MΩ

4. 结语

我国铁路建设发展迅猛， 人们对机电设备安全性要求越来越高，因此，对铁路机电设备的故障诊断十分重要。本文首先介绍了我国机电设备的故障诊断现状，随后给出了详细的机电设备的故障诊断方案，为我国铁路机电设备故障诊断提供了新思路，也为我国铁路事业的发展做出了贡献。

【参考文献】

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