牵引电动机火花防治蒋玮琪

1、题目题目：牵引电动机火花防治牵引电动机火花防治摘摘 要要牵引电动机作为电力机车主要电气设备之一，其质量的好坏对机车整体质量起着至关重要的影响。虽然近年来，在制造厂家与各科研部门的共同努力下，牵引电动机基础质量得以不断提高。但牵引电动机在某些恶劣条件下运行时，在换向器表面正、负电刷之间可能出现强烈的环行电弧而发生短路，同时伴有闪光与巨响产生火花，这种现象称为环火。环火不仅严重影响列车安全正常运行，而且每年给铁路运输造成巨大经济损失。本文在参考了大量国内外的研究文献资料和数据的基础之上，针对牵引电动机环火的故障进行了分析，讨论了产生环火故障的原因，指出在运用、保养、检修中存在的问题，并提出预防措施

2、。关键词关键词： 牵引电机；环火；电刷；故障；火花防治目目 录录摘摘 要要.2引引 言言.4一一 牵引电机环火的危害牵引电机环火的危害.51.1 牵引电机概述 .61.2 环火的定义 .81.3 环火的危害 .101.4 当前的国内对牵引电机环火的研究现状 .10二二 牵引电机环火的原因分析牵引电机环火的原因分析.132.1 环火产生原因具体分析.13二、火花发展成环火的原因二、火花发展成环火的原因.141)原始火花发展成环火.142)电位火花发展成环火.142.2 环火产生的具体案例分析.15三牵引电机环火的防护措施分析三牵引电机环火的防护措施分析.183.1 减少原始火花或化学火花.183

3、.2 减少电枢电流 .193.3 改善电位特性或减小片间电压 .20结束语结束语.21参考文献参考文献.22引 言1821 年英国科学家法拉第首先证明可以把电力转变为旋转运动并最先制成了电动机。牵引电动机是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。牵引电动机的工作原理与一般直流电动机相同，但有特殊的工作条件：空间尺寸受到轨距和动轮直径的限制；在机车运行通过轨缝和道岔时要承受相当大的冲击振动；大、小齿轮啮合不良

4、时电枢上会产生强烈的扭转振动；在恶劣环境中运用,雨、雪、灰沙容易侵入等。环火是指沿电机换向器表面正、负电刷间形成的一股强烈的环行短路电弧，同时伴有强烈的电弧闪光和巨响。这种现象俗称“放炮” 。环火发生时，电机内部电枢元件和换向片被电弧短路，绕组内流过很大的短路电流，这会烧伤换向器表面和电刷，甚至造成电枢绕组烧毁，定子主、附极绕组因空气被电弧电离，易发生接地及短路，也会受到不同程度的损害，电机环火一般会造成电机落修，由此可见，环火是牵引电机最严重的故障之一。环火故障不仅严重影响检修停时，浪费大量人力物力，而且增加材料消耗，加大了工人劳动强度。因此，分析故障产生的原因，探求行之有效的防治措施势在必

5、行。一 牵引电机环火的危害1.11.1 牵引电机概述牵引电机概述牵引电动机是电力机车的重要部件之一，它安装在转向架上，通过传动装置与轮对相连。车在牵引状态运行时，牵引电动机将电能转换成机械能，通过轮对与钢轨产生牵引力，并对轮对驱动机车运行。当机车在电制动状态下运行时，牵引电动机转换成发电机将机械能转换成电能，通过轮对与钢轨产生制动力。牵引电动机的工作条件十分恶劣，主要表现在：1) 工作环境恶劣2) 负载变化频繁3) 空间限制4) 动力作用大脉流牵引电动机的结构与普通直流电机基本相同，主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成。定子的作用是产生磁场、提供磁路和作为牵引电动机的机械支撑，由机座、主磁

6、极、换向极、端盖和轴承等部件组成；转子的作用是产生感应电势和电磁转矩，从而实现能量转换，由转轴、电枢铁心、电枢绕组和换向器等部件组成。转子又成为电枢，通过电枢轴承与定于保持相对位置，使两者之间有一个间隙，称为空气院。此外，脉流牵引电动机还有一套电刷装置，电刷和换向器接触，以实现电枢电路与外电路的连接。脉流牵引电动机由于发热严重，换向困难，所以它的某些部件具有特殊的结构型式。图 2 所示为电力机车采用的脉流牵引电动机的纵、横剖面示意图。图 2 牵引电动机结构示意图（a）纵剖面图;（b）横剖面图.1-电枢；2-油杯；3-刷架圈定位装置；4-油管夹；5-前端盖盖板；6-排油管；7-前端盖；8-轴承；

7、9-前端轴承盖；10-前端外盖；11-封环；12-电枢支架；13-螺栓；14-弹簧垫圈；15-螺栓；16-弹性垫圈；17-螺栓；18-刷架装置；19-螺栓；20-弹簧垫圈；21-定子装配；22-后端盖网孔盖板；23-预成型后支架绝缘；24-后端盖；25-电枢支架；26-后端内轴承盖；27-封环；28-挡板；29-螺栓；30-止动垫圈；31-后端轴承盖；32-上抱轴瓦；33-下抱轴瓦；34-上观察孔盖；35-刷握装置；36-补偿绕组；37-轴；38-开口销；39-主极一体化装配；40-出线盒；41-接线板；42-绝缘板；43-螺栓；44-弹簧垫圈；45-油箱；46-键；47-换向极一体化装配；4

8、8-下观察孔盖；49-吊杆座；A-F 级填充泥或硅橡胶密封胶。脉流牵引电动机的换向器端装有电刷装置将电枢绕组与外电路连接起来。电刷装置由电刷、刷握、刷握架、刷杆和刷架圈等组成，电刷装置的结构和电刷的性能对牵引电动机换向性能影响很大，为了保证良好的换向效果，电刷装置应满足以下要求：(1)电刷应有良好的集流性能和换向能力。(2)刷握在换向器轴向、径向和切线方向位置都能调节。轴向调节是为了保证电刷处在换向器中央部位；径向调节是为了保证刷盒底面与换向器表面的距离；圆周方向调节是为了保证电刷准确地处在主极中心线上。(3)电刷和换向器工作表面应保持紧密和可靠的接触，电刷压力稳定并保持均匀不变。(4)电刷装

9、置应具有较高的机械强度，并能承受振动和冲击。(5)刷杆等绝缘零件应有较高的介电强度，不因受潮、受污而造成闪络或飞弧故障。1.21.2 环火的定义环火的定义牵引电动机(以下简称电动机)在某些恶劣条件下运行时，在换向器表面正、负电刷之间可能出现强烈的环行电弧而发生短路，同时伴有闪光与巨响，这种现象称为环火(俗称“放炮”)。直流电机运行过程中，电刷下往往有火花产生，火花产生的原因十分复杂，它除了与换向过程中的元件电流变化有直接关系外，还与机械方面，使用维护状态、电刷材质性能以及外界环境条件有很大关系。电刷下的火花是有害的，但同时也是无法避免的，少量微弱的火花危害不大，是允许的，根据直流电动机技术标准

10、中把火花分为五个等级，并规定电机正常运行时火花不应超过 2 级，火花等级如下表所示。当火花强烈时，即俗称“环火” 。环火对换向器、电刷危害很大，严重时甚至会烧毁电刷及换向器表面，使电机不能运行。表 1 火花等级火花等级电刷下火花程度换向器及电刷的状态1无火花2电刷边缘仅小部分有微弱的火花，或有微弱放电性小火花换向器上没有黑痕，电刷上没有灼伤3电刷边缘全部或大部分有较强烈的火花换向器上有黑痕出现，用汽油擦不去，同时电刷上有灼痕，如短时间出现这一级火花，换向器上不会出现灼痕，电刷也不会灼焦或损坏4电刷整个边缘有强烈的火花，同时有火花飞出换向器上的黑痕相当严重，用汽油擦不去，同时电刷上有灼痕，如果在

11、这一等级下运行，换向器上将出现灼痕，同时电刷也被灼焦或损坏1.31.3 环火的危害环火的危害强烈的电弧不仅会灼伤换向器表面和电刷，对电机具有很大的破坏性，而且可能造成以下危害：1)电弧由换向器表面飞向器前压圈、转轴、刷架圈、磁极铁心或机座，造成电动机接地；2)环火时电动机由电动机工况转为发电机工况运行，电流经电弧直接流入励磁绕组，使励磁电流迅速增大，反电动势猛增，从而在电枢绕组中产生巨大的反向短路电流，不仅可能将电枢绕组烧断，造成“扫膛” ，还会产生巨大的制动转矩，对机车产生制动作用，影响列车的正常运行。列车的巨大惯性还会造成动轮踏面和钢轨的严重擦伤。环火不仅严重影响列车安全正常运行，而且每年

12、给铁路运输造成巨大经济损失。多年来，尽管各修理厂或运用段对电动机环火非常重视，并采取了一些措施，但环火仍然是危害机车安全运行的主要故障之一。因此，对产生环火的原因进行分析，找出诊治环火顽疾的良方，具有重要意义。2005 年 1 月至 2006 年 1 月全年沈阳站车务段发生牵引电动机故障 58件，其中牵引电动机环火 30 件，约占 52%，在各型故障中发生频率最高，严重危及行车安全。1.41.4 当前的国内对牵引电机环火的研究现状当前的国内对牵引电机环火的研究现状几年来，尽管各修理工厂或运用段对牵引电动机环火高度重视，并采取了相应的措施，但是环火仍然是危害内燃机车安全运行的主要故障之一。沈阳铁

13、路局薛家配件厂电机大修厂调查的结果就表明了这一点。表 2 2001-2002 年沈阳铁路局薛家配件厂电机发生环火统计数据表电机型号环火电机（台）入厂电机(台)环火比例(%)ZQDR-41023590725.9ZQDR-410C29294230.9ZD109B3418018.9ZD1064821022.4环火是电力传动机车运行中牵引电机的一种特殊故障, 也是使各机务段运转、保养人员头痛的问题。经过二、三十年的研究, 国内外的研究学者们普遍认为牵引电机产生环火有两种原因：由于牵引电机换向条件急剧恶化，在碳刷的后刷边产生强烈的原始电孤而引起环火；由相邻换向片间导电桥形成的原始电弧引起环火。但是上述两

14、种原因中究竟哪一种是主要的原因在设计和运行中, 应当注意哪些问题, 才能尽量减少牵引电机的环火?这些问题的答案却并不十分明确。在牵引电机运行实践中, 的确有一些特殊的现象, 因而促使各国的有关研究人员从五十年代开始又对这些间题进行研究。这些特殊现象是有的牵引电动机在反馈试验台上试验时, 碳刷下并没有火花, 但却经常突然发生环火。在发生环火前没有任何预兆。运转部门可以根据故障牵引电机换向片尖端存在细小的铜瘤来判断此牵引电机发生过环火。但这类电机碳刷后刷边通常并没有明显的电弧烧伤痕迹。苏联曾做过一个试验, 他们用一台牵引电动机作为他励发电机空载运行, 并且把此电机上所有碳刷都抬起。碳刷根本不接触换

15、向器表面, 当然就不存在什么换向问题, 更不会产生碳刷下的原始电弧。在空载情况下加大励磁电流, 使电枢电势逐步增大。当电势加大到约为额定值的) 倍时, 这台空载发电机的换向器上竟然也发生环火。有的牵引电动机曾在试验台上人为地短接附加极绕组, 使碳刷后刷边产生持续而强烈的火花, 但这种电机并没有发生环火。基于以上这些特殊现象, 研究者们再次注意换向片间导电桥的燃烧问题，并认为这可能是引起牵引电机环火的主要原因二 牵引电机环火的原因分析2.12.1 环火产生原因具体分析环火产生原因具体分析电动机运行时，由于电磁、机械或化学方面的原因，在电刷下可能产生原始火花，当换向器片间电压过高时，可能产生电位火

16、花。随着换向器的高速旋转，这些火花会形成小的电弧。如果这些电弧被机械地拉长，使正、负电刷短路，环火就产生了。由此可知，环火的产生必须满足两个条件：第一，必须有火花产生；第二，火花被机械地拉长变成电弧，使正、负电刷短路，最终发展成环火。一、产生火花的原因电动机的换向问题十分复杂，产生原始火花的原因也是多种多样。通过不断初中和分析研究，到目前为止，将产生原始火花的原因归纳为 3 个方面，即电磁原因、机械原因和化学原因。它们分别产生电磁火花、机械火花和化学火花。电磁火花：对直流牵引电动机来说，换向元件中的合成电势等于换向电势减去电抗虬势和电枢反应电势之和的差值，当过分延迟换向时，该合面电势远小于零，

17、由此在换向元件中产生一个很大的、与电枢电流同方向的附加电流，使电流改变方向的时刻延迟。在换向结束的瞬间，该附加电流以电磁能的形式释放出来，从而在电刷下产生电磁火花。对脉流研究牵引电动机来说，在换向过程中，换向元件中除了存在直流牵引电动机同样的换向电势、电抗电势和电枢反应电势外，还存在由于交流分量引起的交流电抗电势、交流换向电势和变压器电势，它们在换向元件中形成直流合成电势和交流合成电势。过大的合成电势导致在电刷下产生电磁火花。机械火花：机械火花产生的原因主要为换向器及电动机旋转部分有缺陷，如个别换向片或云母片凸出；换向器偏心、转子动平衡不好；换向器表面污染，有毛刺、斑痕或拉伤沟纹；换向器工作表

18、面变形等。电刷装置有缺陷，如电刷接触面研磨得不光滑、接触不良或局部接触；电刷与刷盒之间的间隙不合适，造成电刷跳动、倾斜或卡死；电刷压力不恰当；刷握装置不稳固，造成刷握位置偏离；刷架圈的定位不准确或安装不牢固等。化学火花：电动机长期运行后，在换向器表面会形成一层很薄的薄膜，包括一层金属氧化膜和一层碳膜。正常的薄膜不仅能改善换向，还可以起到润滑作用。但不正常的薄膜，如黑片、条纹和沟槽、电刷轨道、铜毛刺等，将导致化学火花的产生。实际上也可以将化学火花归类于机械火花。电位火花：电动机运行时，电刷磨损而产生的碳粉或电刷碎片，换向器因磨损而产生的铜粉以及其他导电灰尘会积聚在换向片间的沟槽中，这些可导电物质

19、在换向片形成导电桥。当片间电压过高时，此导电桥中的导电物质燃烧形成电位火花。二、火花发展成环火的原因1)1)原始火花发展成环火原始火花发展成环火当换向器旋转时，火花变成小的电弧。当原始火花较大时，随着换向器的旋转，原始火花被机械地拉长，从而在电刷与换向器间形成电弧。该电弧能否拉长至使正、负电刷短路的程度，取决于电弧本身的能量及换向器上的电位分布。当流过电弧的电流足够大或电位特性曲线过陡时，就有可能达到产生环火的条件。由此可知，流过电弧的电流足够大或电位特性曲线过陡是原始火花发展成环火的主要原因。2)2)电位火花发展成环火电位火花发展成环火当片间电压足够大时，导电桥中的导电物质燃烧后，产生片间电

20、弧。片间电弧使周围空气电离，当换向器旋转时，该电弧随换向器一起转动，并且由于电弧形成的气体内压力及作用在电弧上的电动力使电弧拉长。当电弧向前扩展时，它遗留下来的离化气体是导电的，因而，电弧不断伸长，以至形成环火。所以，片间电压过大是电位火花发展成环火的主要原因。2.22.2 环火产生的具体案例分析环火产生的具体案例分析电机环火发生后，从换向器的具体特征来看，一般是产生有规则黑片或无规则黑片，比较严重的则出现沟痕、换向片凸片甚至电枢过热等现象。有规则黑片的产生是由于电机换向困难造成，归结为结构性能原因。其他现象的原因产生因素很多，诸如电刷与刷握的原因、电机空转、电机日常保养不当等。下表是某车务段

21、 1 年来发生的牵引电机“环火”故障及发生的原因：发生原因总计发生件数电机结构性能刷摆及碳刷原因电机空转日常保养不当3031449比例10%47%13%30%牵引电动机环火的产生大致可分为 4 种原因，现结合电机故障实例对各种原因进行分析：电机的结构性能影响产生有规则黑片从由结构性能产生的故障实例分析，最为常见的是按电枢槽节距分布的黑片，每隔三片发黑一片或每隔一片发黑三片。这种现象的产生机理为：当电枢反应的电抗电势大于或小于换向元件的换向电势时，形成延时或加速换向，因为电机每槽有数个线槽元件，在同一个槽内同时换向的数个元件中头一个结束换向的元件其短路电流的剩余磁场的能量大部分可以被仍在进行换向

22、过程的第二个元件吸收，依次类推，第 n 个换向元件在换向结束时，则没有此条件而必须以火花的形式释放出来，根据换向不良的严重程度，就会产生每隔三片或者一片出现黑片的有规则现象。这种情况运行时间过长，则黑痕会扩大至换向器整个表面。具体导致换向不良的原因有：换向极某一线圈出现匝间短路。东风型 1681、0334 两台机车电机发生环火后，测量换向极阻值分别为 0.0043 和 0.0041(正常值为0.00520.0062)，后通过更换出现匝间短路线圈，电机装车后使用正常。换向极第二气隙片垫错。6210 机车第三电机换向极线圈接地，更换线圈时，由于少垫一黄铜片，致使第二气隙值不正确，电机运行一段时间后

23、发生环火。其他如电刷位置不在中性线上、换向极装配对不同心度偏差太大等也能造成电机环火的发生，但由于此种问题极少发生，本文不再一一獒述。电刷与刷握引起的环火此种原因造成的环火最多，也最为常见。当由于电刷及刷握的原因导致电刷与换向器接触不良或不稳定时，就会在电刷接触面上产生大火花从而导致黑痕。具体分析如下：刷握压指弹簧出现永久变形或断簧，导致压力不够，在运行线路冲击或告诉的情况下，会产生很大振动，使电刷频繁跳离换向器表面而产生火花。尤其当电动机的刷握弹簧为拉簧时，弹簧折断后，很容易脱落掉在换向器表面，严重拉伤换向器。此种原因的环火发生比较频繁，应重点防治并科学改进。电刷与刷盒的间隙不合要求电刷在刷

24、盒中上下移动不灵活或太紧，使电刷与换向器接触不良。反之，电刷在刷盒内配合太松，使电刷倾斜，从而引起电刷接触不良和接触面积大大减少，使电机运行时产生大的火花而出现黑痕。电刷高度已超过极限值，使刷握压指压不到电刷或电刷压力下降很多。而且当电刷最后露出埋入刷体中的铜线，与换向器表面发生直接磨损就会迅速破坏氧化膜和磨损整流子而发生事故。刷握紧固螺栓螺母松动刷盒底面与换向器表面距离过大。使用不合适的电刷，使电刷无法适应电机运行工况而形成不了良好的氧化膜。在同一台电机上同时使用不同牌号的电刷，由于电刷性能差异比较大，使电流分布不均匀。而且同一刷盒使用不同高度的电刷，也会由于压指压力相差很大造成接触电阻不同

25、而影响电流的均匀分布，都可能造成电机环火的发生。电机空转的影响如果电机运行时转速超过允许的最高转速，由于离心力增加，可能会使换向器变形凸片，使换向恶化。同时由于转速过高，严重时会引起电枢无纬带崩裂而造成电枢绕组扫膛导致电机损坏。具体案例有：当机车运行于长大坡道，在坡道上途停或进站停车再启动时，启动后电流时常在 4000A 左右，并且在长时间低速大电流运行，很容易造成电机空转；当在雨、霜、雪等恶劣天气条件下行车，如果乘务员不能正确操纵，提前撒砂。造成轮对空转，电机环火放炮的纪律就会大大增加。由于各种原因，电机主动齿轮与电枢轴脱离，电机得电运行时，失去负载，转速飞速上升，造成电机环火的发生。例如某

26、车段机车由于第 2 齿轮箱漏油严重，乘务员未及时补充油脂，致使电机主动齿轮与轮对齿轮干磨，电机主动齿轮过热脱落，造成电机环火。日常保养不当牵引电动机进油也能造成电机环火。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。从某些发生电机进油故障的案例中来看，大多是由电机通风道进入的。由于电机风道通风口设在车上电气室的冷却室，当启动变速箱或静液压系统管路出现漏油、渗油现象，渗出的油未及时清除，被前后通风机吸入电机内造成环火。当电机在较大电流情况下长时间运行，而由于通风量不足，电机散热不良时，会使换向器局部过热而引起换向片局部凸片现象，使换向恶化。具体案例有：机车后通风机尼龙绳断裂，未及时

27、更换，造成后台车三台电机都发生不同成都的环火。三牵引电机环火的防护措施分析通过上述分析可知，产生环火的因素主要有原始火花或化学火花的产生、流过电弧的电流过大、电位特性曲线过陡或换向片片间电压过高 3 个方面。因此，要防止环火的产生，就必须从上述 3 个方面想办法。3.13.1 减少原始火花或化学火花减少原始火花或化学火花(1)提高电动机制造质量和装配质量。无论是电动机制造质量，还是装配质量，都要符合设计要求，严格控制质量关。从减水原始火花或化学火花方面来讲，尤其要提高转子、电刷装置和换向器的制造质量和装配质量。(2)要综合采用改善换向的措施。电磁火花的原始火花中最主要部分，也是最大的火花。减水

28、电磁火花的方法又称改善换向。在这方面的研究较多，技术也比较成熟。对直流牵引电动机，主要措施有合理安装换向极、减水电抗电势和电枢反应电势国、增加换向回路的电阻(如采用分裂式电刷、高接触电阻的电化石墨电刷)、移动电刷等。对脉流牵引电动机，除了上述措施外，还要采用尽量减水交流合成电势的数值，改善交流换向电势的相位，选择合适的变压器电势，采用感应分路等。(3)制定相应制度，加强乘务员对牵引电动机的日常维护和保养。要求乘务员日常对以下几个方面进行检查和处理。查看换向器工作表面的氧化膜色泽是否良好，如出现不正常的状态或颜色，应及时分析原因，并作相应处理。检查换向器表面是否有污染、毛刺、斑痕或拉伤沟纹。常用

29、干燥的压缩空气吹扫换向器表面；如有油污，可用浸有少量酒精或丙酮的无维抹布揩拭干净；如有烧痕，可用 0 号玻璃砂布清擦；如有毛刺、斑痕或拉伤沟纹，可进行刀光处理或打磨处理。检查换向器是否偏心，换向器工作表面是否变形，如变形则应及时报修处理。检查是否有个别换向片或云母片凸出，如有应及时打磨处理。检查电刷接触面是否光滑、是否有接触不良或局部接触现象，并作相应正理。检查电刷及刷盒之间的间隙是否合适，如不合适应作适当调整。测量电刷压力是否在规定值，如不符合应及时进行调整。检查刷握装置是否稳固，必要时要进行紧固处理。检查刷架圈的定位是否准确或安装是否牢固，必要时应进行调整或紧固处理。经常清扫换向片间的沟槽

30、，保持电机内部的良好通风。3.23.2 减少电枢电流减少电枢电流电枢电流的大小是根据电动机的实际需要确定的，不能进行人为的限制。这里只考虑由于磁场削弱而引起的电枢电流的突增问题。有级磁场削弱过渡瞬间，会引起电枢电流的突增，而且削弱越深，电枢电流越大。因此，一方面要尽量控制磁场削弱不要太深，另一方面尽量采用多级或无级磁场削弱。由于无级磁场削弱是平滑过渡，不会引起电流的突增，因此建议优先采用无级磁场削弱。3.33.3 改善电位特性或减小片间电压改善电位特性或减小片间电压(1)从设计标准上限制换向器圆周上的电位梯度和最大片间电压值。牵引电动机运行经验表明，为防止环火的产生，沿换向器圆周上单位长度(即电位梯度)的最大值应小于 8090V/cm，最大片间电压应不超过下列极限值。当云母片厚度为 0.8mm 时，最大片间电压35V；当云母片厚度为1.0mm 时，最大片间电压3540V；当云母片厚度为 1.2mm 时，最大片间电压4043V；当云母片厚度为 1.5mm 时，最大片间电压4345V。(2) 采用适当的主极极靴形状，如偏心气隙、部分扩张气隙。这样可以减小电枢反应对主磁通的畸变作用，从而改善换向器的电位分布。(3)选择适当的极弧系数。极弧系数 a 等于极弧长度与极距之比。极弧系数越小，