机车车辆毕业设计(论文)

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专科毕业设计（论文）

韶山3型4000系机车牵引电机火花与环火

问题简析

年级: 2011级

学号:

姓名:

专业:铁道机车车辆（机车方向）

指导老师:

二零一四年六月

院系机车车辆系专业铁道机车车辆

年级 2011级姓名

题目韶山3型4000系机车牵引电机火花与环火问题简析

指导教师

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答辩委员会主任 (签章)

年月日

毕业设计（论文）任务书

班级学生姓名学号

发题日期：2014年3月26日完成日期：2014年6月6日

题目韶山3型4000系机车牵引电机火花与环火问题简析

1、本论文的目的、意义（1）、掌握韶山3-4000系电力机车牵引电机的主电路的组成。（2）、定性的分析韶山3型4000系电力机车牵引电机的主电路的工作过程。（3）、简单分析牵引电机火花与环火问题，并给出相应的优化方案和解决方案。（4）、通过以上的过程锻炼自己的运用知识和学习知识的能力。（5）、如果可能，对社会做出自己的贡献。

2、学生应完成的任务（1）、确定论文方向及步骤。（2）、查找资料，独立思考分析。（3）、认真仔细完成论文。

3、论文各部分内容及时间分配：（共十一周）

第一部分论文定向 (第一、二周) 第二部分摘要与绪论 (第三、四周) 第三部分主电路的构成与设备(第五、六、七周) 第四部分常见问题与解决方案 (第八、九、十周) 第五部分结论、致谢与参考文献(第十一周) 评阅及答辩 (周)

备注

指导教师：年月日

审批人：年月日

摘要

韶山3型电力机车于1978年底由株洲电力机车厂和株洲电力机车研究所在韶山1和韶山2型电力机车的基础上研制成功。随着我国经济的腾飞，我国铁路电气化发展很快，为了适应牵引动力改革的技术发展，1992年，铁道部下达文件，由株洲电力机车厂按照“标准化”、“系列化”要求改进韶山3，改进型通常称韶山3型4000系。改进后有比韶山1、韶山2、韶山3更优越的可控制性能和牵引性能，那就要更好的电子电路设备和更好的牵引电机。

韶山3型4000系电力机车在主变压器后的牵引电路元件包括了TXP3型平波电抗器，线路接触器、直流电流互感器，ZQ800-1型四级串励脉流牵引电动机，两位置转换开关，制动电阻，磁削电阻和磁削接触器，故障隔离开关等。正是由于他们的正常运行才保证了韶山3型4000系电力机车的出色表现。

大功率的电机不可避免的产生火花与环火，ZQ800-1型脉流串励牵引电动机的火花问题在实际运用中比较常见，环火也有一定的发生概率。火花的发生一把都会造成电机电刷刷头的灼伤和电机换向器的灼伤；而环火则更为严重，会造成机车运行故障。

一般导致环火与火花的原因比较多，本文所分析讨论的都是比较常见的原因，列入电压电流过大，电枢反应、认为操作失误的因素。要解决这些问题，大多都是已有经验，安装各类监控设备和辅助设备。

点牵引电机火花与环火问题的研究不仅仅是有利于机车或者是铁路上，而是几乎所有的大功率直流电机都有一定的借鉴作用，虽然工作环境不一样。

关键词主电路构成；电路性能；环火；火花

目录

第1章绪论 (1)

第2章主电路的构成与设备 (2)

2. 1牵引主电路的定义 (2)

2．2电路主要设备类型 (2)

2．3电路的定性分析 (3)

第3章常见问题与解决方案 (4)

3．1 电机内的火花 (4)

3．1．1火花常见原因 (4)

3．1．2火花优化与解决方案 (5)

3．2 电机内的环火 (5)

3．2．1环火常见原因 (5)

3．2．2环火优化与解决方案 (6)

结论 (7)

致谢 (8)

参考文献 (9)

第1章绪论

韶山3型电力机车于1978年由株洲电力机车厂与株洲电力机车所在韶山1型和韶山2型电力机车的基础上研制成功，在1992年韶山3型电力机车的改进型诞生，称作韶山3型4000系电力机车（也常被称作韶山3B），后面原来的韶山3型也做相应的改进。韶山3型4000系共生产了一千多台（包括原韶山3的改进型）。在过去的二十多年里为我国的铁路交通运输业提供了强大的支持，到目前为止也任然有相当数量的韶山3型4000系电力机车在路上为人民服务。自从它的诞生开始起，就不断的有科研人员对其进行了可以说是全方位的研究并改进，成果丰硕，就不一一赘述。

对于电力机车来说，电动机就相当于它的心脏一样，源源不断的提供动力，相当重要。电动机的电路虽然不复杂，但是其能量的转换和各种问题的复杂性却是比较大的。韶山3型4000系电力机车的牵引电机是串励脉流四级电动机，功率和效率本来就比现在正流行的和谐好电力机车的三项交流牵引电动机小很多，其电枢的火花与环火问题也比较严重，相应导致的电机的稳定性和使用寿命问题突出，所以对韶山3型4000系电力机车的牵引电机主电路的研究就很有必要。

本论文主要包括了韶山3型4000系电力机车牵引电机主电路的定义与分析，对电路中的设备分析，找出电机的功率与效率低下的原因；找出电机内常见的电枢火花与环火的原因；找出电机的运用稳定性和寿命与那些因素有关，并给出一定程度上的解决方案。主要的操作方法为:参考相关的文献；实体观察；实体实验数据测量；实体实际运行数据测量；尽量用比较成熟的文献理论和客观的测量数据；尽量用数据得出的结论。

由于电力机车牵引电机平常工作的电流电压比较高且波动，导致电机所处的物理环境比较复杂，不能使数据很精准或结果很精准，所有本论文大部分使用一些少干扰比较少的物理量来进行计算分析。由于本人才疏学浅，人无完人，希望读者指出错误，批评。

第2章主电路的构成与设备

2. 1 牵引主电路的定义

由于本论文研究的是韶山3型4000系电力机车牵引电机，所以研究的范围将包括与牵引电机密切相关元件在内的电路，由此定义韶山3型4000系电力机车牵引电机主电路：变压器次边绕组出来从平波电抗器开始，到线路接触器，到直流电流互感器，到牵引电机电枢绕组、换向级绕组、补偿级绕组，到位置转换开关，到牵引电机主磁极绕组，到故障转换开关完。由于电机的运行状态包括牵引与制动两种，韶山3型4000系电力机车的制动方式有电阻制动，在电路上，制动时制动电阻是并联在电枢两端，磁削电阻在电机调速时也是主要元件，而且磁削电阻也在制动电阻柜内，所以制动电阻柜也包括在内。

2．2 电路主要设备类型

定义的韶山3型4000系电力机车牵引电机主电路虽然元件不多，但为了简化不必要的难度和复杂，我们只需研究其中对牵引电机的影响相对较大的几个设备。在本论文中主要研究的有平波电抗器；牵引电机的电刷、换向器、电枢绕组、换向极绕组、补偿绕组、主磁极绕组；制动电阻柜，一下将对这些元器件一一进行必要的阐述和分析。

在韶山3型4000系电力机车中使用的平波电抗器为TXP3型平波电抗器，每台车有2台平波电抗器。3台牵引电动机并联后与1台平波电抗器串联，它的平波作用使电路中的电流脉动系数小于30%。

ZQ800-1型四级串励脉流牵引电动机也像其它任何电动机的构成一样有定子和转子两大部分。

定子包括了机座、电刷装置、主磁极、换向极、补偿绕组、端盖和油封结构。转子包括了电枢绕组、换向器、转轴、电枢铁心、均压线。

TZZ4型制动电阻柜由底架、通风机、过渡风道、电阻柜、弹性连接件及风速继电器等部分组成。在20℃时电阻段额定电阻值为3.22Ω±5%，在400℃时电阻段额定电阻值为3.62Ω。

韶山3型4000系电力机车共有2台TZX2A型磁场削弱电阻器，每台电阻器包括3组固定分路电阻和磁场削弱电阻，分别对应于3台牵引电动机的励磁绕组。固定磁场削弱系数为95%，一级磁场削弱系数为70%，二级磁场削弱系数为54%，三级磁场削弱系数为45%。

2．3 电路的定性分析

此处将根据电路的结构和相关元器件的性能做出定性的分析，将分别从牵引工况和制动工况来分析电路。

牵引工况：经过主变压器降压升流和三段不等分半控桥的整流后，输出的电流电压依然不是标准的直流电，而是电流电压波动的直流电，这电流电压将会被输送到整个主电路使用。到达的第一个主要设备就是TXP3型平波电抗器，平波电抗器简单的说就是两个大线圈，原理也就是电感的阻高频通低频。由于其电阻值为0.2062Ω，而通过的电流有效值大约为500A，所以产生的电压降大约为100V左右，电能损耗（电阻热能）大约为51.55kW，这是在电能在被用在牵引作用前的主要消耗，所以平波电抗器的好坏将直接影响到整个电路的工作。接下来电流将通过线路接触器和直流电流互感器到达牵引电机，其中直流电流互感器的作用很重要，它要监测通过牵引电机的电流大小并报告给电子柜处理。电流到达牵引电机，牵引电机的各绕组部分的关系为串联，所以电流将由电刷进入后依次通过电枢绕组、电刷、换向极绕组、补偿绕组。再出电机后通过位置转换开关再接一个并联电路一路并联上磁削电阻装置，另一路并联上电机内部的励磁绕组。最后出电机接到硅整流电路的负端（相对的）。

从牵引工况的电流流经设备来看，最重要的是平波电抗器，它负责减小电流的波动幅度，从而使牵引电机的运行更平稳，也减小发生火花的概率。电流传感器和电压传感器工作的好坏将直接影响到牵引电机的运行。由于电流比较大，且有波动，产生的电磁影响会比较严重，特别是在电机内部，线圈多，必定会相互影响。在牵引时，磁削也是个潜在问题，磁削太多会导致磁场畸变，导致换向困难，火花的产生将在所难免。

制动工况：这里主要研讨的是电阻制动工况，因为电阻制动一般用在较高的速度情况下，且常伴随着机械制动。在制动工况时，线路接触器断开，电枢绕组与励磁绕组断开连接，电枢绕组两端并联上制动电阻（所有制动电阻在制动电阻柜内）。在低速情况下制动力不足，还需要给电枢加上额外的电流，这时就是加馈电阻制动，电源来自三段不等分半控桥的一部分。主磁极没有电源，磁场是剩余磁场。原理相对简单，就是依靠电枢绕组切割剩余磁场，产生电动势，由于有回路，产生电流，电流又在磁场中受到力的作用，使列车减速。

在电阻制动工况下，电路结构简单了，但是电枢绕组和主磁极不再是串联的关系，他们之间的磁场将相互影响，且情况比较复杂。在这种工况下，还有一个问题就是，主磁极的剩磁不确定，且每台的剩磁都不可能完全相等，如果太大会是电枢电流太大，引起火花问题，严重时六台牵引电机同时环火。

第3章常见问题与解决方案

3．1 电机内的火花

身为脉流牵引电动机，必须要有的部件就是电刷和电枢了，所以不可避免的就是电机产生火花。在电机中，火花的危害比较常见，也比较严重，由于火花的高温，会使电机内部的器件损毁。导致电机不能完好工作，严重导致行车事故。在此我将简单讨论一下产生火花的原因和适当的解决方案。

3．1．1 火花常见原因

产生火花的原因：我们一般说的火花是指电刷与换向片之间的火花，换向片之间的火花。在此我们必须明确火花产生的最主要条件，即电压过高、绝艳介质电阻降低，导致绝缘介质（在此指空气）被击穿，产生电弧。在此我们有必要分三种情况讨论，一是牵引时，二是制动时，三是非特殊情况（产生火花的原因与是否在牵引或者制动无关）。

牵引情况：在牵引情况下可能导致火花的原因比较多，据了解最可能且最常见的原因是：（1）、电刷与换向器表面的电压过大——主要原因可能是电网电压波动，接触网上的电压其实是很不稳定的，波动幅度很大，如果突然的大幅度波动肯定会影响到机车内部；（2）、电机电流过大——主要原因可能是平波电抗器工作出现了问题，平波电抗器长时间在大电压大电流下工作老化和疲劳问题肯定严重；（3）、电枢反应；（4）电机转速过快——主要原因可能是在恶劣的天气情况下列车某些轮对发生空转。

制动情况：在电阻制动情况下，此时的电枢绕组相当于一个有一定内阻的电源，源源不断的通过电刷向制动电阻传送电流，电机的电压与电流来源于电枢绕组切割剩磁产生的电动势和硅整流组的加馈电源。按道理来说电压和电流不应该很大，也不应该产生火花，但是实事是火花存在。经电路分析，得出一些可能的原因。（1）、剩磁过强；（2）、制动时的电机转速过高。

非特殊情况:此种情况主要原因是电路自身的不完善和设备的缺点与受损导致电机产生火花。对于电路的设计来说，是相当的完美了，而且由于限制的空间，这样的设计基本上没有改进的余地了。在运行中，列车的环境非常的恶劣，风霜雨雪和抖动都会给设备带来一定的损坏；设备器件的精度也会让电机产生火花。常见的原因有：（1）、电刷压指弹簧压力相差过大；（2）、电刷表面高度磨光——主要原因可能是电刷的次品被使用了；（3）、杂质渗入电刷和换向器——主要原因可能是在环境不好的地方运行，空气中杂质比较多；（4）、换向器的凸片与形变；（5）、平波电抗器工作效果差。

3．1．2 火花优化与解决方案

自从韶山3-4000系电力机车上路以来，非常多的人对它进行过研究和改进，在此，我将提出我的思考方法和解决方法，主要从原理上来解决，但也包括一定的经济性和可实施性。由于上面的原因分为了三类，这里的优化与解决方案也将分为三类讨论。

牵引情况：对于电压的过高，机车上主电路中已经装上了直流电压传感器（1、2ZYH），它将监测到的电机电枢端电压送到电子柜分析处理，也送到司机台。对于电流过高的问题，机车主电路中也采取了安装直流电流传感器（1-6ZLH）的方法，将监测到的电流一路送到电子柜分析处理，一路送到司机台。对于电枢反应，采用的方法是安装串联的换向级绕组。对于电机转速过快，机车上有专门的测速仪。

制动情况：对于剩磁过强，将主极绕组串联后加上外部可控电源，而电枢绕组也加上外部可控电源。对于转速过快的问题，我们可以采取空气制动与电阻制动同时工作的方法。

非特殊情况：由于这些情况基本不能避免，所以我们只能使用更好的设备，设备的各种精度要提高或者缩短这类设备的检修时间间隔。

3．2 电机内的环火

直流牵引电动机运行时，会产生一些火花，火花不及时的消除就会使正、负电刷出现强烈的环行电弧而发生短路，这种现象称为环火。环火对牵引电动机具有很大的破坏性，而且会造成以下的危害：1、电弧由换向器表面飞向电机的其他金属部件（如刷架圈、机体等），造成电机接地。2、环火产生的巨大热量会烧损刷盒、碳刷、联线等导电零件，造成电机不能正常工作。3、环火产生的巨大热量会使产生换向器发黑、凸片等故障。严重的会造成电机大破。4、环火的瞬间会产生“轴电流”，此时有电流从轴承滚珠和内套间通过，会在内套或滚珠上产生灼痕，造成电机轴承寿命减少。

3．2．1 环火常见原因

正如上面所说的，环火是火花的延续是持续的火花反应，但是强度和毁坏性要比火花强很多。在一般情况下火花是不容易演变成环火的。在这里我将产生环火的原因分三类，第一类是电、磁原因；第二类是设备原因；第三类是人为操作原因。

电、磁原因：（1）、牵引电机工作电压过高——会使电机换向恶化，导致环火的发生。（2）、电枢反应强烈——导致电机内部磁场分布畸形，换向困难，严重时导致环火。

设备原因：（1）、电刷刷头间的压力不均等——容易直接导致火花，也会使换向器损毁，变形，导致环火。（2）、换向片上有铜毛刺——铜毛刺向外延伸，容易是相

邻的换向片间短路，在连续的铜毛刺情况下，电机运行就会产生环火。

人为操作原因：（1）、机车运行速度过高——使电机的转速过高，产生较大的离心力，此时换向器容易发生形变、凸片等现象从而使换向恶化，电刷磨耗急剧增高，甚至发生环火。（2）机车在未停稳之前反向——电机的转向还来不及改变，但是电压反向，磁场反向，使电枢电流急剧增大，产生环火。

3．2．2 环火优化与解决方案

由于环火与火花的关系紧密，其解决方案也比较类似，有时可以说控制住了火花，也就杜绝了环火，但事实证明，火花在大功率脉流电机内不可能杜绝。但是，如果做得好，环火的发生概率可以控制的很小。以下也将根据每个环火发生的原因一一提出有效可行的优化解决方案。

电、磁原因优化、解决方案：（1）、牵引电机工作电压过高——在电机电枢两端并联上电压互感传感器监测电机工作电压。（2）、电枢反应强烈——在电机内部安装换向极绕组和补偿绕组，并与电枢绕组串联。

设备原因优化、解决方案：（1）、电刷刷头间的压力不均等——在组装和检修电刷时一定要认真细心。（2）、换向片上有铜毛刺——这一般也是由于电刷和换向片的相互作用造成的，应该在制造、组装、检修设备的时候做到认真仔细。

认为操作原因优化、解决方案：（1）机车运行速度过高——机车乘务人员必须严格按照路线要求运行速度运行、机车上安装列车速度监测控制设备。（2）、机车在未停稳之前反向——机车乘务人员必须严格按照机车运行操作规范操作，机车上安装必要的控制电路，禁止这种操作发生。

结论

韶山3型4000系电力机车依然会在我国线路上工作多年，它的很多成熟的设计经验与设备也被大量的使用在其它后来的车型上，对该型机车的维护与研究很有必要。本文主要研究的是牵引主电路中电机火花与环火的问题，只要是大功率的，直流（脉流）电机都会存在这种问题，而且不仅仅是运用在电力机车上，不仅仅是在铁路线路上，大功率的直流（脉流）电机在很多行业也有运用。

经过两个多月的现场观察与书籍、网络资料的查询，终于对电机火花与环火的问题有了一定的了解，通过自己的努力，也分析了产生火花与环火的原因和可能的解决方案。

首先必须要了解火花与环火的本质是什么，才能找出产生火花与环火的理论原因，最终找到产生火花与环火的实际原因，提出优化、解决方案。

环火其实是一种特殊的火花形式，是电枢正负极之间连续的火花，使之短路。而火花是一种对空气放电的物理现象，其本质是某一时刻内一带电物体储存电能急剧上升，以至不能继续存储，然后将电能释放到空气中。而电机内的火花原因是两带点导体电势差过大，把空气击穿，短路现象。以此为基础，我们会发现火花与环火的物理原因是电能的突然增加，在电机内部表现为两带电体的电势差或电流过大。试图找到使电能突然变大的原因是关键，而电能可以与电压有关也可以与电流有关，所以我们将分为两大类物理原因。通过电压原因，我们可以发现，有可能是外部“电源”供电是电压过大，也可能是电磁原因导致感应电动势与工作电动势方向相同。通过电流原因，我们同样可以发现，有可能是外部“电源”供电时电流过大，也可能是电磁原因的感应电动势产生的感应电流同向，当然也可能是有些地方的电阻过小，本不应该小的。除了以上原因外还有两大原因不可避免，第一类是人为原因，因为人不是机器人，就一定会出错，当然也会导致火花与环火问题。第二类是制造精度和系统先进程度的问题，如果有些部件的制造精度很高和系统足够先进的话，很多问题都可以避免，但是也面临这经济问题。

以上的大部分问题都不可能彻底杜绝，理论上也不行，但是对系统的优化和风险的控制还是能做到的。比如安装电子监控装置、电子控制柜；安装换向极、补偿绕组；使用性能好的设备；对工作人员进行合适的教育和管理。

人们在处理直流电机的火花与环火问题上已经做到了最好，到现在，几乎不能在进行改进了，但是在分析与讨论的过程中，能学到的是思考的方法与研究的方法。

致谢

完成这篇论文对我来说难度已经不小了，特别是拿到题目后的茫然，然后三次改题目，差点就失去了写这篇论文的动力，但还好，得到了一些人的鼓励和帮组，让我准时完成这篇论文。

我想我首先要感谢的是我的家人，他们给了我最大的鼓励，在我茫然失措的时候，他们任然坚定的相信我能行。这篇论文正式开写与重庆实习期间，那是我最终确定了现在的题目，但是发现有本需要的书没有带，我的好朋友ws最后把他的书借给了我，让我在那本书上找到了不少需要的东西。我还应该感谢在xx机务段的师傅们，为了写这篇论文，我有空就跑去看牵引电机组的师傅们工作，他们人总是很好，乐于告诉我他们知道的，也指出了我的一些错误知识点。还需要感谢人是xx机务段技术科的人们，虽然没有得到需要的资料，但是他们乐于助人，也指出了我写论文的错误观念。最后感谢我所在的电焊组师傅们，他们让我在xx机务段过了个不错的实习生活。谢谢你们！

参考文献

[1]、刘友梅.韶山3型4000系电力机车[M].北京:中国铁道出版社，1996.

[2]、牛永奎、张晶主.电机与拖动[M]. 北京:中国铁道出版社，2007.

[3]、华平.电力机车控制[M]. 北京:中国铁道出版社，2008.

[4]、祁冠峰.电力机车电器[M]. 北京:中国铁道出版社，2008.

[5]、李梅.电工基础[M].机械工业出版社，2008.

[6]、王兆安、刘进军.电力电子技术[M]. 机械工业出版社，2013.

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