高速動(dòng)車組牽引電機(jī)軸承電蝕及對策

相阿峰，郭秀違

(永濟(jì)新時(shí)速電機(jī)電器有限責(zé)任公司，山西永濟(jì)044502)

高速動(dòng)車組牽引電機(jī)軸承電蝕及對策

相阿峰，郭秀違

(永濟(jì)新時(shí)速電機(jī)電器有限責(zé)任公司，山西永濟(jì)044502)

結(jié)合CRH3、CRH380BL型高速動(dòng)車組在線運(yùn)行軸承故障現(xiàn)象，對軸承電蝕發(fā)生機(jī)理、影響因素進(jìn)行了較全面的闡述，從改進(jìn)保護(hù)性接地、提高軸承絕緣阻抗角度提出了解決軸承電蝕問題的方案。

高速動(dòng)車組;CRH3;CRH380BL;牽引電機(jī);軸承電流;電蝕;接地保護(hù)

CRH3、CRH380BL型高速動(dòng)車組作為速度300～350 km/h的主力車型，已廣泛分布在京津、武廣、京滬、滬寧等客運(yùn)專線上，所配屬的牽引電機(jī)已超過5 000臺(tái)。截止到2014年2月的運(yùn)用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，牽引電機(jī)在運(yùn)用過程中發(fā)生軸承故障多達(dá)20余起，軸承沒有達(dá)到預(yù)期的壽命提前失效。主要表現(xiàn)為軸承溫度過熱、甩油、軸承卡滯。對于牽引電機(jī)軸承故障，鐵總多次組織專家進(jìn)行了研討，共同認(rèn)定軸承功能失效是由軸承電蝕引起的。但對問題產(chǎn)生的根源，意見分歧很大，責(zé)任界限也往往難以界定。為尋求防止故障發(fā)生的根本途徑，在相關(guān)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，就軸承電蝕發(fā)生機(jī)理、影響因素進(jìn)行簡單的分析，找到了預(yù)防軸承電蝕的解決方案。

1 牽引電機(jī)軸承故障的現(xiàn)象及特征

CRH3、CRH380BL型高速動(dòng)車組牽引電機(jī)在線運(yùn)行軸承故障具體表征為電機(jī)軸承溫度在較短時(shí)間內(nèi)快速上升，達(dá)到過熱限制、報(bào)警。故障種類主要為軸承過熱、軸承甩油、軸承卡滯。通過對二十多起軸承故障的牽引電機(jī)運(yùn)行里程、配屬車位等信息匯總，發(fā)現(xiàn)在動(dòng)車組兩端車輛轉(zhuǎn)向架上的牽引電機(jī)故障機(jī)率高，占故障的70.83%。

經(jīng)過對多臺(tái)故障電機(jī)解體發(fā)現(xiàn)，電機(jī)故障具有相同的特點(diǎn):軸承潤滑脂存在變黑、碳化現(xiàn)象;電機(jī)繞組端部存在潤滑脂污跡;軸承絕緣涂層擊穿、部分有明顯灼燒痕跡;軸承滾動(dòng)體表面和滾道上遍布微小的凹坑，呈現(xiàn)出嚴(yán)重的電腐蝕。故障現(xiàn)象見圖1。

綜合上述信息，高速動(dòng)車組牽引電機(jī)軸承故障都直接或者間接的與過電流、潤滑有關(guān)，是絕緣軸承發(fā)生電蝕而引起的功能失效。

2 牽引電機(jī)軸承故障機(jī)理分析

軸承電蝕是旋轉(zhuǎn)中的軸承內(nèi)部電流通過引起的。當(dāng)電流流過軸承時(shí)，電流會(huì)擊穿滾動(dòng)接觸部分極薄的油膜，產(chǎn)生火花，使接觸表面產(chǎn)生局部熔化損壞，形成電弧放電麻點(diǎn)，造成軸承溝道和鋼球電蝕，使摩擦系數(shù)增大，加劇機(jī)械磨損，致使軸承異常發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)展成剝落，最終使軸承功能過早失效。電蝕對軸承的破壞程度取決于放電能量和持續(xù)時(shí)間，但破壞效果基本相似，包括:滾動(dòng)體和滾道上的電蝕凹坑、搓板紋等。電流通過還會(huì)導(dǎo)致軸承內(nèi)的潤滑脂結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，局部高溫會(huì)導(dǎo)致添加劑和基油發(fā)生反應(yīng)，使基油燃燒或炭化，潤滑脂迅速衰變變黑、變硬。同時(shí)高溫使?jié)櫥兿?，在旋轉(zhuǎn)部件作用下從迷宮間隙甩出，潤滑脂的迅速失效也是過電流導(dǎo)致軸承失效的一個(gè)典型模式。

牽引電機(jī)軸承中有電流流過是因?yàn)樵诮^緣軸承的外圈與內(nèi)圈之間存在超過一定數(shù)值的高電壓，該高電壓將軸承絕緣涂層耐壓薄弱處擊穿，軸承電氣絕緣失效，形成了電流通路。

2.1 電機(jī)軸電壓

CRH3、CRH380BL型高速動(dòng)車組采用交—直—交傳動(dòng)的電力牽引，牽引電機(jī)由電壓型變頻器供電運(yùn)行，經(jīng)齒輪箱傳動(dòng)將電能轉(zhuǎn)換為牽引列車的機(jī)械能，通過輪對和鋼軌產(chǎn)生牽引力，并通過輪對驅(qū)動(dòng)動(dòng)車組運(yùn)行。

在軌道牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)中，牽引電機(jī)由電壓型變頻器供電運(yùn)行時(shí)不可避免會(huì)出現(xiàn)軸電壓。電機(jī)軸電壓主要由兩部分組成:一是由于磁路不對稱，磁通脈動(dòng)產(chǎn)生的電磁感應(yīng)電壓;二是脈寬調(diào)制(PWM)逆變器供電下，電源電壓不平衡并含有比較高次的諧波分量，使電源中點(diǎn)電壓產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，存在零序分量，從而通過電機(jī)各部分間存在著大小不等的分布電容所構(gòu)成的零序回路產(chǎn)生高頻共模電壓。其值不僅取決于定子繞組和轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子和機(jī)座之間的電容以及軸承本身的電容值，還與脈沖頻率、脈沖上升時(shí)間以及電動(dòng)機(jī)的定額有關(guān)。

圖1 軸承損傷特征

在設(shè)計(jì)和運(yùn)行條件正常的牽引電機(jī)中會(huì)存在一定數(shù)值的軸電壓，為了確定車載逆變器供電條件下電機(jī)軸電壓數(shù)值，筆者專門進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)測試。試驗(yàn)結(jié)果:軸電壓最大值為84 V，變化周期與IGBT的開關(guān)頻率一致，以共模電壓為主。見圖2。

圖2 電壓波形

2.2 外部電壓

從故障統(tǒng)計(jì)情況來看，端車車輛(CRH3的EC01/ EC08、CRH380BL的EC01/EC16)轉(zhuǎn)向架上牽引電機(jī)軸承故障率占了全部電機(jī)軸承故障的70.83%。同時(shí)，在部分故障電機(jī)的配件迷宮槽上也出現(xiàn)了嚴(yán)重電蝕麻點(diǎn)和燒熔，故障現(xiàn)象見圖3，這顯然不是上述數(shù)值較低的軸電壓所為。為探尋高電壓的來源，不應(yīng)僅局限于牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)，還需要結(jié)合線路工況，從高速動(dòng)車組車輛接地系統(tǒng)關(guān)聯(lián)層面進(jìn)行綜合的分析。

CRH3、CRH380BL型高速動(dòng)車組保護(hù)接地方式采用集中接地的方式，全列車輛間通過電勢線纜連接，僅在中間車相鄰轉(zhuǎn)向架上設(shè)軸端保護(hù)接地裝置，相當(dāng)于單點(diǎn)接地。其優(yōu)點(diǎn)是全列車通過低阻抗導(dǎo)體相連，且通過中間車的軸端保護(hù)接地裝置與鋼軌(大地)相通，沒有環(huán)路電流，電磁兼容性較好且軸端保護(hù)裝置設(shè)置較少，成本低，但此接地方案對鋼軌的接地效果要求極高。圖4、圖5為CRH3、CRH380BL型動(dòng)車組接地方式示意圖。由于動(dòng)車組的車體是強(qiáng)、弱電系統(tǒng)的公共參考地，而該參考地又通過接地碳刷、輪對、鋼軌與大地相接，當(dāng)動(dòng)車組高速運(yùn)行時(shí)，該公共參考地處于快速移動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)列車或線路接地狀況不理想，比如在列車運(yùn)行接地點(diǎn)處于軌道連接不良的區(qū)域時(shí)，由于軌道回流不暢，運(yùn)行接地電流容易串入車體內(nèi)。牽引回流的不同影響車體電勢的分布，由于端車車輛(CRH3的EC01/EC08、CRH380BL的EC01/EC16)是全列距離保護(hù)性接地點(diǎn)最遠(yuǎn)的位置，受車輛自身或軌道阻抗對車體電勢差的影響，端車車體對轉(zhuǎn)向架軸端的電勢差為全列最高。

圖3 配件迷宮槽損傷特征

圖4 CRH3型動(dòng)車組接地示意圖

圖5 CRH380BL型動(dòng)車組接地示意圖

圖6、圖7是CRH380BL型動(dòng)車組在京滬線路運(yùn)行保護(hù)接地試驗(yàn)結(jié)果，在2個(gè)往返的試驗(yàn)中，EC01車體對轉(zhuǎn)向架軸端大于100 V的測試值分別為206次和324次，捕捉到的最大電勢差為500 V。從列車網(wǎng)側(cè)電流與車體電流測試結(jié)果來看，運(yùn)行接地電流很大，高達(dá)幾百安培。

圖6 EC01車1位轉(zhuǎn)向架1位軸軸端與車體間電勢差波形

圖7 列車網(wǎng)側(cè)電流與車體電流

牽引電機(jī)在運(yùn)行過程中，此外部電壓會(huì)和電機(jī)軸電壓一起施加在絕緣軸承的內(nèi)、外圈上，特別是端車轉(zhuǎn)向架上的牽引電機(jī)，軸承內(nèi)、外圈承受的電壓相對更高。電機(jī)運(yùn)用過程中，軸承絕緣涂層在高頻強(qiáng)電場作用下，電導(dǎo)和極化累積加劇，絕緣涂層薄弱處易被擊穿，形成電流回流通道，引發(fā)軸承電燭。極端條件下成為運(yùn)行接地電流環(huán)流泄漏通路，短時(shí)間內(nèi)就會(huì)使軸承外圈與軸承室間熔融，且大電流作用使軸承的滾珠熔融破損，軸承保持架斷裂。

3 防止軸承電蝕對策

牽引電機(jī)絕緣軸承不產(chǎn)生電蝕所容許的電壓或允許通過電流的大小與供電條件、軸承狀況、安裝質(zhì)量、電機(jī)運(yùn)行工況、現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境和軸電流流經(jīng)路線的阻抗等諸多因素有關(guān)。迄今，國內(nèi)或國際IEC標(biāo)準(zhǔn)還沒有對軸電壓或軸電流限值的明確規(guī)定。一般來說，完全消除掉軸承內(nèi)、外圈的電勢差是非常困難的。然而，如果能夠阻止或大大降低通過軸承的電流，就可以防止軸承發(fā)生電腐蝕。為了最大限度地保持原有設(shè)計(jì)理念，可以從提高軸承的絕緣可靠性能，優(yōu)化列車保護(hù)性接地方式、以降低端車過電壓等方面采取對策。

3.1 提高絕緣軸承耐壓性能

對于交流變頻牽引電機(jī)來說，采用絕緣軸承原本是為防止逆變器供電所帶來的軸承電蝕作用，在外圈表面噴涂氧化陶瓷涂層來阻斷不高于1 000 V電壓，對高速鐵路軌道情況復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境下接地不良帶來的沖擊電壓影響因素考慮不足。軸承選擇絕緣的決定因素是電流電壓的時(shí)間特性。如果是直流電壓或低頻交流電壓，絕緣效果取決于軸承絕緣層的純電阻值;如果是高頻交流電壓(常見于使用變頻器的設(shè)備中)，取決于軸承絕緣層的容抗值。目前絕緣軸承還屬于特殊應(yīng)用軸承范疇，由于各家采用的絕緣方式不同，其絕緣參數(shù)指標(biāo)差異很大，也沒有形成標(biāo)準(zhǔn)。對于樹脂或陶瓷涂層絕緣軸承，可用式(1)對絕緣性能進(jìn)行評(píng)估和計(jì)算:

提高軸承運(yùn)行可靠性，從軸承自身來說，增加絕緣涂層的耐壓強(qiáng)度，即提高軸承絕緣阻抗值，不失為一種經(jīng)濟(jì)可靠的辦法。

(1)增加絕緣涂層厚度

增加絕緣涂層的厚度或減小涂層面積、使涂層的電容量盡可能小，可顯著提高絕緣軸承阻抗值。在尺寸接口不變的前提下，可以將牽引電機(jī)用絕緣軸承的氧化鋁陶瓷絕緣涂層厚度由目前的0.1～0.2 mm增加到0.3～0.5 mm，其絕緣阻抗增加幅度見圖8所示。

圖8 阻抗|Z|和涂層厚度、頻率的關(guān)系對比

將軸承外圈帶陶瓷氧化物涂層結(jié)構(gòu)改為內(nèi)圈帶絕緣涂層，即使不增加涂層厚度，同樣可以提高絕緣軸承阻抗值，對阻止高頻軸電流也具有較好的效果。

(2)采用混合陶瓷軸承

混合陶瓷軸承由軸承鋼質(zhì)的軸承圈和軸承級(jí)氮化硅材料的滾動(dòng)體組成，其電容值約40 pF，比陶瓷涂層軸承低了近100倍。具有非常高的阻抗，并且有效克服了陶瓷涂層絕緣電阻與溫度、濕度的依存性缺陷(注:絕緣阻抗隨溫度升高、環(huán)境濕度增大而下降)，良好的電絕緣性能對防止高頻電流電蝕損害特別有效。但因其價(jià)格高，成為制約其在軌道行業(yè)應(yīng)用的因素之一。

3.2 增加軸端碳刷接地裝置

在電機(jī)非傳動(dòng)軸端與端蓋之間安裝碳刷，結(jié)構(gòu)見圖9。通過碳刷把端蓋與轉(zhuǎn)軸連接起來，產(chǎn)生短路。消除軸上感應(yīng)電勢，使軸承內(nèi)、外圈沒有電位差。但是接地電刷由于磨損會(huì)在電刷表面形成氧化層從而增大了電刷和轉(zhuǎn)軸之間的接觸電阻，阻礙軸電壓的釋放，因此需要定期進(jìn)行維護(hù)或替換。CRH3、CRH380BL型受電機(jī)在轉(zhuǎn)向架安裝空間限制，碳刷的更換和維護(hù)相對較困難。

圖9 接地碳刷安裝示意圖

3.3 優(yōu)化改進(jìn)保護(hù)接地方式

在列車或線路接地狀況不理想情況下，CRH3、CRH380BL型動(dòng)車組現(xiàn)有集中保護(hù)接地容易產(chǎn)生車體對轉(zhuǎn)向架軸端的高電壓，惡化牽引電機(jī)軸承的運(yùn)行環(huán)境。為了避免惡劣運(yùn)行環(huán)境下超強(qiáng)電壓對絕緣軸承的沖擊，借鑒CRH1型、CRH2型、CRH5型動(dòng)車組的保護(hù)接地方式，秉承最大限度保持原型設(shè)計(jì)理念，同時(shí)減小車輛自身或軌道阻抗對車體電勢差的影響，對現(xiàn)有保護(hù)接地方式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。在CRH3、CRH380BL型動(dòng)車組頭車增加保護(hù)性接地點(diǎn)，即使軌道上存在接地不良點(diǎn)，頭車因?yàn)橛斜Ｗo(hù)性接地點(diǎn)的存在而不會(huì)導(dǎo)致高電勢的產(chǎn)生。改進(jìn)后的接地方案在京滬線路上進(jìn)行了實(shí)際測試，EC01車體對轉(zhuǎn)向架軸端測到的最大電勢差為125 V，優(yōu)化后的接地方式在減小端車車體電勢差方面起到了很好的作用，同時(shí)分流作用明顯，可有效避免由于接地不良而導(dǎo)致的破壞性高電勢差的存在。

4 結(jié)論

(1)CRH3、CRH380BL型動(dòng)車組牽引電機(jī)在軸電壓和(或)外部電壓的作用下，致使絕緣軸承在薄弱處擊穿后，形成流過軸承的電流，在滾動(dòng)接觸表面形成電弧放電，產(chǎn)生電弧放電麻點(diǎn)，造成軸承溝道和鋼球電蝕，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)展成剝落，最終導(dǎo)致軸承功能過早失效。

(2)CRH3、CRH380BL型動(dòng)車組采用車體中部集中設(shè)置保護(hù)接地的方式，在軌道情況復(fù)雜的正線鐵路上運(yùn)行時(shí)，如果列車或線路接地狀況不理想，端部車輛容易形成車體對轉(zhuǎn)向架軸端的高電壓沖擊，對牽引電機(jī)軸承工作影響較大。

(3)從軸承自身來說，采用增大絕緣軸承外圈陶瓷絕緣涂層厚度或采用陶瓷滾動(dòng)體絕緣軸承，均可提高軸承絕緣阻抗值，對阻止高頻軸電流、防止軸承電蝕均有明顯的作用。

(4)改進(jìn)后的高速動(dòng)車組保護(hù)性接地方案在減少轉(zhuǎn)向架與車體電勢差、分流等方面起到了很好的效果，可有效改善絕緣軸承的運(yùn)用環(huán)境。

［1］ IEC TS 60034－17:2002，Rotating electrical machines-Part 17:Cage induction motors when fed from converters application guide［S］.

［2］ H.Tischmacher，S.Gattermann.Bearing Currents in Converter Operation ICEM［Z］.2010.

［3］ 李小軍，王建功，等.CRH380BL動(dòng)車組接地方案的優(yōu)化研究［J］，電力機(jī)車與城軌車輛，2013，36(5):19-21.

Electric Erosion of Bearings on Traction Motor of High-speed EMU and its Solution

XIANG Afeng，GUO Xiuwei
(Yongji Xinshisu Electric Equipment Co.，Ltd.，Yongji 044502 Shanxi，China)

Combining with bearing failure phenomenon of CRH3and CRH380BL high-speed EMU，this paper comprehensively introduces the causes and influence factors of traction motor bearing electric erosion，and proposes solutions of electric erosion by improving the protective grounding and bearing insulation.

high-speed EMU;CRH3;CRH380BL;traction motor;bearing currents;electric erosion;grounding protection

U266.2.331+.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.25

1008－7842(2015)02－0102－05

0—)男，教授級(jí)高級(jí)工程師(

2015－08－27)