有軌電車永磁電機絕緣軸承的設(shè)計

王大強，萬岳雄，魏志欣，章元軍

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2．西安交通大學(xué) 經(jīng)濟與金融學(xué)院，西安 710061)

隨著我國經(jīng)濟和社會的發(fā)展，以汽車為主導(dǎo)的交通模式所帶來的能源危機、環(huán)境污染、土地緊缺、交通擁堵等問題日顯嚴(yán)重?，F(xiàn)代化的有軌電車具有便捷性、舒適性、美觀性以及造價低等特點，在國內(nèi)中小城市逐漸發(fā)展起來，并已成為公共交通運輸中的骨干力量。永磁電動機是有軌電車的主要動力部件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安全性要求高，對其絕緣軸承的性能要求非常高。下文主要對永磁電機絕緣軸承設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)進行分析和研究。

1 永磁電機軸承應(yīng)用特點

有軌電車為了方便乘客上下車，大多數(shù)都采用低地板設(shè)計，并廣泛采用獨立輪對。采用低地板設(shè)計造成安裝空間較小，永磁電動機需要設(shè)計為與車輪集成一體的結(jié)構(gòu)，通過萬向節(jié)直接驅(qū)動獨立車輪[1]，永磁電機軸承的結(jié)構(gòu)比一般電機軸承的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。由于電動機與車輪集成化設(shè)計，電機軸承維護及更換成本較高，對軸承的壽命要求也較高，L10壽命要求達到10年或120萬公里(先到為準(zhǔn))，壽命周期內(nèi)軸承免維護。另外，永磁電動機工作過程中會有軸電流存在，軸承要求有一定的絕緣能力，防止軸承使用過程中因電蝕而失效，絕緣電阻要求在DC 1 000 V下測量需大于500 MΩ。

2 永磁電機軸承設(shè)計

2.1 軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計

電車在運行過程中有一定的沖擊和振動，永磁電動機-定位端配置深溝球軸承，非定位端配置NU型圓柱滾子軸承。受安裝空間的限制，永磁電動機未設(shè)計軸承座，軸承外圈需設(shè)計安裝凸緣實現(xiàn)與定子連接。定位端與非定位端軸承均采用單元化設(shè)計，配置鋼制迷宮式非接觸密封，填加潤滑脂后實現(xiàn)自潤滑和免維護，軸承為絕緣設(shè)計，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軸承結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 絕緣方案設(shè)計

軸承絕緣形式有內(nèi)圈絕緣、外圈絕緣和滾動體絕緣3種形式。內(nèi)、外圈絕緣工藝采用等離子噴涂陶瓷粉末，然后再對陶瓷層進行磨削加工和封孔處理。相對于滾動體絕緣，對軸承安裝要求較高，安裝過程要防止損傷絕緣層，也不適用于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。而滾動體絕緣軸承與一般軸承的安裝條件相同，規(guī)格較大的軸承采用陶瓷滾動體絕緣，但目前大尺寸的陶瓷滾動體價格高，故絕緣方案需要根據(jù)軸承結(jié)構(gòu)及應(yīng)用工況選擇。

由于永磁電機軸承內(nèi)徑和外徑表面形狀不規(guī)則，不適合采用內(nèi)、外圈噴涂絕緣層。因此，選用陶瓷滾動體混合軸承實現(xiàn)軸承絕緣的要求，滾動體材料為Si3N4，同時填加高介電強度潤滑脂實現(xiàn)軸承絕緣。

2.3 潤滑脂選擇

永磁電機軸承采用滾動體絕緣，潤滑脂的絕緣性能直接影響軸承絕緣性能，由于常規(guī)軸承用潤滑脂介電強度較小，通常不大于20 kV,不能滿足電機工作時對軸承絕緣性能的要求。為滿足軸承絕緣性能要求，未選擇常規(guī)軸承潤滑脂，選擇全氟聚醚潤滑脂作為軸承的潤滑劑，實現(xiàn)軸承絕緣性能要求和壽命周期內(nèi)的潤滑要求。全氟聚醚潤滑脂由聚四氟乙烯(PTFE)稠化高化學(xué)穩(wěn)定性的全氟聚醚油(PFPE)，并添加特種抗腐蝕添加劑精制而成，具有出色的熱穩(wěn)定性及氧化穩(wěn)定性，壽命是常規(guī)潤滑產(chǎn)品的5～10倍，并具有優(yōu)異的絕緣性能，擊穿電壓達到48 kV。

2.4 保持架結(jié)構(gòu)設(shè)計

在電機軸承設(shè)計中，保持架引導(dǎo)方式主要為滾動體和外圈引導(dǎo)2種方式，其中以滾動體引導(dǎo)最為常見。主要優(yōu)點是在潤滑脂潤滑的條件下，采用滾動體引導(dǎo)保持架可以避免過潤滑，提高軸承的運行壽命和可靠度[2]。該保持架結(jié)構(gòu)選擇鉚接式實體青銅保持架，引導(dǎo)方式為滾動體引導(dǎo)，兜孔形狀為圓弧形。青銅的抗拉強度比黃銅高50%以上，在有沖擊和振動的工況條件時，疲勞壽命更長。

2.5 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于永磁電機軸承要求壽命長，接觸式橡膠密封雖然密封性能優(yōu)異，但橡膠在使用過程中存在磨損和老化的風(fēng)險，難以保證軸承在使用后期的密封效果。該軸承密封形式選擇為非接觸式的鋼制組合密封，結(jié)構(gòu)為迷宮式組合密封。非接觸式鋼制密封相比接觸式橡膠密封有更好的溫度適應(yīng)性，同時在使用壽命方面更具優(yōu)勢，采用迷宮式設(shè)計時密封效果較好，可以滿足永磁電機軸承長壽命的要求。

3 壽命

根據(jù)軸承應(yīng)用條件及ICE 61373—2010《鐵路應(yīng)用 機車車輛設(shè)備 沖擊和振動試驗》中的振動條件，對軸承進行受力分析，然后根據(jù)GB/T 6391—2010《滾動軸承 額定動載荷和額定壽命》中規(guī)定的壽命計算方法，對軸承的設(shè)計壽命L10進行了計算。非定位端軸承的設(shè)計壽命為

定位端軸承的設(shè)計壽命為

式中：D為車輪直徑，D=0.626 m。計算結(jié)果顯示非定位端和定位端軸承的設(shè)計壽命均大于120×104km，滿足設(shè)計要求。

4 檢測與試驗

4.1 絕緣性能檢測

采用兆歐表對軸承的絕緣電阻進行檢測，在DC 1 000 V條件下，絕緣電阻大于1 000 MΩ，絕緣性能滿足設(shè)計要求。

4.2 裝機試驗

將軸承裝入永磁電動機，對軸承的運轉(zhuǎn)性能、漏脂和溫升情況進行試驗，電機試驗參數(shù)見表1。

客戶反饋試驗過程中軸承運轉(zhuǎn)良好，溫升正常，漏脂率小于5%，滿足裝機試驗的考核要求。

表1 電機試驗參數(shù)

5 結(jié)束語

通過對有軌電車永磁電機絕緣軸承應(yīng)用特點分析和研究，設(shè)計了單元化的混合陶瓷滾動體絕緣軸承。通過裝機試驗，滿足應(yīng)用需求。