高壓直流下的受電弓拉桿軸承電蝕分析及對(duì)策

駱開(kāi)榮 程 聰 葉 凱

(貴陽(yáng)市城市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，550081，貴陽(yáng)∥第一作者，工程師)

自2019年4月起，貴陽(yáng)地鐵1號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“1號(hào)線”)陸續(xù)有近30個(gè)受電弓拉桿軸承出現(xiàn)燒損現(xiàn)象。如圖1所示，燒損的軸承出現(xiàn)大面積熔點(diǎn)及金屬堆積，軸承內(nèi)部及拉桿孔損壞嚴(yán)重。軸承燒損使受電弓升降卡滯，嚴(yán)重威脅了正線行車安全。研究燒損軸承發(fā)現(xiàn)，當(dāng)1 500 V高壓直流電經(jīng)過(guò)軸承與拉桿套、軸的接觸表面及軸承內(nèi)外圈的滾動(dòng)表面時(shí)，軸承就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的電蝕損傷。

圖1 電蝕損傷的軸承及端蓋

對(duì)于軸承電蝕，文獻(xiàn)[1]提出使用陶瓷滾子的軸承來(lái)減少電蝕，但未進(jìn)行具體驗(yàn)證。文獻(xiàn)[2]采用導(dǎo)電潤(rùn)滑脂增加軸承內(nèi)部導(dǎo)電通道的方法來(lái)減少或消除電蝕。文獻(xiàn)[3]使用耐高壓潤(rùn)滑脂來(lái)防止大電流擊穿油膜產(chǎn)生閃絡(luò)造成電蝕。本文基于1號(hào)線受電弓運(yùn)行情況，分析拉桿軸承電蝕原因，進(jìn)而提出解決拉桿軸承電蝕損傷的方法，并完成試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 受電弓結(jié)構(gòu)及使用情況

1.1 受電弓結(jié)構(gòu)

1號(hào)線采用的單臂式受電弓，主要由底架、下臂桿、上臂桿、弓頭及控制系統(tǒng)等模塊組成(見(jiàn)圖2)，其受流電壓為直流1 500 V。在圖2中，電蝕軸承位于拉桿兩端。拉桿以上臂桿與下臂桿鉸鏈為支點(diǎn)，起固定弓頭軌跡的作用，主要承受與上臂桿及弓頭重量等效的拉力(約200 N)[4]。

圖2 受電弓結(jié)構(gòu)

1.2 列車運(yùn)行環(huán)境

1號(hào)線全長(zhǎng)34.8 km。其中：地上段長(zhǎng)7.6 km，采用柔性接觸網(wǎng)；地下段長(zhǎng)27.2 km，采用剛性接觸網(wǎng)。貴陽(yáng)市年平均總降水量為1 129.5 mm，一年陰雨天在200天以上[5]。

1.3 露天段弓網(wǎng)關(guān)系試驗(yàn)

本文選取1號(hào)線下麥西站至竇官站區(qū)間的1.1 km長(zhǎng)露天段作為試驗(yàn)段，對(duì)列車弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2及表3。

表1 1號(hào)線弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸壓力試驗(yàn)結(jié)果

表2 1號(hào)線試驗(yàn)段燃弧試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表3 受電弓的硬點(diǎn)

由試驗(yàn)結(jié)果可知：平均弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸壓力約為120 N；以不同速度行駛的列車在試驗(yàn)區(qū)段出現(xiàn)數(shù)次燃弧和多處硬點(diǎn)，雖滿足運(yùn)營(yíng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但可以看出運(yùn)行過(guò)程中網(wǎng)壓波動(dòng)是真實(shí)存在的[6]。文獻(xiàn)[7]研究結(jié)果表明，受電弓碳滑板與接觸網(wǎng)從接觸到脫離過(guò)程最大會(huì)產(chǎn)生20 N的突變力。

2 軸承電蝕原因分析

2.1 網(wǎng)壓波動(dòng)產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象

由表1、表2及表3可見(jiàn)，列車在試驗(yàn)段出現(xiàn)數(shù)次燃弧和硬點(diǎn)[8]。在接觸網(wǎng)網(wǎng)壓波動(dòng)影響、上臂桿及弓頭重量等效力[4]、平均120 N的動(dòng)態(tài)接觸壓力，以及碳滑板脫離接觸網(wǎng)過(guò)程中產(chǎn)生20 N突變力[6]等的綜合作用下，特大電流(指直流1 500 V，下同)經(jīng)過(guò)軸承滾珠與軸承內(nèi)外圈接觸表面之間的極薄油膜時(shí)，會(huì)使接觸表面產(chǎn)生電閃絡(luò)、弧光及高熱熔化，進(jìn)而發(fā)展為電蝕損傷[9-11]。在電蝕初期檢查，會(huì)發(fā)現(xiàn)端蓋內(nèi)側(cè)面燒痕、軸承潤(rùn)滑脂變質(zhì)、軸承滾珠及滑道接觸面輕微燒痕等輕微電蝕損傷現(xiàn)象，如繼續(xù)使用，則輕微電蝕損傷會(huì)逐步發(fā)展為軸承內(nèi)部燒損及金屬堆積等嚴(yán)重電蝕損傷。

2.2 導(dǎo)電潤(rùn)滑脂對(duì)點(diǎn)蝕損傷的影響

由于傳統(tǒng)常用軸承潤(rùn)滑脂的主要成分為脂肪酸鋰皂、精煉礦物基礎(chǔ)油及石油添加劑，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8%～18%、80%～95%、6%～10%，具有無(wú)導(dǎo)電特性及耐高壓特性，故特大電流只能沿滾珠與內(nèi)外圈點(diǎn)接觸形成的單一導(dǎo)電通道通過(guò)。由于導(dǎo)電通道過(guò)少，而且在滾珠與內(nèi)外圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中點(diǎn)接觸不穩(wěn)定，故接觸面會(huì)發(fā)生電閃絡(luò)、產(chǎn)生高溫，進(jìn)而形成熔鎦、疤結(jié)或弧坑，最后發(fā)展為電蝕損傷。文獻(xiàn)[2]的試驗(yàn)結(jié)果證明，加入導(dǎo)電潤(rùn)滑脂后軸承的導(dǎo)電通道增多，可預(yù)防滾動(dòng)軸承電蝕(見(jiàn)圖3，圖中箭頭表示電流流向)。文獻(xiàn)[3]研究發(fā)現(xiàn)，耐電壓值的潤(rùn)滑脂也可減少或消除軸承中的電蝕損傷。

圖3 單一導(dǎo)電通道軸承與多導(dǎo)電通道軸承

2.3 導(dǎo)流不暢加劇電蝕損傷

導(dǎo)流線螺栓松動(dòng)、螺栓緊固縫隙中積灰、導(dǎo)流線及連接處螺栓在長(zhǎng)期行車過(guò)程中吸附大量灰塵等多種因素，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)流不暢或相對(duì)于拉桿軸承該導(dǎo)流線未形成低阻值導(dǎo)電通道，部分特大電流通過(guò)拉桿軸承造成電蝕。此時(shí)，如有列車再生制動(dòng)產(chǎn)生的大電流逆向經(jīng)過(guò)該軸承，則會(huì)進(jìn)一步加劇電蝕損傷。

2.4 氣候影響

貴陽(yáng)長(zhǎng)年多雨。在露天段，如有少量雨水進(jìn)入拉桿軸承中，就會(huì)使?jié)櫥冑|(zhì)，產(chǎn)生少量硬質(zhì)粒子，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致局部潤(rùn)滑失效。隨著列車運(yùn)行，特大電流作用使軸承內(nèi)部溫度急劇上升，潤(rùn)滑脂碳化嚴(yán)重，產(chǎn)生越來(lái)越多硬質(zhì)粒子和不規(guī)則熔鎦、疤結(jié)或弧坑，逐步造成軸承內(nèi)部卡滯、固死，進(jìn)而惡化為大面積電蝕損傷[5]。

3 改進(jìn)措施

針對(duì)貴陽(yáng)多雨天氣，其為客觀條件無(wú)法避免，只能通過(guò)增加拉桿軸承內(nèi)部導(dǎo)電通道或防止特大電流經(jīng)過(guò)軸承內(nèi)部的方法才能避免軸承電蝕損傷。工業(yè)防水密封軸承雖具有防水、防塵、保油及密封的特點(diǎn)，卻不能有效解決大電流通過(guò)軸承內(nèi)部的問(wèn)題，且其在檢修作業(yè)中無(wú)法添加潤(rùn)滑脂，故受電弓拉桿軸承不宜采用密封軸承。此外，目前耐高壓導(dǎo)電潤(rùn)滑脂在軌道交通行業(yè)應(yīng)用不夠廣泛，相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證文獻(xiàn)較少，而且導(dǎo)電潤(rùn)滑脂測(cè)試的周期長(zhǎng)、拆裝軸承作業(yè)較為繁瑣等，故本文也不考慮采用耐高壓導(dǎo)電潤(rùn)滑脂方法。

經(jīng)綜合考慮，本文提出的改進(jìn)措施為：在軸套外表面增加絕緣層。在配合軸承使用中，絕緣層可避免特大電流由拉桿套流經(jīng)軸承內(nèi)部。增加絕緣層的新軸套長(zhǎng)度相對(duì)軸承單側(cè)多出4 mm余量，故端蓋與拉桿套配合時(shí)與軸承有4 mm的安全空隙，可避免軸承與端蓋接觸形成導(dǎo)電通道(見(jiàn)圖4)，新舊軸套對(duì)比見(jiàn)圖5。

圖4 增加絕緣層的軸套

圖5 新舊軸套對(duì)比

1號(hào)線新軸套的更換于2019年6月—8月完成。更換后半年內(nèi)進(jìn)行了間斷性普查，均未發(fā)現(xiàn)拉桿軸承出現(xiàn)電蝕現(xiàn)象。2020年4月隨機(jī)拆卸一套使用新軸套的拉桿軸承，并在清潔后檢查，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部出現(xiàn)電蝕現(xiàn)象，且軸承內(nèi)部表面狀態(tài)良好，見(jiàn)圖6。

圖6 使用10個(gè)月后的軸承

4 結(jié)語(yǔ)

受電弓拉桿軸承的電蝕是網(wǎng)壓波動(dòng)產(chǎn)生特大電流、軸承導(dǎo)電通道過(guò)少、潤(rùn)滑脂材料特性、導(dǎo)流線相對(duì)阻值不低、暴雨滲水等因素綜合作用的結(jié)果。本文提出在軸套增加絕緣層的改進(jìn)措施，消除了軸承內(nèi)部的導(dǎo)電通道。1號(hào)線10個(gè)月的使用情況證明，增加絕緣層后，可有效防止1 500 V高壓直流電流經(jīng)拉桿軸承內(nèi)部，有效減少了受電弓拉桿軸承的電蝕損傷。