城市軌道交通車輛交流牽引電機軸承電蝕預防方法研究

王亞漢

（廣州軌道交通建設監(jiān)理有限公司，廣州 510010）

一段時間以來，廣州、長沙、南寧等地的城市軌道交通車輛及干線動車組，均發(fā)生不同程度的因牽引電機軸承電蝕導致軸承超溫、異音、卡滯等軸承失效的故障。為保證行車安全，避免因軸承失效導致更大的次生故障，提升車輛全壽命周期的可靠性、可用性、可維護性、安全性系數(shù)，有必要從故障機理入手，對軸承電蝕預防方法進行深入研究。

1 軸承電蝕機理分析

軌道交通車輛牽引電機軸承電蝕主要原因是：軸承內圈、外圈存在較高等級電壓，該電壓會擊穿軸承滾動接觸部分絕緣較為薄弱處的油膜，產(chǎn)生火花，使接觸表面局部熔化損壞，形成電弧放電麻點或滾道上的電蝕凹坑、搓板紋等。國內某線路地鐵車輛出現(xiàn)了批量牽引電機軸承電蝕的情況，根據(jù)軸承供應商提供的分析報告，60%的軸承需要更換，該線路地鐵車輛軸承外圈因電蝕而出現(xiàn)的搓板紋如圖1所示。

圖1 某地鐵車輛牽引電機出現(xiàn)的搓板紋

軸承出現(xiàn)電蝕后，會增加軸承的摩擦系數(shù)、增加磨損，導致軸承發(fā)熱增大，潤滑脂因高溫和電火花的作用短時間內即失效，造成行車隱患。軌道交通車輛牽引電機軸承內圈、外圈存在較高等級電壓的原因有以下幾點。

1.1 牽引電機內部磁阻不對稱

牽引電機定子、轉子鐵芯沖片間的拼縫較大，沖片存在軸向通風口或PT100安裝定位孔，裝配或運用過程中出現(xiàn)轉子偏心，都可能導致電機內部磁阻不對稱，磁通路徑會發(fā)生一定的改變，電機內部就會形成“環(huán)形磁通”［1］。把轉子轉軸、非端軸承、電機機座、驅動端軸承構成的回路看作一個線圈，受“環(huán)形磁通”影響，通過該線圈的總磁通不為0。而牽引電機是一直旋轉的，其內部是一個交變的磁場，這就使得鐵芯中存在交變的“環(huán)形磁通”，根據(jù)電磁感應原理，轉軸兩端會感應出交變的軸電壓。

1.2 脈寬調制輸出諧波含量高

由于牽引逆變器采用脈寬調制（PWM），其輸出不是標準的正弦波，而是一定占空比的方波，必然含有一定的諧波分量，并且輸出電壓不完全平衡，存在零序分量，從而作用于電機各部分之間的雜散電容上，構成零序回路，產(chǎn)生高頻共模電壓。由于其在定子線圈內無法形成有效閉合回路，更容易通過線圈端部、轉軸、軸承及機座形成閉環(huán)，產(chǎn)生軸電流，損害電機軸承的使用壽命［2］。

脈寬調制導致的軸電壓，其值與電機各部分之間的雜散電容值、脈沖的頻率、脈沖上升時間有關。

1.3 車輛其他的外部電壓

目前城市軌道交通車輛的保護接地普遍采用集中接地即單點接地方式。全列車的車體、轉向架構架、電機等設備外殼通過電纜連接，在中間車或相對中間車的某一個轉向架，通過1或2個軸端接地裝置，經(jīng)輪對、鋼軌與大地連接。這種接地方案的好處是全列車通過低阻抗的電纜連接，僅通過中間車的軸端接地裝置接地，不會形成環(huán)流。但也正因為是單點接地，最靠近頭車的電機距離保護性接地點最遠，受車體、轉向架構架阻抗對電勢差的影響，Mp1、Mp2車最靠近頭車一端牽引電機軸端的電動勢最高，如圖2所示。

圖2 某2M2T地鐵車輛接地原理圖

除因車輛單點接地方式引起的外部電壓外，還有電機外殼未可靠接地，而轉子輸出軸通過負載側（齒輪箱側）接地，這時，電機外殼和轉子輸出軸存在電勢差，即軸承內圈、外圈存在電勢差。

上述這2種外部電壓和電機軸電壓疊加在軸承的內圈和外圈上，隨著車輛的運行，軸承絕緣涂層薄弱處被擊穿，形成電路通路，產(chǎn)生軸電流。

2 防止軸承電蝕對策

牽引電機絕緣軸承不產(chǎn)生電蝕所容許的軸電壓或軸電流的門限值，與供電條件、軸承狀況、安裝工藝水平、電機運行工況等諸多因素有關。至今，國內外還沒有相關標準或研究對軸電壓或軸電流門限值進行明確規(guī)定，但從多個項目的數(shù)據(jù)分析上來看，軸電壓不高于100 V的牽引電機，基本沒有出現(xiàn)軸承電蝕的情況?？陀^來講，完全消除掉軸承內圈、外圈的電勢差是不太現(xiàn)實的，只能通過以下技術手段盡可能降低通過軸承的電流或施加在軸承上的電壓，降低軸承發(fā)生電蝕的概率。

2.1 牽引電機方面

（1）根據(jù)1.1所述，在牽引電機機械結構及電磁方案設計時，需要盡可能減少電機磁路的不對稱性，以遏制軸電流的產(chǎn)生［3］。

（2）增加牽引電機軸承絕緣層的厚度，被動地抵抗軸電壓對電機軸承的侵蝕，起到保護軸承的作用［4］。

（3）增加接地環(huán)，短接牽引電機轉子輸出軸與電機外殼，即將軸承內圈、外圈之間因絕緣性能降低而存在的電流通路并聯(lián)一個阻抗更低的電流回路。接地環(huán)安裝剖視圖如圖3所示，牽引電機非傳動端測速齒盤軸向增加環(huán)狀軸，與接地環(huán)內圓導電纖維接觸；蓋板增加接地環(huán)安裝接口，與接地環(huán)外圓配合。

圖3 接地環(huán)安裝剖視圖

若采取增加接地環(huán)的方案，需要評估接地環(huán)的增加是否會對整車接地方案產(chǎn)生影響，并關注軸電流的走向，以免引起其他例如齒輪箱軸承或轉向架輪對軸箱軸承電蝕。

2.2 牽引逆變器方面

（1）由于分布電容的存在，軸電流的幅值與逆變器輸出電壓的變化率有關，輸出電壓的變化率越大，可能產(chǎn)生的軸電流就越大，為了抑制過大的電壓變化率，可在IGBT兩端并聯(lián)突波電容，吸收IGBT通斷時產(chǎn)生的尖峰電壓。

（2）控制算法方面，輸出電壓的變化率主要與載波頻率有關，載波頻率越高，可能產(chǎn)生的電壓變化率就越大。為此，需要在不犧牲輸出電壓正弦度的前提下，盡可能降低IGBT的開關頻率，以減小牽引逆變器輸出電壓的變化率。

（3）在主電路工作回流負線與牽引逆變器外殼之間增加EMI電容（共模電壓濾波器），如圖4所示，減小共模電壓的幅值，同時增強主電路的抗外部電磁干擾能力。

圖4 EMI電容設置示意

2.3 車輛方面

（1）高壓/低壓、直流/交流線纜走線布置合理，各回流、等勢線纜需要可靠連接，整車電磁兼容環(huán)境良好［5］。

（2）牽引電機至牽引逆變器之間的三相動力線纜采用屏蔽線，屏蔽線雙端接地（接牽引電機機座及牽引逆變器外殼），保證牽引逆變器及牽引電機外殼等電勢。同時，需要將牽引電機機座可靠接地，盡可能減小電機機座的接地阻抗。

3 軸電壓控制方案

（1）經(jīng)了解，上文中提到的出現(xiàn)搓板紋的牽引電機軸承，采用的是SKF 0.1 mm涂層絕緣軸承。為提升牽引電機軸承抗電蝕水平，采用的是SKF 0.2 mm涂層絕緣軸承，絕緣涂層厚度提升一倍，在同等條件下，電流密度降為原來的1/2，能夠承受的軸承電壓更高。

（2）牽引逆變器采用分段同步SVPWM的調制方式，在使輸出電壓正弦度盡可能高的前提下，控制載波頻率在750 Hz以下，以減小逆變器輸出電壓的變化率。同時，主電路直流側還并聯(lián)了很多突波電容，也能在一定程度上抑制輸出電壓的變化率，降低牽引電機軸電壓。

（3）在主電路工作回流負線與牽引逆變器外殼之間增加22 μF（架控方案，采用2個11 μF電容并聯(lián)）EMI電容，減小共模電壓。

（4）因加裝接地環(huán)方案，目前還沒有大批量長時間的工程化應用，并且接地環(huán)的增加是否會對整車接地方案產(chǎn)生影響尚待評估，遂從產(chǎn)品的可靠性、可維修性以及成本角度考慮，僅預留接地環(huán)安裝接口，不進行實際加裝。

4 試驗驗證

4.1 牽引系統(tǒng)組合試驗

為驗證軸電壓控制方案可行性，在牽引系統(tǒng)組合試驗階段，搭建了試驗平臺，進行相關數(shù)據(jù)的測試和記錄。在試驗開始前，將牽引電機測速齒盤蓋板拆下，安裝軸電壓測試工裝（通過碳制摩擦盤，將旋轉牽引電機轉子轉軸連接至示波器電壓探頭，電壓探頭另一端連接牽引電機機殼），如圖5所示。

圖5 裝配了軸電壓檢測工裝的牽引電機

牽引逆變器按AW3載荷、最大轉矩輸出，分別在不同轉速下記錄軸電壓峰值和有效值，見表1。不同轉速下，軸電壓的變化，主要與牽引逆變器PWM調制方法有關。軸電壓實測波形如圖6所示（1 250 r/min）。

表1 軸電壓測試數(shù)據(jù)

圖6 牽引電機1 250 r/min時軸電壓實測波形

表1中，各轉速下牽引電機軸電壓峰值最大值為42.3 V，沒有超過業(yè)內普遍認為的100 V安全限值。

4.2 牽引系統(tǒng)裝車試驗

為了系統(tǒng)分析牽引電機在裝車運行過程中軸承發(fā)生電蝕、熔融導致失效的影響因素，對牽引電機不同轉速下的軸電壓進行測量。在車輛接地和回流電路接線檢查后進行，試驗采用AW0載荷列車。試驗前，在任意動車（M車）一位端一位側牽引電機（1軸）和二位端一位側牽引電機（3軸）安裝軸電壓測試工裝，如圖7所示，使列車以100%牽引級位起動，加速至40 km/h，維持惰行5 s，制動停車。試驗進行3次，通過示波器記錄電機轉軸和機殼之間電壓值波形，并記錄最大幅值，見表2。

圖7 牽引電機運行時軸電壓測試

表2 軸電壓測試數(shù)據(jù)（裝車后）

表2中，各轉速下牽引電機軸電壓峰值最大值為42.16 V，沒有超過業(yè)內普遍認為的100 V安全限值。

5 結論

綜上所述，經(jīng)過對牽引電機軸承電蝕的故障機理和預防措施分析，針對某地鐵增購列車項目實際工程需求提出的軸電壓控制方案有效、可行。與此同時，需要在車輛各檢修修程時著重檢查牽引電機軸承情況，按規(guī)定周期和里程添加油脂，必要時進行頂輪檢查，并重新進行軸電壓的測試，保證牽引電機軸承運用情況良好。