某型機(jī)車牽引電機(jī)傳動(dòng)端軸承低速輕載無飛濺潤滑試驗(yàn)研究

毛曉軍，廖保華，洪 亮，黃海軍（.中車株洲電機(jī)有限公司，株洲 400；.中國電器科學(xué)研究院有限公司工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 50663）

某型機(jī)車牽引電機(jī)傳動(dòng)端軸承低速輕載無飛濺潤滑試驗(yàn)研究

毛曉軍1，廖保華1，洪 亮1，黃海軍2
（1.中車株洲電機(jī)有限公司，株洲 412001；2.中國電器科學(xué)研究院有限公司工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510663）

主要根據(jù)客戶要求，在低速（1 km/h）及輕載工況下，測量傳動(dòng)端軸承無飛濺潤滑條件下的溫升等參數(shù)，而進(jìn)行相關(guān)的電機(jī)試驗(yàn)，為某型機(jī)車牽引電機(jī)傳動(dòng)端軸承在低速及輕載工況下，無飛濺潤滑提供試驗(yàn)驗(yàn)證及技術(shù)支撐。

低速；輕載；電機(jī)軸承；無飛濺潤滑；試驗(yàn)驗(yàn)證

前言

近年來，大功率和諧型機(jī)車引進(jìn)，牽引電機(jī)傳動(dòng)端軸承廣泛采用與齒輪箱共油飛濺潤滑,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)潤滑由傳統(tǒng)的“齒輪/軸承獨(dú)立潤滑”轉(zhuǎn)變?yōu)榧扔械摹褒X輪/軸承混合潤滑”，軸承潤滑是由傳統(tǒng)的密封潤滑轉(zhuǎn)變?yōu)榧扔械臐櫥吐放c迷宮平衡氣路相融混合潤滑。針對(duì)中國南北氣候差異復(fù)雜及沙塵、大坡道等惡劣工況的運(yùn)行環(huán)境，機(jī)車潤滑方式的改變給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)潤滑可靠性帶來全新課題。對(duì)于驅(qū)動(dòng)單元潤滑可靠性來說，機(jī)車速度影響潤滑油油量，運(yùn)行工況影響潤滑狀態(tài)，潤滑方式的變化影響軸承潤滑性能等，諸多因素皆可能導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的潤滑不良乃至失效。本文深入研究在低速和輕載工況下，無飛濺潤滑方式對(duì)牽引電機(jī)傳動(dòng)端軸承的影響，為客戶提供相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證及應(yīng)用研究。

1 試驗(yàn)思路及參數(shù)

1.1 試驗(yàn)思路[1]

1）在被試電機(jī)中插入PT100溫度傳感器，在給油條件下，先按額定轉(zhuǎn)速啟動(dòng)電機(jī)，直到溫升穩(wěn)定為止（溫升2 K/1 h），停止供油；

2）然后,按試驗(yàn)參數(shù)繼續(xù)運(yùn)行電機(jī)，觀察接油盒中油面下降過程，記錄油繩開始滴油時(shí)間；

3）電機(jī)繼續(xù)按試驗(yàn)參數(shù)運(yùn)行，每10 min記錄一次傳動(dòng)端軸承外圈溫度、定子溫度及電機(jī)3個(gè)方向的均方根及翹度系數(shù)值，每30 min記錄一次電機(jī)傳動(dòng)端端軸承3個(gè)方向的最大振動(dòng)值。若軸承外圈溫度超過120 ℃，則立即停止試驗(yàn)；若未超過，則繼續(xù)試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間3ˉ5 h左右，期間若溫度達(dá)到120 ℃，立即停止試驗(yàn)；

4）試驗(yàn)完解體電機(jī)，檢測被試電機(jī)傳動(dòng)端軸承外觀、輪廓度等參數(shù)。

1.2 試驗(yàn)參數(shù)[2]

主要試驗(yàn)參數(shù)：被試電機(jī)轉(zhuǎn)速：26 rpm；電流：290 A；加載：3 409 N.m

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案[3]

備注：DE:傳動(dòng)端；NDE：非傳動(dòng)端

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

如圖1，被試電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下，通過調(diào)節(jié)負(fù)載和風(fēng)量使電機(jī)傳動(dòng)端軸承外圈溫度快速達(dá)到額定工況的溫度（73.6 ℃）并穩(wěn)定后（階段1），開始停止供油，并將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)到試驗(yàn)轉(zhuǎn)速（26 rpm)，接油盒中的剩余潤滑油繼續(xù)從進(jìn)油口流入軸承室內(nèi)，當(dāng)剩余潤滑油界面低于進(jìn)油口時(shí)（階段2），通過用工業(yè)紙吸收部分潤滑油，使接油盒中的潤滑油剛好浸沒滴油繩（如圖2），開始試驗(yàn)，測各點(diǎn)的溫度，檢測電機(jī)3個(gè)方向的速度振動(dòng)值、均方根值及翹度系數(shù)（階段3），具體試驗(yàn)結(jié)果如下：

2.2.1 試驗(yàn)溫升曲線

根據(jù)試驗(yàn)方案要求，將3個(gè)試驗(yàn)階段測量的鐵芯溫度、DE軸承溫度、NDE軸承溫度、進(jìn)風(fēng)及出風(fēng)口溫度、環(huán)境溫度按時(shí)間順序，制成溫度-時(shí)間曲線圖，如圖3所示。

分析：從圖3中的試驗(yàn)溫升曲線看出，在階段1，在額定轉(zhuǎn)速及負(fù)載下，溫度上升很快，軸承外圈溫度穩(wěn)定在73.5 ℃左右；在階段2，停止供油及轉(zhuǎn)速降低條件下，各點(diǎn)溫升急劇下降；在階段3試驗(yàn)過程中，在低速、輕載、無飛濺潤滑油的條件下，雖然此時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速低，軸承表面油膜很難形成，但由于滴油繩還浸泡在潤滑油中，還有極少量的潤滑油往軸承室緩慢滴入，使軸承處于邊界潤滑狀態(tài)，再加上電機(jī)處于強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻狀態(tài)，因此，各測溫點(diǎn)的溫度，依然繼續(xù)下降，約4 h后基本達(dá)到穩(wěn)定[4] [5]。

2.2.2 速度振動(dòng)值

分析：從圖4 看，該電機(jī)的3個(gè)方向上的速度振動(dòng)值隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加而上升，在300 min的試驗(yàn)過程中，最大速度振動(dòng)值達(dá)3.8 mm/s，已超出新電機(jī)的設(shè)計(jì)要求（＜3.5 mm/s），試驗(yàn)表明，低速無飛濺潤滑油工況下，軸承摩擦大，振動(dòng)增加。

2.2.3 均方根值

表1 試驗(yàn)方案

圖1 低速輕載無飛濺潤滑軸承溫升試驗(yàn)

圖2 JD160A牽引電機(jī)軸承進(jìn)油口方式

圖3 各測溫點(diǎn)溫度-時(shí)間曲線

分析：振動(dòng)加速度均方根值反映軸承系統(tǒng)在分析頻帶范圍內(nèi)的振動(dòng)大小，也就是故障程度的大小，是軸承元件在測試過程中所有合成振動(dòng)能量的平均，隨著故障的發(fā)展而單調(diào)增加。從圖5中該軸承三個(gè)方向的均方根值看，在試驗(yàn)初期的150 min內(nèi)，均方根值較穩(wěn)定，但之后三個(gè)方向上的均方根值都有一個(gè)明顯的上升趨勢，預(yù)示從150 min后早期故障特征開始顯現(xiàn)。

2.2.4 翹度系數(shù)

分析：翹度系數(shù)反映軸承工作表面出現(xiàn)疲勞故障時(shí)，每轉(zhuǎn)一周將產(chǎn)生工作面缺陷的沖擊脈沖的大小，故障越大、沖擊響應(yīng)幅值越大，翹度系數(shù)對(duì)軸承早期故障較敏感，軸承一旦發(fā)生故障，翹度系數(shù)值即增大。也就是說當(dāng)軸承逐步出現(xiàn)滾動(dòng)表面損傷時(shí)，振動(dòng)信號(hào)中必然產(chǎn)生周期性大幅值脈沖。從圖6中可看出，軸向的翹度系數(shù)呈線性上升，發(fā)展非?？欤怪焙退椒较虻穆N度系數(shù)波動(dòng)也很大，說明在低速無飛濺潤滑工況下，軸承工作表面故障的發(fā)展趨勢非?？靃6]。

2.3 試驗(yàn)后解體檢查

2.3.1 軸承外觀

被試電機(jī)傳動(dòng)端軸承共14個(gè)圓柱滾子，檢查軸承內(nèi)圈表面及滾柱表面，均有多條磨損劃痕，但磨損較均勻。如圖7 。

2.3.2 軸承游隙

分析：試驗(yàn)后實(shí)測傳動(dòng)端和非傳動(dòng)端軸承的裝配游隙，明顯要比出廠裝配游隙大，且傳動(dòng)端軸承的裝配游隙超出設(shè)計(jì)范圍。說明低速無飛濺潤滑運(yùn)行300 min后，傳動(dòng)端軸承磨損加劇，導(dǎo)致對(duì)傳動(dòng)端軸承的裝配游隙產(chǎn)生了影響。

2.3.3 軸承輪廓度

軸承共14個(gè)圓柱滾子，每2個(gè)滾子檢測1個(gè)滾子母線的輪廓度，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

圖4 速度振動(dòng)值

圖5 均方根值

圖6 翹度系數(shù)

圖7 軸承內(nèi)圈表面及滾柱表面劃痕

表2 軸承游隙

表3 傳動(dòng)端軸承滾子母線輪廓度檢測數(shù)據(jù)

分析：根據(jù)對(duì)新軸承圓柱滾子母線的輪廓度檢測，一般在0.3ˉ0.7 μ m之間，但從被試電機(jī)傳動(dòng)端軸承滾子母線的輪廓度檢測數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過低速無飛濺潤滑運(yùn)行300 min后，軸承磨損較大，檢測的所有圓柱滾子的輪廓度全部遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于新軸承的輪廓度，最大的輪廓度值達(dá)2.83μ m。因此，試驗(yàn)表明，低速無飛濺潤滑工況對(duì)傳動(dòng)端軸承圓柱滾子表面的磨損影響較嚴(yán)重，如果試驗(yàn)繼續(xù)，該軸承將很快產(chǎn)生疲勞磨損而出現(xiàn)故障。

3 結(jié)束語

綜上所述，從各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及檢測結(jié)果分析可知，盡管牽引電機(jī)傳動(dòng)端軸承是精密可靠的機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)體，但在低速、輕載、無飛濺潤滑工況下，僅靠接油盒內(nèi)滴油繩的滴油潤滑，容易使軸承摩擦增大，振動(dòng)值增加，工作表面磨損加劇，引起軸承疲勞磨損，從而導(dǎo)致早期失效。因此，研究牽引電機(jī)傳動(dòng)端軸承在低速、輕載、無飛濺潤滑典型工況下的試驗(yàn)方法，了解牽引電機(jī)傳動(dòng)端軸承在這種工況下的影響結(jié)果，就可以為機(jī)車創(chuàng)造合適的運(yùn)行條件，及時(shí)正確地采取科學(xué)合理的潤滑措施，可有效地提高軸承及電機(jī)的使用壽命。當(dāng)然，在實(shí)際運(yùn)行中，機(jī)車牽引電機(jī)軸承的使用壽命不僅受到軸承本身的性能、環(huán)境工況、實(shí)際運(yùn)行條件等影響，還受到其他很多因素的影響，如潤滑油的性能，現(xiàn)場管理，狀態(tài)監(jiān)測等因素的影響。因此，在科學(xué)的選油及用油、合理的管理及狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，如何為機(jī)車科學(xué)地選用合適的運(yùn)行速度、載荷及潤滑是確保牽引電機(jī)高壽命的關(guān)鍵所在。

［1］ GB 755-2008， 旋轉(zhuǎn)電機(jī) 定額和性能［S］.

［2］ GB/T 1032-2012，三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法［S］.

［3］ 設(shè)計(jì)文件：1B90100000G39， JD160A型異步牽引電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)大綱［Z］.

［4］ 賀石中，馮偉.全國設(shè)備潤滑管理與實(shí)用技術(shù)培訓(xùn)［Z］.2014.

［5］ 丁光健.設(shè)備潤滑與油液分析［Z］.2010.

［6］ 胡高玲.機(jī)車牽引電動(dòng)機(jī)軸承故障分析及預(yù)防措施［J］，電機(jī)技術(shù)，2000（1）：41-43.

Research on No Splash Lubrication Test for Drive End Bearing of A Locomotive Traction Motor in the Conditions of Low Speed and Light Load

MAO Xiao-jun1， LIAO Bao-hua1， HONG Liang1， HUANG Hai-jun2
（1.CRRC Zhuzhou Electric Co.， Ltd.， Zhuzhou 412001； 2.State Key Laboratory of Environment Adaptability for Industrial Products， China Electric Apparatus Research Institute Co.， Ltd.， Guangzhou 510633）

According to the requirements of customers， under the condition of low speed （1Km/H） and light load， the parameters such as temperature rise for drive end bearing in the condition of no splash lubrication are measured.And the related motor tests provide experimental verification and technical support for drive end bearing in the condition of low speed， light load， and no splash lubrication.

low speed； light load； motor bearing； no splash lubrication； test and verification

TH17

B

1004-7204（2016）03-0048-04

毛曉軍（1969-），男，高級(jí)工程師，主要從事牽引電機(jī)及其軸承應(yīng)用技術(shù)研究、牽引電機(jī)工藝技術(shù)研究等工作。