某異步牽引電機定子鐵芯拉桿螺栓斷裂故障分析及處理

聶倩楠 張晶濤 董凱

摘要 ?配屬復興號動車組的某型號牽引電機，在動車段電機例行檢查時發(fā)現電機底部有一螺栓異物，將故障電機返廠拆解電機后發(fā)現定子鐵心拉桿螺栓斷裂。為保證電機在線運行安全性，需查找拉桿螺栓斷裂原因并制定處理方案。

關鍵詞：鐵芯拉桿 ?斷裂原因 ?拉桿電容值

情況簡介

一臺牽引電機在動車段例行檢查時，發(fā)現電機底部排水孔靠近傳動端側有一螺栓異物，更換備品電機后將故障電機返廠檢查。拆解故障電機后發(fā)現傳動端定子鐵心絕緣拉桿螺栓斷裂，斷裂位置位于螺母和定子鐵芯連接處。

在拆解過程中發(fā)現定子拉桿固定孔內絕緣漆附著較少，為保證電機在線運行安全性，需對定子鐵芯拉桿螺栓進行研究，查找螺栓斷裂原因，為后續(xù)制定處理方案提供依據。

1 斷裂拉桿螺栓失效分析

委托北京有色金屬研究中心對斷裂螺栓進行失效分析。通過對斷裂螺栓斷口進行宏觀分析發(fā)現，螺栓斷口的疲勞擴展區(qū)面積很大，占斷口總面積超過90%，是典型的低應力高周疲勞斷口低倍特征。

通過體視顯微鏡對斷口進行低倍觀察，發(fā)現主裂紋由一側慢慢擴展到另一面，存在多個小疲勞裂紋;高倍觀察發(fā)現斷口形成的主裂紋源頭處于螺紋牙底處，疲勞條紋細密，二次裂紋并不發(fā)達，呈典型的高強鋼鐵材料低應力高周疲勞斷口特征，如圖1所示。

斷口上的疲勞弧線存在旋轉痕跡，且疲勞條紋較為細密二次裂紋不發(fā)達，說明螺栓受力為拉-拉交變載荷，圓周方向上存在多個小疲勞裂紋源，說明同時存在旋轉彎曲載荷，這一疊加載荷是疲勞產生的主要原因。

斷口能譜顯示，斷面上存在非常輕微的氧化銹蝕，能譜分析發(fā)現腐蝕產物存在氯元素，氯元素是發(fā)生斷面輕微腐蝕的促進性離子，但疲勞裂紋前沿接近瞬斷區(qū)腐蝕產物幾乎不存在，氯元素來源于外界，對裂紋擴展幾乎不起作用，排除應力腐蝕疲勞的可能性。

綜上分析，判斷螺栓斷裂排除了應力腐蝕疲勞原因，斷裂形貌符合旋轉彎曲低應力高周疲勞斷裂，失效模式為低應力高周疲勞開裂。

2 斷裂原因查找

2.1 設計結構

此型號牽引電機定子繞組為雙層成型繞組，定子鐵心通過8個M10的螺栓連接在一起，螺栓與螺母下均安裝絕緣墊片和金屬平墊片，該螺栓 行真空壓力浸漆后，整個定子鐵心部分縫隙中填充滿浸漬漆（包括螺栓與鐵心安裝孔之間的間隙），使定子鐵心各部件成為一個整體。

制造過程中，定子沖片疊壓形成定子鐵心，螺栓僅受定子鐵心疊壓預緊力和鐵芯泄壓后的反彈力，其作用僅為保持鐵心疊壓后的緊密度，起工藝緊固作用，螺桿工作時的拉力主要為安裝時的靜態(tài)預緊力，該設計滿足工作要求。

2.2 浸漆工藝

由故障電機拆解情況可知，斷裂螺栓孔內絕緣漆較少，針對絕緣浸漆工序，選取新制鐵心進行工藝驗證。當鐵心浸漆、烘焙完成后，將其解體觀察螺栓孔內絕緣漆狀態(tài)，發(fā)現該鐵心孔內均已浸滿絕緣漆，螺栓螺紋內充滿絕緣漆。說明絕緣漆浸漬較為徹底，同時絕緣漆不但可通過沖片片間進入螺栓孔內，還可通過螺紋間的間隙進入螺栓孔內。

同時，選取不同預緊力螺栓若干，驗證螺栓在不同拉力的作用下是否會對螺栓孔內的絕緣漆浸入量造成影響。觀察發(fā)現，螺栓在不同預緊力情況下，絕緣漆仍可以進入螺栓孔內，且各孔內進漆量飽滿。

另外，模擬絕緣漆無法通過鐵心片間浸入的條件下，僅通過拉桿前后端墊圈間間隙是否能將拉桿孔內填充滿，驗證發(fā)現絕緣漆可通過螺桿兩側進入螺栓孔內，且各孔內進漆量飽滿。

結合上述實驗驗證，可判定現行浸漬工藝可以使絕緣漆填充滿螺栓孔，浸漆過程可以完全滿足絕緣漆浸滿螺栓孔的要求，造成螺栓孔內絕緣漆少的原因可能是在浸漆后旋轉烘培過程中絕緣漆流失。

2.3 原材料檢測

對斷裂螺桿進行原始信息追溯，同批次螺桿化學成分、力學性能檢測、探傷檢測結果均合格。取電容值較低的絕緣螺桿和其他正常螺桿進行滲透探傷檢查，螺紋根部未發(fā)現裂紋缺陷，滿足使用要求，同時將上述螺栓送至第三方檢測機構檢測，化學成分、力學性能、組織成分均合格。

2.4 螺栓電容值檢測

隨機抽取一列同型號牽引電機，檢測拉桿螺栓電容值，記錄分析檢測數據發(fā)現一臺電容值較低，其余均在230pF以上。拆解此臺電機發(fā)現，定子鐵心螺栓孔內絕緣漆分布較少，電容值偏低可能是由于局部絕緣漆不飽滿所致。

綜上所述，電機定子鐵心與螺栓配合孔內無絕緣漆或絕緣漆過少時，螺栓在定子鐵心孔的間隙較大，電機在運行過程中，螺栓承受高頻振動沖擊，共振頻率連續(xù)激勵發(fā)生高周低應力疲勞，導致螺栓斷裂。

3 處理方案

3.1 安全性評估

通過模擬實驗驗證，根據斷裂的螺栓頭滑落軌跡，螺桿頭斷裂后只能滑落在定子繞組與機座內部底部（底部有漏水孔），其振動空間為周向方向無阻擋，垂向方向為繞組，電機繞組端部端箍距離底部最小為11.5mm，螺母的最小尺寸為 15.8mm，根據電機內部結構判定掉落螺栓頭不能脫離電機，斷裂螺栓頭掉落空間圖如圖2所示，即使在振動過程中螺母頭也不能與繞組接觸，不存在運行安全風險。

3.2 螺栓電容值理論計算值

電機定子絕緣拉桿螺栓與鐵心組成的電容等效為同心圓柱電容器，長度d=210，內導體的外半徑a=5，外導體的內半徑為b=5.9，充兩層介質電常數分別為、的電介質（為聚偏氟乙烯的介電常數、浸漆前為空氣介電常數、浸漆后為絕緣漆介電常數），空氣介電常數約為=8.854×10-12F/m，界面半徑為c=5.2～5.3（絕緣套管熱縮后的半徑），求解此電容值。

在絕緣拉桿上包長度為100的鋁箔紙，檢測鋁箔紙與螺桿之間的電容為480pF，絕緣套管厚度為0.30，再由單介質同心圓柱電容計算方程：

已知浸漆前為空氣介質，約為;浸漆后為H62C絕緣漆介質，約為3.15，其中Q為電容儲存的電荷量，V為電容電壓。由式2可解得浸漆前標準電容值為87.3～98.4pF，浸漆后的螺栓同心電容值為244.6～256.8pF（螺栓同心）。運用正態(tài)分布公式進行計算得出絕緣拉桿電容建議值為200pF，因此給定螺栓電容建議值≥200pF。

3.2 控制措施

通過計算絕緣拉桿螺栓電容值可知，當定子拉桿固定孔內絕緣漆附著較少時，絕緣拉桿電容值較低，當固定孔內絕緣漆填充飽滿時，絕緣拉桿電容值在建議值以上。故可以通過指標設定，監(jiān)控定子鐵心與螺栓配合孔內絕緣漆的狀態(tài)，保證浸漆后螺栓孔內充滿絕緣漆。

對新造電機及返廠高級修電機，增加絕緣拉桿電容值管控，要求使用電容表對定子鐵心拉桿的電容值進行檢測，螺栓電容值應≥200pF，對電容值低的螺桿進行預防性更換，并對電容值低的螺栓進行探傷檢查和狀態(tài)評估，確保電機安全可靠。

同時深化浸漆過程管控，繼續(xù)研究絕緣漆流失的的因素，現場通過紙質記錄結合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對產品滴漆時間、進入旋烘烘箱時的狀態(tài)和過程進行監(jiān)控。對二級供應商質量加強管控，要求加強螺栓制造過程的質量監(jiān)控，并對螺栓進行100%探傷檢查，同時按照入廠檢測標準進行檢測。

4 總結

通過返廠電機拆解，發(fā)現故障為定子鐵心絕緣螺桿斷裂，且定子拉桿固定孔內絕緣漆附著較少。通過螺栓失效分析及故障原因查找，判定電機定子鐵心與螺桿配合孔內無絕緣漆或絕緣漆過少，是導致螺桿斷裂的直接原因。針對此現象，制定了檢測絕緣拉桿電容值管控措施，對不合法電容值要求的拉桿進行預防性更換，并加強了浸漆工序過程和螺栓質量管控，在生產和檢修過程中實施后排除了螺栓斷裂隱患，確保電機產品的可靠性和安全性。

參考文獻

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