□ 徐 君

西門子交通技術(shù)(北京)有限公司上海分公司 上海 200082

1 問題情況

上海軌道交通的車輛維保人員在日常巡檢中發(fā)現(xiàn),車輛以低速返回車庫時,車下走行部轉(zhuǎn)向架附近有異響。技術(shù)人員隨即展開進一步監(jiān)測,確認異響來自于車輛轉(zhuǎn)向架其中一臺牽引電機。使用振動監(jiān)測設(shè)備探測牽引電機振動,監(jiān)測信號顯示牽引電機殼體靠近驅(qū)動端位置有異常振動產(chǎn)生,根據(jù)經(jīng)驗初步判斷為由牽引電機驅(qū)動端軸承問題導(dǎo)致。解體牽引電機,發(fā)現(xiàn)牽引電機驅(qū)動端球軸承的滾珠表面有金屬剝落,軸承外圈滾道有連續(xù)波紋狀凹槽出現(xiàn),判斷為典型的軸承電腐蝕現(xiàn)象。通過分析牽引電機軸承產(chǎn)生電腐蝕的根本原因,提出為牽引電機添加導(dǎo)流環(huán)的技術(shù)方案,有效解決了牽引電機因軸電壓過大而導(dǎo)致的軸承電腐蝕問題。

2 故障分析

通常情況下,牽引電機軸承故障的原因主要分為兩大類。第一類為機械類原因,如軸承潤滑不良、軸承安裝不合理等。第二類為電氣類原因,如軸承電腐蝕。

技術(shù)人員對產(chǎn)生異響的牽引電機進行了分解分析。牽引電機技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 牽引電機技術(shù)參數(shù)

分解牽引電機后,目視檢查定子、轉(zhuǎn)子,無異常。牽引電機兩端軸承包括驅(qū)動端深溝球軸承和非驅(qū)動端圓柱滾子軸承,如圖1所示。分解牽引電機兩端軸承,檢查結(jié)果顯示,牽引電機驅(qū)動端深溝球軸承外圈滾道表面顏色灰暗,伴有波紋狀凹槽,滾珠表面顏色灰暗,有剝落缺陷,軸承內(nèi)圈滾道表面有磨損及壓痕,如圖2所示。對牽引電機非驅(qū)動端圓柱滾子軸承進行檢查,結(jié)果無異常。

圖1 牽引電機兩端軸承

根據(jù)GB/T 24611—2020《滾動軸承 損傷和失效 術(shù)語、特征及原因》,初步判斷牽引電機驅(qū)動端深溝球軸承為電腐蝕損傷。然后經(jīng)專業(yè)檢測機構(gòu)對故障軸承進一步分析,確認為典型軸承電腐蝕。專業(yè)檢測機構(gòu)檢測結(jié)果見表2。

表2 專業(yè)檢測機構(gòu)檢測結(jié)果

圖2 牽引電機驅(qū)動端深溝球軸承分解結(jié)果

3 牽引電機控制原理

軌道交通車輛牽引電機通過牽引逆變器實現(xiàn)控制,牽引逆變器作為軌道交通車輛交流傳動系統(tǒng)的重要組成部分,可以完成從直流高壓形式電能向交流形式電能的轉(zhuǎn)換,進而實現(xiàn)軌道交通車輛變頻調(diào)速功能。牽引逆變器采用脈沖寬度調(diào)制模式,改善牽引逆變器的輸出波形。將接觸網(wǎng)1 500 V直流電逆變?yōu)?～1 150 V三相交流電供給牽引電機,通過調(diào)壓、調(diào)頻實現(xiàn)對牽引電機進行牽引、制動、調(diào)速控制。與其它控制形式的逆變器相比,脈沖寬度調(diào)制技術(shù)可以降低牽引電機的諧波損耗,減小轉(zhuǎn)矩脈動,簡化逆變器結(jié)構(gòu),加快速度調(diào)節(jié),提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能。

脈沖寬度調(diào)制模式的應(yīng)用,顯著改善了牽引電機的調(diào)速性能,但是牽引逆變器輸出的脈沖寬度調(diào)制波無法達到完全的三相平衡,產(chǎn)生的高頻共模電壓將在牽引電機軸上感應(yīng)出高幅值軸電壓,并且形成軸電流。

軌道交通車輛牽引電機的類型為三相對稱異步電機,牽引電機定子繞組中性點對地的電壓定義為共模電壓UCM,牽引電機A相、B相、C相的端電壓依次為uA、uB、uC,則共模電壓UCM為:

UCM=(uA+uB+uC)/3

(1)

當牽引電機由脈沖寬度調(diào)制逆變器驅(qū)動時,共模電壓不為0。共模電壓通過電機內(nèi)部電容耦合作用,在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出軸電壓,通過電機軸承,形成電流流通路徑。在牽引電機中,有三種耦合電容,即定子繞組和轉(zhuǎn)子之間的電容、定子繞組和定子鐵心之間的電容、轉(zhuǎn)子和定子鐵心之間的電容。共模電壓通過上述三種電容,在牽引電機轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出軸電壓。

牽引電機軸承滾道由內(nèi)圈滾道和外圈滾道組成。牽引電機正常運行時,軸承滾珠在油脂中高速運轉(zhuǎn),滾珠被油脂包裹。因為油脂的絕緣作用,內(nèi)外圈滾道沒有金屬接觸,整個軸承可以等效為一個電容。當軸電壓超過油脂的擊穿電壓時,油脂被擊穿,軸承內(nèi)外圈滾道類似于形成短路,沿軸承之間電阻最小的路徑放電,形成放電電流,即軸電流,如圖3所示。

圖3 軸電流產(chǎn)生示意圖

上述放電頻率極高,達每小時幾百萬次,電流具有很強的熱效應(yīng),發(fā)熱導(dǎo)致軸承溫度迅速上升。軸承內(nèi)部接觸面局部金屬熔融,內(nèi)外圈滾道表面出現(xiàn)大量麻點,即凹坑,摩擦力增大,導(dǎo)致軸承滾珠表面磨損嚴重,甚至剝落,潤滑油脂熔化溢出。與此同時,在軸承內(nèi)外圈滾道上還會產(chǎn)生波紋狀凹槽,造成內(nèi)外圈滾道表面前期損傷。軸承滾道與滾珠的機械磨損將使牽引電機產(chǎn)生異響和異常振動,磨損嚴重時還將導(dǎo)致軸承卡滯、失效,影響軌道交通車輛運營安全。

根據(jù)國內(nèi)牽引電機的故障統(tǒng)計,牽引電機軸承25%的損壞由軸電壓和軸電流造成,隨著以絕緣柵雙極晶體管為功率器件的脈沖寬度調(diào)制逆變器作為牽引電機驅(qū)動電源被廣泛應(yīng)用,牽引電機軸電壓和軸電流的問題日益嚴重。

4 解決措施

經(jīng)過上述軸電壓和軸電流的分析可知,軸電壓是軸承電腐蝕問題產(chǎn)生的根源。通過建立一個有效的軸電壓放電旁路,可以達到降低軸承外圈和內(nèi)圈之間軸電壓的目的。筆者提出加裝導(dǎo)流環(huán)抑制軸電壓的方案,導(dǎo)流環(huán)工作原理如圖4所示。

圖4 導(dǎo)流環(huán)工作原理

在牽引電機轉(zhuǎn)軸上加裝導(dǎo)流環(huán),提供一個牽引電機軸到牽引電機殼體的低阻抗通路,導(dǎo)流環(huán)將牽引電機殼體與牽引電機軸直接短接,以疏導(dǎo)的方式降低軸電壓,減小軸電流。

為了驗證方案的有效性,選取同一軌道交通車輛一個轉(zhuǎn)向架上的兩臺相同牽引電機,在相同工況下在軌道正線進行牽引電機軸電壓測試,其中1號牽引電機設(shè)置加裝導(dǎo)流環(huán),2號牽引電機無導(dǎo)流環(huán)。測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 牽引電機軸電壓測試結(jié)果

由圖5可以看出,1號牽引電機軸電壓測試曲線平緩,數(shù)值小于10 V,2號牽引電機軸電壓測試曲線起伏異常明顯,數(shù)值達到105.2 V,由此充分證明了加裝導(dǎo)流環(huán)在降低牽引電機軸電壓方面的有效性和可行性。

通過對現(xiàn)有牽引電機的機械結(jié)構(gòu)分析,在不改變牽引電機結(jié)構(gòu)的前提下,結(jié)合導(dǎo)流環(huán)的安裝條件,決定將導(dǎo)流環(huán)安裝于牽引電機非驅(qū)動端,位于牽引電機非驅(qū)動端軸承蓋與牽引電機端蓋之間的空腔內(nèi),如圖6所示。

導(dǎo)流環(huán)安裝于牽引電機非驅(qū)動端空腔中,空腔內(nèi)存在油污、潤滑油脂及其它細小顆粒,容易附著在導(dǎo)流環(huán)的導(dǎo)電纖維表面,會造成導(dǎo)電效果不暢。為了使導(dǎo)流環(huán)與油污、油脂等隔絕,在牽引電機非驅(qū)動端設(shè)計加裝迷宮環(huán),使導(dǎo)流環(huán)位于迷宮環(huán)與牽引電機端蓋之間的封閉腔體內(nèi)。

圖6 導(dǎo)流環(huán)安裝位置

設(shè)計方案由導(dǎo)流環(huán)、迷宮環(huán)A、迷宮環(huán)B組成,如圖7所示。

迷宮式密封是非接觸密封,無固相摩擦,不需要潤滑,適用于高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)條件。在轉(zhuǎn)軸周圍設(shè)若干個依次排列的環(huán)行密封齒,齒與齒之間形成一系列節(jié)流間隙與膨脹空腔,被密封介質(zhì)在通過曲折迷宮的間隙時產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng),進而達到阻漏密封的目的。

導(dǎo)流環(huán)由鋁環(huán)和導(dǎo)電纖維組成,在鋁環(huán)內(nèi)圈安裝有導(dǎo)電纖維,導(dǎo)電纖維與迷宮環(huán)B表面接觸,形成可靠的電路連接。導(dǎo)流環(huán)實物如圖8所示。

迷宮環(huán)A與導(dǎo)流環(huán)采用過盈配合,壓裝形成一個整體,與牽引電機殼體螺栓連接。迷宮環(huán)A實物如圖9所示。

迷宮環(huán)B與牽引電機轉(zhuǎn)軸采用定制螺栓連接,成為一個整體,隨著牽引電機軸的高速旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動。迷宮環(huán)B實物如圖10所示。

最終形成由牽引電機軸、迷宮環(huán)B、導(dǎo)流環(huán)、迷宮環(huán)A、牽引電機殼體組成的電流通路。

為了驗證加裝導(dǎo)流環(huán)的可靠性,分析導(dǎo)流性能與壽命,特別搭建了一臺模擬牽引電機工作狀態(tài)的測試架,如圖11所示。

轉(zhuǎn)子運行模擬牽引電機加速、勻速、制動、換向等旋轉(zhuǎn)狀態(tài),經(jīng)過10 000 h監(jiān)測,導(dǎo)流環(huán)的導(dǎo)電能力良好,導(dǎo)電纖維幾何外觀無變化,證明導(dǎo)電纖維具有良好的可靠性。導(dǎo)流環(huán)性能測試結(jié)果見表3。

圖10 迷宮環(huán)B實物

圖11 模擬牽引電機工作狀態(tài)測試架

表3 導(dǎo)流環(huán)性能測試結(jié)果

通過上述設(shè)計,完整地實現(xiàn)了加裝導(dǎo)流環(huán)的功能。導(dǎo)電纖維性能穩(wěn)定,使用壽命長,迷宮環(huán)同樣工作可靠。在軌道交通車輛的整個架修期內(nèi),導(dǎo)流環(huán)與迷宮環(huán)可以免維護,由此極大節(jié)省牽引電機的維護成本。

5 結(jié)束語

牽引電機是軌道交通車輛牽引系統(tǒng)的核心部件之一,確保牽引電機正常運轉(zhuǎn),是保障軌道交通車輛運營的關(guān)鍵。筆者分析了軸電壓、軸電流的產(chǎn)生原理,確定了軸電流的流通路徑,通過對牽引電機加裝導(dǎo)流環(huán),有效降低了牽引電機軸電壓,為最終解決牽引電機軸承電腐蝕問題提供了可行的技術(shù)方案。