陳中帥

（中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

牽引電機冷卻風(fēng)機是高速動車組關(guān)鍵部件之一，其主要功能是為牽引電機提供冷卻風(fēng)源，帶走牽引電機運行時內(nèi)部繞組產(chǎn)生的熱量，以防止?fàn)恳姍C過熱損壞[1]. 自CRH5G型動車組投入運營以來，在運用檢修過程中發(fā)現(xiàn)多起牽引電機冷卻風(fēng)機出現(xiàn)異音故障，造成動車組途中緩行或停車，影響動車組運行品質(zhì)及干線鐵路的運營秩序. 因此，研究風(fēng)機異音的故障原因，采取有效的整治措施，對于提升動車組質(zhì)量安全水平、保障運輸秩序具有重要意義. 本文以CRH5G型動車組牽引電機冷卻風(fēng)機為研究對象，采取分解檢查、檢測尺寸及預(yù)緊力等方法，查明冷卻風(fēng)機異音故障的具體原因并提出改進措施，以期為解決該型號動車組牽引電機冷卻風(fēng)機異音故障問題提供技術(shù)支撐，從而保障動車組運行安全.

1 冷卻風(fēng)機異音原因分析

1.1 冷卻風(fēng)機結(jié)構(gòu)分析

CRH5G型動車組牽引電機冷卻風(fēng)機由葉輪、進風(fēng)口、電機、蝸殼、電氣連接器構(gòu)成（圖1），結(jié)構(gòu)簡單，其中葉輪、進風(fēng)口、蝸殼為焊接結(jié)構(gòu)件，材料為鋼；電機為三相異步電動機，主要由軸承、前端蓋、后端蓋、轉(zhuǎn)子、定子、接線盒、波形彈簧構(gòu)成[2].

圖1 牽引電機冷卻風(fēng)機示意圖

冷卻風(fēng)機的電機在三相交流電的作用下產(chǎn)生交流磁場，對轉(zhuǎn)子做功，而轉(zhuǎn)子作為旋轉(zhuǎn)件，由兩個軸承支撐，軸承安裝后存在一定的游隙，能保證轉(zhuǎn)子在長期工作下靈活運行，組裝冷卻風(fēng)機時，前后軸承同軸度超差或預(yù)緊力不足，軸承容易產(chǎn)生受憋，長期運行后會產(chǎn)生異音故障[3].

1.2 冷卻風(fēng)機軸承同軸度分析

選取5臺發(fā)生異音故障的牽引電機冷卻風(fēng)機為樣本機，對其機座、前端蓋、后端蓋等部件的同軸度尺寸進行測量，具體數(shù)據(jù)見表1.

表1 牽引電機冷卻風(fēng)機關(guān)鍵尺寸測量數(shù)據(jù)表

對冷卻風(fēng)機進行分解檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子表面均有較為明顯的掃膛痕跡，掃膛位置主要在轉(zhuǎn)子的前端位置；定子內(nèi)表面也有較為明顯的掃膛痕跡，端部有大量黑色鐵粉附著；定子前后端的軸承轉(zhuǎn)動不靈活，外圈光亮，表示有跑外圈的情況；軸承室磨損嚴(yán)重，內(nèi)部有大量鐵末存在，端蓋內(nèi)壁粘附大量黑色粉末，前端波形彈墊有明顯磨損痕跡，見圖2.

圖2 牽引電機冷卻風(fēng)機分解檢查圖示

根據(jù)測量數(shù)據(jù)及分解檢查情況可知，5臺故障風(fēng)機的機座止口同軸度均不滿足設(shè)計要求，存有的超差，冷卻風(fēng)機機座屬于靜止件，不應(yīng)該存在磨損現(xiàn)象. 根據(jù)上述分析可知，機座止口同軸度超差主要原因為：軸承加工精度不滿足要求，生產(chǎn)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，進而引起軸承受憋，提供了軸承跑外圈時的動力，造成軸承外圈與軸承座孔發(fā)生滑動，即風(fēng)機軸承室跑外圈，引起軸承室磨損，最終導(dǎo)致前端蓋止口—軸承室以及后端蓋止口—軸承室同軸度超差.

1.3 冷卻風(fēng)機軸承預(yù)緊力分析

CRH5G型動車組牽引電機冷卻風(fēng)機軸承型號為SFK 6205，軸承外徑為52 mm，內(nèi)徑為25 mm，冷卻風(fēng)機軸承所需的預(yù)緊力[4]（施加在軸承內(nèi)外圈之間的軸向力，用以減少軸承運行過程中的噪聲及振動）為125～250 N. 其使用的波形彈簧[5]為D52型，依據(jù)JB/T 7590—2005《電機用鋼質(zhì)波形彈簧技術(shù)要求》[6]，該型號波形彈簧自由高度為3.2 mm. 由設(shè)計尺寸圖（見圖3）可知，波形彈簧安裝區(qū)間A的最大尺寸為2.65 mm，最小尺寸為1.71 mm，波形彈簧壓縮范圍為

圖3 牽引電機冷卻風(fēng)機設(shè)計尺寸圖

對5臺發(fā)生異音故障的牽引電機冷卻風(fēng)機的軸承波形彈簧安裝空間進行測量，并將風(fēng)機上的波形彈簧取下后安放于波形彈簧彈力試驗機的兩平行板之間，逐漸施加負(fù)載，使兩平行板間距離達(dá)到波形彈簧在故障軸承時的壓縮量，測量此時的彈力，具體數(shù)據(jù)見表2.

表2 牽引電機冷卻風(fēng)機軸承預(yù)緊力測量數(shù)據(jù)表

分析測量結(jié)果可知，5臺故障風(fēng)機中有4臺存在軸承預(yù)緊力不滿足標(biāo)準(zhǔn)值下限的情況。根據(jù)胡克定律，波形彈簧預(yù)緊力F=-k·x，其中k是剛度系數(shù)，x為波形彈簧壓縮量. 計算軸承設(shè)計尺寸鏈可知，在該設(shè)計尺寸下，D52型波形彈簧預(yù)緊力為103～280 N（需求值為125～250 N），故障風(fēng)機的軸承設(shè)計預(yù)緊力與需求預(yù)緊力有所偏差，當(dāng)零件配合處于極限時，軸承預(yù)緊力超出需求范圍，使得軸承外圈摩擦力不足以抵抗受憋提供的動力，進而導(dǎo)致風(fēng)機跑外圈.

綜上所述，由于故障風(fēng)機機座止口同軸度的制造工藝未滿足設(shè)計要求，且風(fēng)機軸承的設(shè)計預(yù)緊力與需求預(yù)緊力存在偏差，導(dǎo)致了牽引電機冷卻風(fēng)機軸承跑外圈，最終造成風(fēng)機產(chǎn)生異音.

2 改進措施

2.1 優(yōu)化制造工藝

為避免CRH5G型動車組牽引電機冷卻風(fēng)機出現(xiàn)異音或接地故障，對冷卻風(fēng)機的制造工藝進行優(yōu)化，確保機座止口同軸度不超差. 加工過程中使用專用機座加工設(shè)備，采用一次裝夾的方式，對機座兩端止口與鐵芯檔位進行同時加工，免去了二次裝夾帶來的同軸度誤差，確保機座同軸度滿足技術(shù)要求. 同時嚴(yán)格執(zhí)行抽檢制度，對機座的止口同軸度使用三坐標(biāo)設(shè)備進行抽檢，對不合格品執(zhí)行報廢處理.

2.2 提高設(shè)計精度

在保證牽引電機冷卻風(fēng)機主要接口尺寸及電氣參數(shù)滿足設(shè)計規(guī)范的基礎(chǔ)上，提高牽引電機冷卻風(fēng)機各部位的設(shè)計精度（見圖4），減小設(shè)計公差，用以確保軸承預(yù)緊力滿足軸承使用要求. 對優(yōu)化后的尺寸精度進行尺寸鏈復(fù)核，波形彈簧安裝區(qū)間A的最大尺寸為2.38 mm，最小尺寸為1.90 mm，波形彈簧壓縮范圍為0.82 ～ 1.30 mm ，設(shè)計預(yù)緊力為153～244 N，在冷卻風(fēng)機各部位配合處于極限時，其設(shè)計值仍能滿足該冷卻風(fēng)機軸承的預(yù)緊力（125～250 N）需求.

圖4 改進后牽引電機冷卻風(fēng)機尺寸圖

3 試驗驗證

優(yōu)化后的牽引電機冷卻風(fēng)機依據(jù)GB/T 1032—2012《三相異步電動機試驗方法》[7]進行了型式試驗，機械尺寸、堵轉(zhuǎn)試驗、空轉(zhuǎn)試驗、連續(xù)啟動試驗、空載試驗、溫升試驗、負(fù)載試驗、轉(zhuǎn)矩試驗和超速試驗等結(jié)果均合格. 2016年7月選取某組CHR5G型動車組裝用1臺改進后的牽引電機冷卻風(fēng)機，至2017年6月動車組運行了36.6萬公里，在此期間冷卻風(fēng)機狀態(tài)良好，未發(fā)生故障報修情況，表明改進型風(fēng)機能夠滿足CRH5G型動車組的使用要求.

4 結(jié)束語

針對CRH5G型動車組運行檢修中發(fā)生的牽引電機冷卻風(fēng)機異音故障，通過分解檢測故障風(fēng)機軸承關(guān)鍵部位尺寸以及軸承預(yù)緊力，系統(tǒng)分析了故障原因，提出了優(yōu)化冷卻風(fēng)機機座止口與鐵芯檔位的壓裝工藝、減小冷卻風(fēng)機軸承相關(guān)部位的設(shè)計公差等改進措施. 自2019年4月改進后的牽引電機冷卻風(fēng)機批量裝車以來，至今已運用超過3年，整體狀態(tài)和性能良好，未發(fā)生牽引電機冷卻風(fēng)機異音故障. 本文提出的改進措施能夠有效解決風(fēng)機異音故障，改進后的牽引電機冷卻風(fēng)機滿足動車組使用要求，保障了動車組運用安全及鐵路運輸秩序. 后續(xù)建議增加冷卻風(fēng)機異音故障的運用監(jiān)控手段，如在動車組上加裝監(jiān)測裝置，將故障信息與動車組健康管理信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，研究冷卻風(fēng)機故障規(guī)律，實現(xiàn)超前防范.