內、電共用異步牽引電機技術研究

中車永濟電機有限公司 陜西 西安 710018

隨著經濟的發展,電商專列、快捷貨運將成為中國鐵路貨運今后發展的重點方向,需要大量大容積、高速度、適應現代物流運輸特點的鐵路貨車做支撐。牽引電機作為貨車驅動力提供設備,將電能轉換為機械能,發揮自身最優特性,實現貨車的牽引和制動功能。

由于電源的提供方式不同,在設計時為發揮各自在內燃或電力工況下最優特性,電機存在一定的差異性。為了實現簡統化設計,滿足電機在內燃和電力工況下共用,本文從以下幾個方面進行了研究。

1 環境適應性研究

不同于電力機車適用于電氣化線路,內燃機車適用范圍更廣,特別是一些高海拔、高氣壓差和高溫差等條件惡劣地區。需要針對內燃機車使用環境的特殊性進行以下研究。

1．1 低溫條件下結構部件的選材 依據內、電牽引電機使用工況和使用環境的差異,電機的端蓋和機座等關鍵受力部件,選擇耐低溫的鑄鋼275－485材料。鑄件需完成－40℃低溫沖擊功檢測。

1．2 選擇耐低溫軸承潤滑脂,滿足低溫啟動性能要求。

選擇國內常用的美孚、克虜伯和長城牌潤滑脂,對比試驗了常用的潤滑脂工作溫度和粘度,如表1。

表1

牽引電機低溫啟動時,較高粘度的潤滑脂泵送性、低溫扭矩等較差,潤滑性能下降。克虜伯和長城潤滑脂的粘度較低,并且克虜伯潤滑脂的工作溫度更低,范圍更寬。綜合對比,內、電共用型牽引電機的潤滑脂選擇克虜伯L152。

1．3 整機低溫考核 依據GB2423．1－2008的規定,完成了低溫存放試驗和低溫啟動試驗。

(1)低溫存放試驗:環境溫度－40℃,存放16h,恢復至環溫后檢查電機,空載啟動正常。

(2)低溫啟動試驗:環境溫度降至－25℃時,電機啟動及運行正常;繼續降溫至－40℃,電機能夠正常運行。

1．4 高海拔對電機通風冷卻影響 海拔升高,大氣壓力下降,空氣密度降低,溫差和濕度變化較大,這些因素都會影響電機散熱。依據TB3213－2009《高原機車車輛電工電子產品通用技術條件》規定,仿真分析了牽引電機溫升相同時,不同海拔下,電機需要的冷卻通風量,如表2;分析了相同的冷卻風量,不同海拔下,電機繞組平均溫升的變化,如表3。

表2

工 況 3 3000 2．11 30 0．78196工 況 4 4000 2．36 25 0．70154工 況 5 5100 2．64 19．5 0．61705

表3

依據不同海拔下電機冷風風量和溫升的對比分析,指導內、電共用平臺牽引電機冷卻風量和電機溫升裕量的選擇。

2 依托現有牽引電機技術平臺進行電磁和結構研究

依托同一時速平臺電力和內燃機車牽引電機,從工作特性、軸承選型、外形接口及整機結構四個方面進行對比研究,旨在論證牽引電機內、電共用依存條件及后續的設計規范。

2．1 牽引電機工作特性對比研究 受柴油機功率限制,內燃機車相對于電力機車,其牽引電機功率小。為獲得相近的持續轉矩及最高恒功運行速度,內燃機車牽引電機恒功范圍寬,一般在4倍左右,而電力機車牽引電機恒功范圍窄,保持在2倍左右。

a．兩種牽引電機按照內燃機車特性計算時發熱對比。如上表,內燃和電力機車牽引電機均按照內燃機車電機牽引特性計算,電力機車電機較內燃機車電機在進恒功點、持續點及恒功高速點,即長時運行段,發熱因數最大降低了5%,損耗最大降低了4%。整個電機發熱狀況會進一步得到優化。

b．兩種牽引電機按照電力機車特性計算時發熱對比。如上表,內燃機車牽引電機在按照電力機車特性計算時,發熱因數最大提高了約30%,損耗也增加了約20%,計算繞組溫升已超過200K以上。但只要采取升壓恒功策略,即在保證低速點磁負荷不飽的情況下升高恒功高速點電壓就可以將溫升控制在180K以內。

2．2 電機軸承結構研究 目前大功率機車牽引電機主要采用三種動力驅動結構和軸承布置:懸臂結構、單端支承、雙端支承結構。

表4

HXD1B、HXD1F內錐軸＋柔性聯軸節＋斜齒輪軸NUB＋(NU＋NU＋QJ)雙端支承HXD2F 內錐軸＋柔性聯軸節＋直齒輪軸NUB＋(NU＋NJ)HXD3B、HXD3D、HXN3 K內錐軸＋薄板法蘭＋斜齒輪軸NUB＋(NU＋NU＋QJ)

對3種動力驅動結構進行受力分析,設作用在齒輪上的嚙合力為F,如驅動端均采用相同圓柱滾子軸承,將懸臂結構的軸承壽命設為1,在三種結構的受力和壽命如下表:

表5

從上表中可以看出雙端支承結構的效果最好,可大大提高軸承壽命。本平臺內燃和電力機車牽引電機均采用雙端支撐的動力驅動結構和軸承布置。

2．3 電機外形接口對比研究 本平臺內燃和電力機車牽引電機與轉向架連接方式均為架懸式。其一端通過吊桿吊裝在轉向架上,另一端通過空心連接裝置實現與輪軸非接觸式轉向架安裝。電機除軸向長度相差33．5mm外,其余外形安裝尺寸均相同。兩種電機可以在兩個平臺之間互換安裝。

2．4 整機結構研究 本平臺牽引電機的定子與承載式齒輪箱通過止口定位,螺栓連接。電機本體結構中轉子只有非傳動端單軸承支撐,傳動端通過聯軸節傳遞扭矩以驅動輪對,并依靠齒輪箱軸承支撐定位。兩種電機結構統一。

3 輕量化研究

由于內燃機車和電力機車布置結構的差異性,考慮機車軸重的限制,如何實現內、電通用異步牽引電機的重量統一,主要針對鐵心結構形式、連線結構形式、壓圈結構形式等開展三維實體設計,對比不同結構形式下相同參數牽引電機的重量,尋求最優化結構。

a．對既有電機從結構件開展去除冗余工作,比如鑄件重量控制,接線盒采用絕緣材質,密封環等配件采用鑄鋁材質等,從而降低電機結構件的重量。

b．對于新設計電機采用碳纖維等新材料等以減輕電機重量。

4 絕緣耐受性試驗

為了驗證牽引電機絕緣的耐受性,選取現有機車牽引電機絕緣結構進行耐受性試驗。將電機定子預烘至245℃后施加擊穿電壓,記錄擊穿電壓值和擊穿點并檢測膠含量,以此判斷絕緣結構的耐受性。根據試驗結果分析,現有絕緣結構可以長時工作的溫度極限是245℃。

5 溫升試驗

5．1 轉子通風方案驗證 為了驗證電機轉子不同通風方案對整機溫升的影響,完成了有限元仿真分析和試驗驗證,為后續內、電通用大功率異步牽引電機轉子通風結構的選擇提供理論和試驗依據。

圖1 通風孔結構優化

根據有限元分析,轉子32個通風孔堵12個通風口后,進風口的風壓由1471Pa增大到1667Pa,風量占比提高了約10%;定子線圈的平均溫升降低了約8K,轉子鐵芯的平均溫度增大了約17K。

根據試驗結果分析,轉子加堵后風壓增加172Pa,繞組溫升降低了5 K,轉子溫升增加了8K,達到了198℃;我們再次選取一臺沒有加堵的電機進行溫升,風壓增加了52Pa,溫升降低了13K。通過以上兩次實驗對比,說明了轉子加堵方案能夠一定程度上降低電機繞組溫升。

鑒于內、電平臺共用電機的電磁方案相同,整機通風結構的優化只有集中在定、轉子風量的分配上,即轉子通風結構對整機溫升的影響。選擇不同轉子通風方案,進行有限元仿真分析和試驗驗證,得出溫升變化趨勢。

5．2 絕緣層厚度對溫升的影響 由于內燃和電力機車異步牽引電機工作電壓的差異性,電機絕緣結構不同,包括材料和厚度的差異。如果要實現內、電異步牽引電機的絕緣共用,勢必存在低電壓電機使用加厚的絕緣結構。本試驗通過選擇不同風量下,不同絕緣厚度進行溫度場仿真分析,掌握絕緣層加厚對電機溫升的影響,即絕緣層厚度增加1倍,電機的平均溫升增加約6K,如表6。

表6

6 結論

通過對電機環境適應性等方面研究,并依托既有電機進行工作特性、結構等方面對比研究,提出了牽引電機內、電共用的可行性及依存條件,為后續內、電共用牽引電機設計提供了理論支撐和試驗依據。